電源回路リップル除去　～平滑コンデンサ容量計算法〜

はじめに

アンプに限らず、直流電圧を扱う電化製品は、「交流→直流」という変換を行っている。
家庭のコンセントの穴には交流が来ているからだ。

「交流→直流」を通じて、完全な直流を得るのはなかなか難しい。
どうしても、この変換によりデコボコが生じてしまうのだ。

アンプの電源として、このデコボコをできる限り小さくすることで、アンプに綺麗な電圧を供給できる、つまり、高音質を期待できることになる。

電源平滑コンデンサの容量決定方法

交流を直流にするために、まず「整流」を行う。
半波整流回路、全波整流回路、ブリッジ整流回路など、さまざまな整流回路があるが、「整流」された後の電圧は以下の点線の山ような波形が出てくる。

（ブリッジ整流後の波形、スイッチングACアダプターなどはほとんどこんな感じ）

「整流」しただけでは、このように山が連なっただけのデコボコだ。
このままでは直流と呼ぶには程遠い。

このデコボコを解消するために「平滑」を行う。
「平滑」することで、実線のような、デコボコに比べればマシな波形にできる。
平滑回路にも、コンデンサ入力型、チョーク入力型、π型などさまざまなものがあるが、一般に簡単でよく使われる以下の図のようなコンデンサ入力型について説明する。

この回路で、Cが電源平滑コンデンサ、R_Lがスピーカーなどの負荷インピーダンスだ。
Cに電荷が貯まることにより、負荷の電圧E_iは図の実線のような波形になるのだ。

この原理について説明する。
入力電圧E_Dが山が連なったような形の波である。
このE_Dの上昇によりCに電荷が貯まっているのがt1〜t2の期間だ。
コンデンサに電荷が貯まる速度は一般に速く、ほぼ入力電圧E_Dに追随する。
これに対し、右肩下がりに直線的に下がっているところが、コンデンサが放電している期間だ。
放電時間は、コンデンサ容量と負荷抵抗の積（C・R_L）で表される時定数により決定される。
コンデンサ容量Cが大きいと時定数が大きくなる、つまり放電するのに時間がかかるため、入力電圧E_Dの変化に追随しなくなる。
その結果、入力電圧E_Dの波形に比べなめらかになった図の実線のような波形になる。

ここで、リップル含有率を導入する。因みにリップル（ripple）とはさざなみという意味だ。
リップル含有率とは、直流電圧の大きさに対する、電圧の揺れを表したもの。
リップル含有率をγと表すとすると、

と定義されている。
ここで、
V：直流電圧の大きさ（平均）
V_a：電圧の揺れ（デコボコの大きさ）
である。