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技術コラム

 
プログラマブル電源の基礎知識|松定プレシジョン

プログラマブル電源とは?

プログラマブル電源とは、出力電圧や電流などが調整できる電源のことです。特に海外で調整できない電源と区別するためにProgrammable Power supplyとよばれ日本でも普及しています。プログラマブルには、柔軟性と適応性という意味があり、プログラマブル電源には、ユーザーに合わせた電圧や電流に調整できるという意味があります。プログラマブル電源の調整には、手動による制御だけでなく、アナログ信号によるリモート制御やデジタル通信によるリモート制御も含まれます。

プログラマブル電源は、エレクトロニクスのエンジニア、研究者、製造業者にとって、さまざまな用途で不可欠なツールです。この電源は、電圧や電流の出力値を精密かつ正確に制御できるため、電子部品や回路テストの電源供給に最適です。
お客様のニーズに合ったプログラマブル電源を選択する際、松定プレシジョンの製品は最適な選択肢です。

プログラマブル電源やプログラマブル・ベンチ電源の基本的な機能は、電子機器や電気機器の試験・開発において、制御・調整可能な電力源を提供することです。壁のコンセントやACアダプター、蓄電池充電器のような固定電圧を供給する電源装置とは異なり、プログラマブル電源装置は、ユーザーが出力電圧や電流、その他のパラメーターを用途に応じて設定し、カスタマイズすることができます。この技術コラムは、英語のTech Tips「Programmable Power Supply 101 」を日本語化したものです。

可変電源との違いは何ですか?

「プログラマブル電源」や「可変電源」という用語は、いずれも出力の電圧または電流を可変して供給できる電源を指し、同じ意味で使用されます。どちらも、可変電圧と可変電流を供給するという基本的な機能は同じです。しかし、「プログラマブル」という用語は、デジタル・インターフェースを介して電源を遠隔制御できることを強調するために使われることもあります。これは精密なコントロールやモニタリングを必要とする自動検査などのアプリケーションで有効です。

電源装置の分類
電源装置の分類|松定プレシジョン

プログラマブル電源の種類

プログラマブル電源には、基本的に4つのタイプがあります。これらのプログラマブル電源は、基本的な電圧や電流の調整から、DCおよびACの出力や特殊な動作まで、さまざまなニーズに対応します。

プログラマブル直流電源(Programmable DC Power Supplies) 

この電源は、直流(DC)アプリケーションにおいて直流の出力電圧と電流の設定や制御を可能にします。電子機器のテスト、回路の試作、研究開発に広く使用されています。

プログラマブル直流電源|松定プレシジョン

プログラマブル交流電源 (Programmable AC Power Source) 

プログラマブル交流電源は、交流(AC)波形の出力電圧や電流を設定や制御をすることができます。家電製品や産業機器など、AC電源で動作する機器のテストに欠かせません。また、一般的なプログラマブル交流電源は、直流の出力も可能です。

プログラマブル交流電源|松定プレシジョン

デジタル・プログラマブル電源 

デジタル・プログラマブル電源は、デジタル・インターフェースと前面のエンコーダー式ノブにより、精密なコントロールとモニタリングを行います。ユーザーはパラメーターをデジタルで設定できるため、自動テストやリモート・コントロール・アプリケーションに最適です。

デジタル・プログラマブル電源|松定プレシジョン

アナログ・プログラマブル電源 

アナログ・プログラマブル電源装置は、フロントパネルのボリュームやアナログインターフェースを使用して出力パラメーターを調整します。デジタル式に比べれば精度や再現性は劣りますが、外部回路との連動や安全面の保護など特定の用途では価値があり、そのシンプルさが好まれる場合もあります。

アナログ・プログラマブル電源|松定プレシジョン

プログラマブル電源の利点

プログラマブル電源を使用することで、さまざまなアプリケーションでいくつかの利点が得られます。電気のエンジニア、研究者、製造業者にとって重要なツールとなっています。プログラマブル電源を使用する主な利点は以下の通りです:

  • 精密(Precision)

    プログラマブル電源は、電圧や電流の出力値を精密かつ正確に制御できます。この出力制御は、それらの指定されたパラメータで電力を供給することを保証し、電子部品や回路のテストにおいて極めて重要です。

  • 柔軟(Flexbirity)

    ユーザーは、さまざまな機器や実験の要件に合わせて、電圧と電流の設定を簡単に変更できます。この柔軟性は、多様なテストシナリオが一般的な研究開発において特に重要です。

  • 自動(Automation)

