アリスの電源マニアックス
§１．リニア電源に必要な要素（おおまかな説明と基礎知識）①リニア電源って？
ここでいう「電源」とは、例えば５Ｖや９Ｖといった一定の電圧の直流電流を出力する装置のことです。より正確には定電圧安定化直流電源などと言います。そして、この電圧の「安定化」を司る部分を定電圧レギュレーターと言います。単にレギュレーターと言えば、電気・電子回路ではこの定電圧レギュレーターのことを意味します。レギュレーターの仕組みにはいくつかあって、その内のひとつがリニアレギュレーターと呼ばれるもので、リニアレギュレーターを使った電源を「リニア電源」と呼びます。
レギュレーターの仕組みは大別してふたつに分けることができます。リニアレギュレーターとスイッチングレギュレーターです。
スイッチングレギュレーターは近年目覚ましく発展した電源方式で、軽量小型で大出力、高効率などの特徴があります。非常に高度な技術で作られていますが、大量生産により安価な供給が実現しており、電源アダプターをはじめ、現在目にするほとんどの電源機器はスイッチング電源だと言える程に普及しています。
リニアレギュレーターは古くからある電源方式で、シリーズレギュレーター（ドロッパレギュレーター）とシャントレギュレーターの二種類があります。シャントレギュレーターは用途が特殊なので、一般的にはリニアレギュレーターと言えばシリーズレギュレーターのことを指します。リニアレギュレーターは回路構成がシンプルなため小出力の小型電源などでは今でもよく使われていますが、数Ｗ以上の出力の電源になると、大きく、重く、高価で低能率という状況から、既に電源システムとしては主流ではありません。
リニア電源はスイッチング電源に主流の座を譲って久しいものの、存在価値が無くなったわけではありません。それはリニア電源がスイッチング電源と比べて以下のような特徴を持っているためです。
・出力電圧の連続性に優れる（リニアの名の由来）
・高速動作が可能
・ローノイズ性能に優れる
・オーディオ用途に適性がある
・音質のチューニングが容易に可能
・構造や動作が解り易く自作に向いているこのような特徴があるため、音響システムの電源を個人レベルでリニア電源に変更・改造することはとても効果的であることがあります。例えば、スイッチング電源で稼働しているアンプやDACなどの音響機材、光学ドライブやHDDやSSDなどのストレージ、そしてPCやHUBなどの情報通信機器です。（ＰＣのリニア化はハードル高いですが） これらの音響システムを構成する機材の電源を既存のスイッチング電源からリニア電源に変更することで、オーディオシステムの音のクオリティーが向上する可能性が実はかなりあるのです。デジタル機器やＰＣに電源の質の影響などあるのか？というのはもっともな疑問です。明確な証拠が提出されるまでは議論を待たなくてはなりませんが、有志による数多くの実験によると、デジタル機器を使用したオーディオシステムに於いては電源の質が音質へ与える影響が見過ごせないほど大きいことがわかっています。ＰＣやストレージといった一見音響機器とは無縁に見える機器類も例外ではありませんでした。無論、リニア電源ならば何でも良いということではなく、人にとって心地良い音を得るには充分なチューニングを必要としますが、むしろ、往年のアナログ機器以上に電源の質の影響が大きいと感じている実験者も多くいます。原因・理由については諸説入り乱れており整理されていないためここでは触れませんが、今後、更に有益なノウハウが産み出されることに大きな期待を持って取り組んでいます。
繰り返しになりますが、リニア電源は仕様や目的にあわせて特性を微妙にチューニングすることが可能であり、そのさじ加減は音質の探究手段として大変有効なものに成り得ます。これは実際にリニア電源の自作にチャレンジすれば、かなりの人が実感するところであろうと思います。
古く廃れたかのように見えるリニア電源が再び世の脚光を浴びる日も来るかもしれませんね。
