産業用周波数変圧器とスイッチング電源の動作原理
工業用周波数変圧器の動作原理は比較的単純で、一次コイルの入力周波数によって交流電圧が磁場に変換され、磁性導電材料（通常はシリコン鋼板）を介して二次コイルに誘導電圧が伝達されます。出力周波数は入力周波数と同じで、電圧はコイルの初期段階の巻数に応じて低下します（二次コイルの巻数がより多い場合はブーストされます）。変圧器の出力は交流であり、ほとんどの電気回路は直流に使用されるため、変圧器の出力電圧も整流、フィルタリング、調整などの回路処理が必要であり、負荷回路部分の作業のために比較的滑らかで安定した電圧になります。
スイッチング電源は依然として変圧器部品の中核であり、電圧比が巻数比に等しいという規則にも従います。産業用変圧器とは異なり、スイッチング電源は動作周波数を上げる必要があります。つまり、低周波の交流電圧を高周波の交流電圧に変換する必要があり、これを実現するには追加の制御回路が必要です。回路の動作には直流電源が必要なため、入力交流電圧を整流して直流電圧に変換してから、その背後にある回路で制御する必要があります。以下は、スイッチング電源の動作原理を簡単に理解するための、よく使用される携帯電話の充電器回路の例です。
入力された 220V の AC 電圧は、整流とフィルタリングを経て約 310V の DC 電圧 (つまり、220V の AC 電圧ピーク) になります。次に、この DC を高周波 AC に変換する必要があります。この電圧を高周波交流に変換する最も簡単な方法は、スイッチを使用することです。スイッチをすばやく切断して閉じることで、DC 電源を高速パルス DC 電圧に変換します。このスイッチを実現するのが、トランジスタというコンポーネントです。トランジスタには、一般的に使用されるトランジスタや電界効果管などが含まれ、この 2 つのコンポーネントは電子スイッチとして使用できます。つまり、ピン (トランジスタのベースと電界効果管のゲート) の電圧制御を介して、他の 2 つのピンでオン/オフ制御を実現できます。
スイッチができたら、次はスイッチ回路を制御する必要があります。この回路の役割は、高速スイッチング信号を出力してスイッチング管の導通と遮断を制御することです。この回路は発振回路と呼ばれます。スイッチング電源の発振回路は多くの種類に分かれていますが、どれであっても、スイッチング管に制御信号を提供することが役割です。
制御回路の制御後、入力電圧は低周波交流から高周波パルス直流電圧に変換され、変圧器に入力されて降圧されます。変圧器から出力される電圧も整流され、直流出力にフィルタリングされて、負荷に供給されます。工業用周波数変圧器とは異なり、スイッチング電源は電圧検出回路の一部でもあり、一次変圧器制御回路の検出による電圧信号をレギュレータにフィードバックして出力します。これにより、スイッチング電源の出力電圧の安定性が向上し、入力電圧の範囲が非常に広くなります。そのため、スイッチング電源の動作プロセスは、実際にはAC-DC、DC-AC、そしてAC-DCのいくつかのプロセスによって実現されます。
ここで疑問があるかもしれません。変圧器は交流電流のみを通すのではなく、なぜスイッチング電源は変圧器電圧を介して直流電流も変換できるのでしょうか。変圧器は確かに交流電流のみを通します。より具体的には、磁束の変化が必要です。工業用周波数の交流電流は正弦波であり、正負の半波が存在するため、磁束の変化が生じます。スイッチング電源は、直流をパルス直流に変換するスイッチング管で構成されており、スイッチング管は遮断から導通に、そして導通から遮断に移行し、これによっても磁束の変化が生じます。
