充電器の原理

前言

電気の生成方法は、電磁誘導というシンプルな事実から来ています。誘導コイルの中で磁束が変化すると電気が発生します。

現代ではこれが当然のことと見なされていますが、ファラデーもこの自然から来る素晴らしい原理を発見するまでに相当な時間をかけて実験を重ねました。後にテスラは電磁誘導の原理を利用して発電機の構造を発明し、現代の発電の重要な基盤となりました。

磁場の変化によって電気が生成されます。磁場を変化させるためには動力（他の方法でも可能です）が必要で、発電所は石炭、天然ガス、原子力などの方法で水を沸騰させて蒸気を生成し、その蒸気で磁石を回転させ、回転によって電気を生成します。これは人類文明を支える重要な基盤です。

私にとって、この事実は非常に不思議です。一見複雑に見える電気も、実際にはシンプルな事実—電磁誘導—に基づいています。

交流電と直流電

台湾で使用されているコンセントの電力は110V/60Hzです。この電気をそのまま電子製品に送るとすぐに壊れてしまいます。110Vの電圧はほとんどの部品を焼き切ってしまいますし、変化し続ける電位の交流電は、0と1の判断を不正確にするため、交流電を安定した電圧の直流電に変換する必要があります。

交流電の電圧は常に変化しているのに、110Vとは一体何でしょうか？この110Vは交流電の有効値を指します。交流電が抵抗上で発生するワット数が直流電の110Vと同じ時、それを有効値と呼びます。有効値を通称として使うのも自然なことです。結局、私たちが電化製品で気にするのはワット数だからです。

一般的な電子製品の動作電圧は通常3.3Vから12V（製品によって異なる）です。では、交流電をどのように直流電に変えるのでしょうか？

交流電から直流電への変換プロセスは、いくつかの段階に分かれます：

• 変圧
• 整流
• 安定化
• 降圧

変圧

従来のトランスはサイズが大きく、初期のノートパソコンの充電器やモニター用のトランスのようなものです。トランスの原理は電磁誘導を利用し、異なるコイルの巻数を通じて交流電を昇圧または降圧する効果を得ることです。トランスは通常、充電器内で最大のコンポーネントでもあるため、トランスの体積を小さくすることが軽量化充電器の鍵となります。

ファラデーの電磁誘導定理に従い、誘導電位は以下の公式で求められます：

• ここでEはコイルを通る平均電圧
• fは電流の周波数
• Nはコイルの巻数
• Aはコイル内の空間（鉄心）の断面積
• Bはコイル内の空間（鉄心）を通る磁力

この公式から見ると、巻数、面積、磁力はすべてトランスのサイズに影響を与える要因です。もしトランスの面積を小さくしたいのであれば、最も効果的な方法は周波数を上げることです。しかし、一般の交流電の入力も通常は固定されており、つまり60Hz（台湾の場合）です。では、どうすれば良いのでしょうか？

整流

降圧された電気は依然として交流電であるため、直接電子製品に送ることはできず、さらに整流する必要があります。

交流から直流への変換プロセスを整流と呼び、整流は全波整流と半波整流に分かれます。

全波整流の変換効率が良いため、一般的な整流方法はブリッジ整流器を用いて実装されます。ブリッジ整流器の主な原理は、ダイオードの一方向導通特性を利用したものです。交流電がブリッジ整流器を通過すると、もともと負の半周期が正に変換されるため、変換後の波形はこのようになります。

すでに直流電になっていますが、依然として解決すべきいくつかの問題があります：

• 電圧に非常に大きな揺れがあり、理想的な直流電圧ではありません
• 変圧後の電圧は依然として高く、おおよそ140V程度です

コンデンサを追加することで出力電圧をより滑らかにし、リップルを減少させることができます。コンデンサは充放電の特性を持ち、出力電圧がピークに達した際の下降速度を緩やかにし、出力電圧を安定させることができます。

それでも電圧はまだ高いままです。どのようにして降圧すれば良いのでしょうか？

降圧

140Vから5Vに降圧するには、トランスの助けが必要です。トランスの主な原理は電磁誘導を通じて実現されるため、先ほど苦労して変換した直流電を再び交流電に変換する必要があります。