②リニア電源の構成要素
リニア電源システムの全体像はおおまかに次のようになっています。それぞれの構成要素について観ていきましょう。
イ．商用交流 ＡＣ１００Ｖ
普段目にしている電柱の上部には太い３本の送電ケーブルがあると思います。ここには対地電圧６６００Ｖで５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの三相交流が配電されています。三相交流とは位相が相互に120度ずれた３つの正弦波で構成された電力伝送の方法です。この三相交流を最寄りの柱上トランスで単相三線式１００Ｖ/２００Ｖか単相二線式１００Ｖに変換して各戸に配電が行われています。（柱上トランスは大抵は複数の需要家で共用されています。）そして電力量計やブレーカーなどを経て屋内配線を通じて壁の差し込みコンセントに繋がっています。コンセント電極部分の公称電圧はＡＣ１００Ｖということになっていますが、電力使用時における各配線部分での電圧降下を考慮してＡＣ１００～１０４Ｖと少し高めになっていることも多いです。ロ．スイッチ、遮断機
スイッチ（遮断機）は導体の接点を開閉することで電流の導通と遮断を制御します。大電流用のナイフスイッチや小信号用のタクトスイッチなど実に多種多様なものが存在しています。一般に機材用の電源スイッチとして使われるものは数Ａの電流容量のトグルスイッチ、パドルスイッチ、シーソースイッチ、押しボタンスイッチ、ロッカースイッチなどなどでしょうか。種類も多いし、メーカーによって名称も微妙に異なっていたりして厳密なことは良く解りません。
が、厳密に決まっていることもあります。定格電圧と定格電流、そして接点構成の種類です。定格電圧はＡＣ１２５ＶやＡＣ２５０Ｖ、定格電流は６Ａや１０Ａなどと記載されています。もちろんこれを超えないように使わねばなりません。接点構成は極数と投数で表示します。極数のことをポール（Ｐ：Pole）と呼び、投数のことをスロウ（Ｔ：Throw）と呼びます。単極単投スイッチなら１Ｐ１ＴもしくはＳＰＳＴ（Single Pole Single Throw）と表記し、双極双投スイッチなら２Ｐ２ＴもしくはＤＰＤＴ（Double Pole Double Throw）と表記します。
スイッチは大事です。スイッチの接点の素材や、耐久性、経年変化、そしてデザインや操作フィーリングなど、考慮することは山ほどあります。なかなか気に入ったスイッチが見つからないという経験、皆さんにもありませんか？ところで、スイッチも壊れることがあります。スイッチはそれなりに丈夫にできているのですが、経年変化で徐々に接点が劣化しますし、トグルスイッチのレバーが折れたり、オルタネートスイッチがオルタネートしなくなったりします。そんななかでも、最も危険度が大きく警戒しなければならないのは接点の溶着です。大容量のコンデンサーの突入電流やチャタリングに伴うアーク放電などで、スイッチの接点が極めて高温になり瞬時に融解してくっついてしまうことや、潤滑剤の焼き付きによる接点固着が起こることがあります。これらを溶着といいます。溶着で注意が必要なのは、内部接点が溶着していてもスイッチ自体は操作が可能なものが多いということです。その場合、スイッチ操作では電源を遮断できなくなっていることに気が付かない可能性があります。電源を遮断したつもりでメンテナンスを始めて重大な感電事故を起こしてしまうかもしれません。スイッチの溶着はめったに起こることではありませんが覚えておいたほうが良いトラブルです。スパークキラーを使えばスイッチに発生するアーク放電を緩和できるので、接点の溶着防止と寿命延伸に効果的です。
ハ．ラインノイズフィルター、サージアブソーバー、ヒューズ、ブレーカー
