コンデンサ降圧電源計算機

コンデンサ降圧型電源を設計 — 降下コンデンサのリアクタンス、直流出力電流、ツェナー損失を計算。

交流入力電圧、周波数、降下コンデンサ値、負荷抵抗、ツェナー電圧を入力して、コンパクトな無トランスAC-DC電源を設計します。

コンデンサ降圧電源計算機
コンデンサ降圧型電源を設計 — 降下コンデンサのリアクタンス、直流出力電流、ツェナー損失を計算。

コンデンサ降圧電源計算機について

コンデンサ降圧電源（カパシタドロッパ回路とも呼ばれます）は、トランスを使わずに商用AC電圧を低いDC電圧へ変換できる、コンパクトで低コストな方法です。低消費電力の用途、たとえばLEDインジケータ、簡単なマイコン電源、リモコン回路などで広く使われます。これらの用途では必要電流が通常50 mA未満であり、商用電源との絶縁は別の手段（例: フォトカプラ、あるいは慎重なPCBレイアウト）で確保されます。 回路の原理は単純です。直列に入れるコンデンサ（降下コンデンサ）が、電力を消費せずに電流を制限するリアクタンスとして働きます。コンデンサのインピーダンスは純粋にリアクティブであり（Xc = 1/(2πfC)）、電力損失をほとんど伴わずに商用電圧の大部分を受け持ちます。商用電源に接続されたコンデンサの後段には整流ダイオード（またはブリッジ）とツェナーダイオードが続き、出力を所望のDC電圧にクランプし、余分な電流を吸収します。 降下コンデンサのリアクタンスは Xc = 1 / (2π × f × C) で計算します。ここで f は商用周波数（50 または 60 Hz）、C はファラッド単位の容量です。供給可能なRMS電流はおおよそ Irms ≈ Vac / Xc です（コンデンサがインピーダンスを支配すると仮定した簡略式）。整流後の利用可能なDC電流は、ブリッジ整流の場合おおむね Idc ≈ 0.9 × Irms です。DC出力電圧はツェナー電圧にクランプされます（Vout = Vzener）。負荷電流は Iload = Vout / Rload で、ツェナーは余剰電流 Iz = Idc – Iload を吸収し、Pz = Vzener × Iz の電力を消費します。 トランスレス電源では安全が最優先です。出力回路は商用電源に直接接続され、絶縁されていません。出力側の任意の点は、対地で商用電位になり得ます。そのため、この方式は完全に絶縁された筐体内でのみ使用し、外部から触れられる金属部が出力につながらないようにしなければなりません。また、製品は関連する安全規格（IEC 60335 など）に適合する必要があります。ユーザーが触れる可能性のある回路など、ガルバニック絶縁が必要な用途では、適切な商用トランスまたは絶縁型スイッチング電源が必須です。 コンデンサ自体は、連続的なAC商用電圧に耐えられる安全定格品でなければなりません。正しい部品はX2クラスコンデンサ（275 VAC定格、商用電源間に接続する用途）です。この位置に電解コンデンサを使ってはいけません。230 V商用電源では少なくとも400 V DCまたは250 V AC、120 V商用電源では少なくとも250 V DCまたは165 V ACの定格が必要です。 一般的な設計手順は、必要な出力電圧（＝ツェナー電圧）を決め、最大負荷電流を見積もり、C = Idc / (2π × f × Vac × 0.9) から必要容量を求め、最も近い標準容量を選ぶことです。ツェナー損失 Pz = Vzener × (Idc_max – Iload_min) がツェナーの定格電力内であることを必ず確認し、少なくとも50%の十分なディレーティング余裕を持たせてください。