    プログラマブル電源の多くは、デジタル・インターフェースとソフトウェア制御によって自動化できます。この自動化により、テスト工程が合理化され、人的ミスのリスクが軽減され、無人で長期間の実験が可能になります。

  • 遠隔(Remote)

    多くの場合、USBやLANなどのインターフェースを介したリモート制御機能により、ユーザーは離れた場所から電源装置を操作することができます。これは、電源への物理的なアクセスが制限されているアプリケーションや、安全に配慮した遠隔監視・制御に便利です。

  • 記憶(Memory)

    プログラマブル電源装置は、本体にメモリーを持っている場合があります。このメモリー機能は、プリセット値の保存や連続的にパラメータを変化させるシーケンス機能などをサポートします。ユーザーは複雑な電圧・電流波形を時間にわたって定義し、実行することができます。これは、使用方法をシミュレートしたり、ストレステストを行ったりするのに有効です。

  • 保護(Protection)

    多くのプログラマブル電源には、過電圧保護(OVP)や過電流保護(OCP)といった安全機能が含まれており、予期せぬ電圧や電流スパイクによる潜在的な損傷から接続するデバイスや電源を保護します。

  • 効率(Efficiency)

    プログラマブル電源の多くは高効率に設計されていて、エネルギー消費と発熱を抑えることができます。これは、電力効率が懸念される用途では特に重要です。

  • 節約(Saving)

    プログラマブル電源は、試験や実験を自動化することで、時間と人件費を大幅に節約することができます。また、作業の手間や監視の必要性も減らすことができます。

  • 汎用(Versatility)

    プログラマブル電源は、電子機器試験や回路試作から蓄電池研究や製品開発まで、多用途に使用できます。この汎用性の高さが、さまざまな産業や研究分野での貴重なツールとなっています。

  • 記録(Recording)

    一部のプログラマブル電源装置は、データ・ロギングとリアルタイム・モニタリング機能を備えており、ユーザーは実験や試験中に性能データを取得して分析することができます。

プログラマブル電源の用途

プログラマブル電源は、実験室での作業、試験・測定(T&M)、研究開発(R&D)、製品の製造など、さまざまな分野で利用されています。これらの領域における具体的なアプリケーションをいくつか紹介します。

研究室(ラボ)

プログラマブル電源は、電子部品のテスト、回路の試作、材料科学の実験など、理工学の研究室では不可欠なツールです。また、教育現場での体験学習にも一役買っています。

研究室(ラボ)|プログラマブル電源|松定プレシジョン

試験および測定(T&M)

試験(Test)や測定(Measurement)のアプリケーションにおいて、プログラマブル電源は、電子機器の機能試験、環境試験、機器校正に使用され、正確な出力と計測、製品品質を約束します。

試験および測定(T&M)|プログラマブル電源|松定プレシジョン

研究開発(R&D)

エンジニアや研究者は、新技術のテストなど製品開発中に性能や動作を検証するため、プログラマブル電源を利用しています。例えばバッテリーの研究やセンサーの開発などでは、正確な電圧や電流の制御が必要です。

研究開発|プログラマブル電源|松定プレシジョン

製品の製造

プログラマブル電源装置は、品質管理、自動試験、生産ラインの出荷検査、生産デバッグのために製造工程で使われます。プログラマブル電源を使った検査システムが、製品が消費者に届く前に電気性能基準を満たしていることを検査します。

製品の製造|プログラマブル電源|松定プレシジョン

プログラマブル電源の仕様

ニーズに合ったプログラマブル電源装置を選択したり(入力/出力電圧範囲、電流および定格電力を除いて)、異なるプログラマブル電源装置を比較したりする際に役立つ主な仕様:

リップルノイズ

リップルノイズとは、石を投げたときの水面の波紋のように、滑らかな直流出力信号を歪ませる不要な変動やゆらぎのことです。これは、プログラマブル電源、特にスイッチング電源の全体的な精度と正確さに影響します。低いリップル・ノイズの電源は、より正確で精密なものとなり、これは通常ノイズ許容度が低い繊細な信号処理アプリケーションにとって重要です。ボルト(V)またはミリボルト(mV)(ピーク・トゥ・ピーク:p-p)で計算されます。リップルノイズの要件は、用途によって異なる場合があります。医療機器や精密機器用のプログラマブル電源が必要な場合は、電源のリップルノイズを考慮することが重要です。DCモーターや電力アプリケーションのような使用例では、影響が少ないかもしれません。