自作を趣味にするような人には、あまり重視はされていないようですが、あったほうが良い場合もあります。ヒューズやブレーカーの役割は解り易いですね。機器の故障に伴う過電流を遮断するためのものです。自作機にはヒューズのほうが出番が多いでしょう。ヒューズはある意味で必要悪とも思える存在なので排除したくなりますが、ヒューズなしでも安全を確保できる構造になっている場合を除いて、きちんと適合したヒューズを使ったほうが良いです。ヒューズには定格電流値の他に瞬断タイプ（ファストブロウ）や遅延タイプ（スローブロウ）といった溶断タイプによる種類があります。余談ですが、海外製のパワーアンプには異常発振時にその異常電流で電源回路のメインヒューズを溶断させることで非常停止させるタイプのものがあります。異常発振を感知して停止させる緊急停止回路などのメカニズムは搭載していないわけですね。ヒューズが溶断するまでは大振幅の発振電流がスピーカーに出力され続けることになるので、控えめに言ってやや乱暴な方法だと思います。このようなアンプではヒューズを定格値以上のものに交換したり、音が良いからと直結などの省略をすることは非常に危険なことがわかると思います。
サージアブソーバーはつけなくても構いませんがあったら安心です。目的は雷サージから機器を保護することです。サージとは瞬間的なインパルス状のエネルギーを意味しています。雷雲が上空に接近すると、例えば雷雲がプラスに帯電しているとそれに引き寄せられるように地上の辺り一面はマイナスに帯電します。雷雲と地上との電位差が絶縁限界を超えると稲妻が発生して膨大な電流が天地間を流れます。そして雷雲と地上の電位差は小さくなり稲妻は消失します。このとき雷雲の急激な電位変動により、それまで雷雲に引き寄せられる形で集まっていた辺り一面のマイナス電位は引き寄せ手を失ったことにより、電位平衡を求めて津波のように急激に押し広がります。このときに発生するのが雷サージです。これが機器内部を流れて誤作動や故障の原因になることがあります。サージアブソーバーはそれを防いでくれます。
ラインノイズフィルターの主な目的は電源ラインの高周波ノイズを遮断、もしくは大幅に低減させることです。対象となるのはスイッチング電源やインバーターのスイッチングノイズ、サイリスターやトライアックの発するパルス状のノイズです。これらの高周波ノイズを遮断するように工夫されたものがラインノイズフィルターです。ラインノイズフィルターは主にノイズ発生源からノイズが電源ラインを伝って外に出て行かないようにするために使います。ノイズ源となる機器にはノイズを外部に出さないようにする責任があるんですね。もちろん、ラインノイズフィルターには外から入り込もうとしてくるノイズを遮断する効果もあります。精密機器類ではそのノイズの侵入を防ぐという能力が有益であることもあります。
ところで、いろいろと研究してみた結果、ラインノイズフィルターを上手にセッティングすることでノイズを低減させるだけでなく、機器同士の干渉を減らしたり、オーディオシステムの音質向上に有効に活用できることがわかりました。その成果はＡＬ－ＳＤＦとしてキット化しています。ラインノイズフィルターは無くてもいいものですが、あったほうが良いことも多いというのが今のところの結論です。二．電源トランス（変圧器）
商用電源のＡＣ１００Ｖを都合の良い交流電圧に変圧します。トランスは一次巻線で電力を磁界のエネルギーに変換し、二次巻線で磁界のエネルギーを再び電力に変換しています。このときに巻線の状態に応じて発生する変圧という現象を利用しています。コイルと鉄芯でできているので大きく重く、おまけに高価なことも多い部品です。トランスは振る舞いが複雑な部品なので別に項目を設けて述べたいと思います。ここでは概要にとどめます。トランスを使う目的は以下のようなものです。このうち電源トランス（パワートランス）では変圧と絶縁が大きな役割です。
◎ 変圧（交流電圧を任意に変換する）
◎ 絶縁（電位差を確保する）
○ 直流遮断（直流を伝達しない）
○ 平衡不平衡変換（バランス アンバランス変換とも呼ばれる）
○ 同相除去（差動信号のみを伝達し同相信号は伝達しない）