したがって、全体のプロセスは交流 → 直流 → 交流 → 直流という形になります。これは非常に重要な目的—可能な限りトランスの面積を小さくすること—に基づいています。

ウィキペディアにトランスの変換式があります。やや複雑に見えますが、公式からわかる事実は、入力電圧の周波数が高いほど、磁力が固定されている場合、面積が小さくなるということです。

したがって、入力電圧の周波数を可能な限り高くする方法を考えれば、充電器の面積を減少させることができます。しかし、先ほど直流電が入力されると述べましたが、どうやって再び交流電に変換するのでしょうか？答えは、絶えずスイッチをオン・オフすることです。電流が変化すれば、当然電磁効果が生まれます。

MOSFETやBJTのスイッチ特性を利用することで、スイッチの周波数を毎秒100KHz、さらにはそれ以上に達成することができ、絶えずスイッチをオン・オフすれば、元々直流だった波形を交流に変換することができます。この回路にはFlyback Converterという専門用語もあります（ウィキペディア）。

Flyback Converterによって変換された後、交流電に変わります。これにより、より小さなトランスで降圧が可能になります。出力を再び直流電に戻すためには、回路内に再度ダイオードとコンデンサを追加して整流する必要があります。

前述のように、一般的なダイオードは一方向導通の特性を持っていますが、導通から非導通に切り替わる時間が長く、周波数が数千ヘルツに達すると使用不可能になることがあります。このような高速切り替えの特性に対応するため、通常はシュottキー ダイオード（Schottky Diode）という特別なダイオードを使用して整流します。

もう一つの整流方法はアクティブ整流、または同期整流と呼ばれ、トランジスタのスイッチ特性を利用して整流します。トランジスタを使用する最大の利点は、変換損失が一般のダイオードよりも少ないことですが、IC制御を通じてより多くのコンポーネントを追加する必要があるため、シュottキー ダイオードを使用するよりも複雑で、コストも高くなります。

最近流行しているGAN充電器は、窒化ガリウムの特性を利用し、一般的なトランジスタよりも高い周波数を達成できるため、トランスをさらに小型化できる技術の一つとして注目されています。

充電とPD

充電器はついに5Vを出力できるようになりました！しかし、上記の内容に加え、交流電を安定した5V回路に変換した後、出力端でも制御を行う必要があります。例えば、スマートフォンの充電ポートと通信し、急速充電を使用するかどうか、温度や短絡を監視するなどの処理を行うため、充電器内にはマイクロコントローラが搭載されてこれらのロジックを処理します。

一般に言う急速充電は、通常Power DeliveryまたはQCを指します。ここではPower Deliveryのみを紹介します。Type-Cには複数の伝送チャネルがあるため、ccピンを通じて充電に必要な情報を送信できます。たとえば、スマートフォンが急速充電をサポートしているか、どのくらいの電圧をサポートできるかなど、充電器はこれらのデータに基づいて対応する電圧を出力します。

もちろん、Power Deliveryプロトコルを完全に実装することは簡単なことではないため、通常はすでに統合されたICを使用してこれらの機能を実現します。

スマートフォン側でも、通常は保護回路や充電の最適化回路が搭載されています。例えば、リチウム電池がほぼ満充電の際には充電電流を減少させ、満充電になった際には充電を続けないようにします。

まとめ

今日の記事は、電気について非常に概括的な紹介をしたもので、現代の電力がいかにして交流電を電子製品に供給するための直流電に変換されるかに重点を置いています。

• ブリッジ整流器を用いて交流電を整流する
• コンデンサ（またはpi型整流）を使用して有効電圧を高め、リップルを減少させる
• トランスを使用して降圧（Flyback Converter）
• 同期整流またはシュottキー ダイオードを使用して再度交流を直流に変換する

ソフトウェアエンジニアとして、私は間接的に電気に依存して生活していますが、この自然からの贈り物について全く無知であることに気づきました。

交流電を安定した直流電に変換し、製品の視点から、面積を小さくし、損失を減少させ、安全性を高めることは、基礎科学の積み重ねに基づいています。これこそがEngineeringの本質なのでしょう。