安定性

プログラマブル電源装置の安定性とは、動作条件や負荷、温度などの外的要因に大きな変動があったとしても、長期にわたって一貫した信頼性の高い出力電圧を維持する能力として定義することができます。安定性は通常、1時間当たりのPPMで計算され、これは基本的に、動作電圧が公称電圧(標準/定格電圧)から1時間当たり(標準的な動作条件下で)どの程度ドリフトする可能性があるかを示しています。つまり、100Vで動作するプログラマブル電源装置では、安定度が1時間当たり50PPMの場合、1時間に0.005Vの電圧変動しか生じません。つまり、PPMが低いほど安定性が高いということになります。
高安定性のプログラマブル電源は、長時間の動作でも変動が少なく安定した電圧を提供するかもしれませんが、それはメーカーによって定義された範囲内で動作している場合に限られます。温度、負荷条件、入力電圧/電力が大きく異なると、電圧変動が大きくなることがあります。

効率性

電源装置の効率とは、入力電力がどれだけ効率よく出力に変換されるかの比率です。高効率の電源は、電力浪費が少なく低発熱ですが、低効率の電源は入力電力の浪費が多く、発熱も大きく、部品の劣化を早める可能性があります。これは、プログラマブル電源に由来するものではなく、スイッチング電源かリニア電源かに大きく関係しています。
この問題は、プログラマブル電源を高電圧/高アンペアの条件で使用する場合に増幅される可能性がありますが、両者で電源とその性能に与える影響は異なります。高電圧では、電源トランスのコア損失が増幅され、効率が低下する可能性があります。高電流では、伝導損失がプログラマブル電源装置の効率に悪影響を及ぼす可能性があります。
低効率のプログラマブル電源装置は、より多くの電力を浪費し、より多くの熱を発生させ、適切に機能させるために大型化したり、水冷などのより包括的な冷却対策を必要とする場合があります。

電力密度

出力密度とは、単位体積または単位重量当たりに変換される電力の量を示す尺度です。基本的には、占有スペースや重量に対してどれだけの出力を生み出すかという計算です。電力密度の要件は、さまざまなユースケースによって異なります。航空用途(ドローン、人工衛星など)でプログラマブルな電源が必要な場合、必要な電力を生成しつつ、できるだけ軽量な電源が望まれるかもしれません。しかし、据え置き型の医療機器の場合、重量の許容範囲はもっと広いかもしれません。高電圧・高アンペアに対応できるプログラマブル電源は、通常、部品(トランス、インダクタ、絶縁体など)が大きく重いため、低電圧・低アンペア範囲で動作するプログラマブル電源に比べて電力密度がより懸念されます。

安全性

プログラマブル電源装置において、安全性は重要な考慮事項です。しかし、より高い電流または電圧レベルを処理(入力)または生成(出力)できるプログラマブル電源では、さらに顕著になります。適切な安全対策が施されていなければ、高電圧や高電流は低電圧の電源よりも部品や回路、人に危害が及ぶ可能性が高いからです。
そこで、3つの安全要素を調べることが重要です。:規格、機能、メーカーの推奨。規格には、ULレコグナイズド(カナダと米国向け)、欧州安全規格のCEなどがあります。より優れた絶縁性、安全なコネクター、過電流、過電圧、その他の保護機能を備えた制御システムなどが特徴として挙げられます。最後に、メーカーが推奨する安全性についてもよく理解しておく必要があります。

入力安定度(ラインレギュレーション)

入力安定度(ラインレギュレーション)とは、入力電圧が変化しても安定した出力電圧を維持する電源装置の能力です。インプットの変化に基づくアウトプットの変化率のパーセンテージとして計算されます。つまり、プログラマブル電源が出力電圧範囲(例えば0~36V)に対して0.01%のライン・レギュレーションを持つ場合、85Vacから115Vacのライン電圧変化に対して出力電圧はわずか3.6mV(0.0036V)しか変化しない可能性を示します。

負荷安定度(ロードレギュレーション)

負荷安定度(ロードレギュレーション)とは、負荷が変化したときに出力電圧がどの程度変化するかを示すものです。公称/定格電圧に対する出力電圧の変化率として計算されます。ほとんどの場合、電源のライン・レギュレーションと同じかそれ以下であることが多いのですが、ライン・レギュレーションとは異なり、±表記ではなく、単なる変化率で示されます。負荷レギュレーションは、負荷電流が時間とともに変化したり、条件が変化したりするような使用例で考慮すべき重要な許容範囲です。

多用途性

プログラマブル電源の多用途性とは、出力電圧範囲、電流範囲、周波数制御、出力モード(定電流または定電圧)、出力チャネル数、およびプログラマビリティに基づいて、どれだけ多くのユースケースをサポートできるかということです。安全性、サイズ、重量(および電力密度)、さらには通信チャンネルといった要素が、その用途に影響を与える可能性があります。プログラマブル電源は、出力パラメーターをより詳細に制御できるため、この多用途性に優れています。