○インピーダンス変換（入出力間のインピーダンス整合を行う）変圧とは交流電圧を任意に変換することです。周波数は変わりません。電源トランスの変換効率はおおむね９０％前後で１０％程度は熱に変わります。なぜ変圧をするのか？というとそれは無駄と危険を減らすためです。例えば、差し込みコンセントから得たＡＣ１００Ｖを直接整流して直流を得ることは可能です。やり方にもよりますが、その場合の直流電圧は１４０Ｖを超えます。これをレギュレーターなどで安定化してＤＣ１５Ｖ１Ａを取り出したとすると、実に１２５Ｖ、およそ９０％もの無駄が生じます。レギュレーターの発熱は１２５Ｗにも上り、もはや小型の暖房として使える程でしょう。電源回路に使われるダイオードやコンデンサーも高価な大型の高耐圧品が必要になります。
これではあまりにも無駄が多いですし、電圧が高く発熱量も多いと危険が増えます。部品の劣化も早まるでしょう。やはり電源トランスを使うことにしましょう。電源トランスを使ってＡＣ１３Ｖを得て、それを整流平滑したのちレギュレーターで安定化しＤＣ１５Ｖ１Ａを得たとします。もちろん安価、小型、高性能な低電圧パーツを使用しています。このときトランスとレギュレーターをあわせた総発熱量は４．８Ｗ程度で、無駄としては２５％弱です。つまり電源システム全体で７５％以上の効率があるわけです。高効率とされるスイッチング電源でも汎用品の効率は７５％前後、高効率品でも８０～８５％程度ですからそれほど見劣りするわけではありません。適切な電源トランスを選定すると効率が良く最小限のコストで安全性の高い電源システムを構築できるのです。それでは絶縁とは何でしょう？絶縁とは電気抵抗が極めて大きなもので遮蔽・遮断を行い電流が流れないようにすることです。電気に詳しくない人は勘違いするかもしれませんが電圧を直接遮断しているわけではありません。壁コンセントに差し込んでいる電気コードを手にアイフォンの充電器を探しているとき、皆さんの体は対地電圧でピーク１５０Ｖ近い電圧のさなかに居ます。体に電気が流れないのは１５０Ｖの電圧のほとんどを電気コードの絶縁体と乾燥した木の床が受け止めてくれているからです。電流が流れようとしたときには電気抵抗の高いものほど大きな電圧を受け止める性質があります。これを利用して絶縁体に電圧のほとんどを受け止めさせ、最終的に危険な部位への電流の流れを遮断することが実生活上における電気絶縁です。
電子回路内でトランスが役目とする絶縁は少し事情が異なります。トランスの一次巻線と二次巻線は電気導体で結合されていません。つまり巻線間は絶縁されています。巻線間が絶縁されているということは（絶縁耐圧の範囲内で）巻線間の電位差を自由に決められるということです。例えば二次巻線がふたつある場合はそれぞれ独立して使うことも出来ますし、並列にしたり直列にしたりして使うことも出来ます。また、一次巻線と二次巻線が絶縁されているので、電源ラインを通してつながっている他の電気機器との電位差も任意に設定できます。電気的に大変自由が利くわけです。電位差があることを許されながらも電力伝送が出来る。これがトランスの持つ絶縁の実用的な意味です。トランスは原始的な部品ですが、この能力にとってかわるものはまだありません。入出力絶縁タイプのスイッチング電源の中にも小型のスイッチングトランスが使われています。ところで、スイッチング電源の多くはコンセントからのＡＣ１００Ｖをダイレクトに整流平滑してインバーターを駆動しています。先の例で取り上げましたが、ＡＣ１００Ｖの直接変換は一見乱暴な方法に思われるかもしれませんが、実はそんなわけで身近にあふれています。おっと、これは余計な話でした。ホ．整流ダイオード（整流器）