計算例

コンデンサ値、負荷、ツェナー電圧の関係を示す3つの設計シナリオ。

設計パラメータ主な結果備考
Vac=230V, f=50Hz, C=1μF, Rload=1kΩ, Vzener=5VXc≈3183Ω, Irms≈72mA, Vout=5V, Iload=5mA, Iz≈60mA230V/50Hz商用電源での簡単な5V LED電源。X2定格の1μFコンデンサを使用し、ツェナーは約300mWを扱う必要があります。
Vac=120V, f=60Hz, C=2.2μF, Rload=470Ω, Vzener=12VXc≈1208Ω, Irms≈99mA, Vout=12V, Iload≈26mA, Iz≈63mA120V/60Hzの12V電源。より大きいコンデンサで多くの電流を確保できます。ツェナー損失は約756mWです。
Vac=230V, f=50Hz, C=0.47μF, Rload=4700Ω, Vzener=3.3VXc≈6772Ω, Irms≈34mA, Vout=3.3V, Iload≈0.7mA, Iz≈30mA低電流の3.3Vマイコン電源。負荷電流が非常に小さいため、利用可能電流の大半をツェナーが吸収します。

使い方

  1. 交流商用電圧（RMS）を入力します。多くの欧州・アジア諸国では230 V、北米では120 Vが一般的です。地域の商用規格を確認してください。
  2. AC周波数を入力します。50 Hz（欧州、アジア、アフリカ、南米）または60 Hz（北米、日本）です。
  3. 降下コンデンサ値をマイクロファラッド (μF) で入力します。これは商用電源に直結される直列コンデンサで、商用電圧に対応したX2安全コンデンサでなければなりません。
  4. 負荷抵抗をオームで入力するか、Vout / Iload から求めます。次にツェナーダイオード電圧を入力します。これが規定DC出力電圧になります。
  5. 計算するをクリックします。ツェナー電流と損失を確認してください。ツェナー電流が負になる場合、負荷が重すぎます。コンデンサ値を大きくしてください。ツェナー定格電力には常に50%のディレーティングを適用してください。

よくある質問

コンデンサ降圧電源は安全ですか？
出力回路は商用電源に直接接続されており電気的に絶縁されていないため、触れると致命的になる可能性があります。この回路は、完全に絶縁された筐体内で、ユーザーが触れられる金属部が一切ない場合にのみ安全です。USBやオーディオジャック経由を含め、ユーザーが出力に触れる可能性のある用途では、トランス式または絶縁型SMPSが必要です。
商用側にはどの種類のコンデンサを使うべきですか？
商用電源に接続するには、安全定格のX2クラス金属化ポリプロピレンコンデンサのみが適しています。X2コンデンサは短絡ではなく開放で安全に故障するよう設計されています。電解コンデンサ、一般的なセラミックコンデンサ、非安全定格のフィルムコンデンサは絶対に使用しないでください。故障すると火災や感電の原因になります。
利用できる電流がとても小さいのはなぜですか？
降下コンデンサのリアクタンス Xc = 1/(2πfC) は、商用周波数では小容量ほど非常に大きくなります。たとえば50 Hzで1 μFなら Xc ≈ 3183 Ω となり、230 V電源からの電流は約72 mA（RMS）に制限されます。これはこの方式の根本的な制約であり、概ね50〜100 mA以下の低電力用途にしか向きません。
適切なツェナーダイオードはどう選べばよいですか？
希望するDC出力電圧と同じツェナー電圧を選びます。ツェナーは最悪条件での損失、つまり最小負荷時の最大ツェナー電流に耐えなければなりません: Pz_max = Vzener × (Idc_max – Iload_min)。信頼性のため、この値の少なくとも2倍の定格電力を持つ部品を選んでください。一般的には、5.1 V、5.6 V、9.1 V、12 Vの1 Wまたは500 mW品がよく使われます。
負荷がコンデンサの供給可能電流より多く消費したらどうなりますか？
負荷電流がコンデンサから得られるDC電流を超えると、出力電圧はツェナー電圧を下回り、無調整になります。供給できるのは Idc_max ≈ 0.9 × Vac / Xc までです。利用可能電流を増やすには、より大きいコンデンサを使います（容量を2倍にすると電流もおおむね2倍になります）。負荷が電源能力を超えると、この計算機が警告します。
ブリッジ整流器の代わりに半波整流器を使えますか？
はい。半波整流は4個ではなく1個のダイオードで済むため、コストと部品点数を減らせます。ただし、得られるDC電流はブリッジ整流の約半分です（半波では Irms の約0.45倍、全波ブリッジでは約0.9倍）。この計算機はブリッジ整流の近似をモデル化しています。半波設計の場合は電流結果を半分にしてください。