適切なプログラマブル電源の選択

適切なプログラマブル電源を選択することは、様々な用途において極めて重要です。ここでは、選択する際に考慮すべき3つのポイントを紹介する:

電圧と電流の範囲

適切なプログラマブル電源を選択するには、特定のアプリケーションに必要な電圧と電流の範囲を決定します。電源装置が、試験または電源供給のニーズを満たすために必要な出力レベルを提供できることを確認してください。精度や安全性を損なうことなく、必要な最小値と最大値の両方を供給できる電源が不可欠です。しかしながら、過度に高い電圧または電流能力を持つ電源を選択しないよう注意することも重要です。

プログラム可能な機能

また、電源装置が提供するプログラム可能な機能も考慮する必要があります。これには、電圧と電流のリミットを設定し制御する機能だけでなく、ランプ動作(徐々に増加する動作)、シーケンス動作、リモート・コントロール・オプションなど、プログラム可能な追加機能も含まれます。自動化およびテスト要件に適合する電源を選択することが重要です。

出力安定性

電源装置の出力の安定性を評価します。この安定性とは、長時間にわたって、またさまざまな負荷条件下で、一定の電圧および電流レベルを維持する能力を指す。電源装置がどの程度安定性を維持できるかを理解するためには、負荷やライン規制などの仕様を調べる必要があります。正確で安定した電力出力を必要とするアプリケーションでは、優れた安定性特性を持つ電源が不可欠です。
最終的に、適切なプログラマブル電源を選択するには、その仕様と機能を特定のアプリケーションの要件に適合させる必要があります。電圧と電流の範囲、プログラマブル機能、および出力の安定性を慎重に検討することで、選択した電源装置がお客様のニーズを効果的かつ確実に満たすことができます。

松定プレシジョンのプログラマブル電源

松定プレシジョンのプログラマブル電源には直流と交流だけでなく、様々なタイプのプログラマブル電源があり、お客様の特定のニーズを満たす多様なソリューションを提供します。

DC電源

これらは、DC電源、AC-DC電源、安定化電源、プログラマブルDC電源など、さまざまな名称で知られています。松定プレシジョンのDC電源は、小型、低ノイズ、高出力にこだわり、卓越した設計を行っています。
手のひらサイズの高精度DC電源から、卓上型、ハイパワーのラックマウント/キャビネット型まで、幅広い製品ラインナップを取り揃えています。

独自の高効率スイッチング方式を採用した超小型ユニットから超低リップル直流安定化電源まで、さまざまな用途に対応します。また、エネルギー/環境、自動車/航空宇宙、半導体、バイオ/医療、エレクトロニクス、産業などの分野における通信機器や評価ニーズに合わせて、120kWに達する大電力直流安定化電源も提供しています。また、より高電圧のソリューションが必要な場合は、松定プレシジョンは高電圧直流電源も提供しています。

DC電源|プログラマブル電源|松定プレシジョン

カスタム仕様のお客様にも迅速に対応し、開発サイクルを短縮します。 松定プレシジョンの直流電源は、研究機関や工場で世界的に信頼されています。

AC電源

交流電力は、50Hzや60Hzでプラスとマイナスが交互に繰り返される交流波形を出力します。 松定プレシジョンのプログラマブルAC電源は、幅広いラインナップ、コンパクトなフォームファクタで大きな出力の多用途で高性能な交流電源です。独自のスイッチングシステムにより、コンパクトで効率的な設計となっています。AC+DC出力、三相出力に対応し、瞬時停電のシミュレーションもできます。

これらの交流電源は、モーター、ソーラー・インバーター(PVインバーター)、各種交流入力装置、生産ラインのテストや、費用対効果の高い周波数変換に使用できます。

AC電源|プログラマブル電源|松定プレシジョン

精密な直流電源が必要な場合でも、多目的な交流電源が必要な場合でも、松定プレシジョンは世界中のOEMや研究室での用途に適した高品質で信頼性の高いソリューションを提供します。

松定プレシジョン:プログラマブル電源装置で進歩を牽引

松定プレシジョンのプログラマブル電源は、正確な制御、柔軟性、自動化、およびさまざまな用途における効率と生産性を高めるさまざまな機能を提供します。その精度、柔軟性、自動化能力によって、半導体から再生可能エネルギーシステムまで、最先端技術の開発が可能になります。

松定プレシジョンが技術革新の限界に挑み続ける中、プログラマブル電源は今後も主要なパートナーであり続け、進歩の原動力となる試験、研究、製造を促進します。