ダイオードは機械部品でいうと逆止弁やチェックバルブと呼ばれる部品に相当します。こちらから向こうには流れるけど逆には流れない。一方通行なわけですね。ダイオードには電極が２極あってＡ：アノード、Ｃ：カソード（ドイツではＫと表記する場合も）といいます。電流はアノードからカソードへと流れます。この性質を利用して交流を整流します。整流は直流を得るための下ごしらえのようなものです。整流したての電流はガタガタに脈動しています。整流方式には半波整流と両波整流（全波整流）があり、両波整流にはセンタータップ式とブリッジ式があります。
ダイオードには目的に応じた様々な種類の製品があります。整流ダイオードには充分な耐圧と電流容量のものを使う必要があります。リニア電源をオーディオシステムに使う場合には、整流ダイオードの音への影響は意外に大きいので選定には気を遣いたいところです。整流ダイオードにはシリコンダイオード、ショットキーバリアダイオード、炭化シリコンダイオードなどがあります。シリコンダイオードが最も普及しており、ＦＲＤ（ファーストリカバリーダイオード）という高速型の品種もあります。ヘ．平滑コンデンサー、フィルターコンデンサー、平滑器
整流したての脈流をある程度ならして滑らかにすることを平滑といいます。大容量の電解コンデンサーなどが活躍します。電解コンデンサーは大容量かつ内部電極に自己修復性があるので平滑器に適しています。平滑コンデンサーには大きなリプル電流が流れるので高リプル品か低ＥＳＲ品が向いています。コンデンサーの選定を間違えるとリプル電流で発熱して寿命が短くなることがあるので注意が必要です。
平滑コンデンサーには脈流を平滑するという役割の他に、後述のリニアレギュレーターへ電力を供給するという極めて重要な役割があります。ト．リニアレギュレーター、定電圧回路
リニアレギュレーターはリニア電源にとって決定的に重要な心臓部です。整流平滑後の非安定直流と呼ばれる電圧の揺らぎの大きな電流から、一定の電圧に整えられた直流を作り出す回路装置です。リニアレギュレーターは入出力間の電圧降下量を途切れることなく連続制御することで出力電圧を一定値に安定化させる仕組みになっています。入力の電圧がふらふらと定まらなくても、それと同調して厳密に電圧降下量を制御すれば出力電圧はびしっと一定値に安定するわけです。そのときの電圧降下分は不要な電力として熱に変換され捨てられます。原始的かつ無駄の多い方法とも言えますが、非常に高速かつローノイズで動作可能というオーディオ的に実に貴重な得難い特徴があります。また、設計を工夫すれば無駄はかなり省くことができます。出力のセンシング方法や出力電圧の制御方法のバリエーションが多く、それらを組み合わせた定電圧回路には無数の種類・手法があります。その数は音響回路などとは比較にならない桁違いのものです。まさに設計者の数だけ電源回路が存在するといっても過言ではないでしょう。
リニアレギュレーターは接続するオーディオシステムの音質に非常に大きな影響があるので、我が「宇宙雑貨工房 横濱アリス」では高度なチューニングを可能とするためにローノイズなディスクリート素子を使用した複数種のオリジナルリニアレギュレーターをキット化しています。現行品の LED.Reｇ3 , LED.Reg2 , opeReg , miniReg2 とディスコン品の LED.Reg , miniReg です。汎用品のレギュレーターＩＣと比べて仕上げるのに手間暇はかかりますが、これらの「アリスのＲｅｇシリーズ」には音質を追求したハイクオリティーなチューンニング施すことができます。チ．出力コンデンサー、デカップリングコンデンサー
出力コンデンサーはリニアレギュレーターの出力に取り付けられ、リニアレギュレーターと協調して負荷への電力供給を担います。フィルムコンデンサー、タンタルコンデンサー、電解コンデンサー、高分子コンデンサー、セラミックコンデンサーなど適材適所はあるものの、ほぼ何でも使えます。しかし、レギュレーターの動作を助けることもあれば邪魔することもあるので、ここのコンデンサーをどうするのかというのは実は重大な問題です。平滑コンデンサーとは役割が全く違うということを覚えておいてください。また、平滑コンデンサーほど大きな容量は必要ありません。
