パワーエレクトロニクス・ワールド

第4回 スイッチング電源を誕生させたパワーエレクトロニクスの技術史

過去の記事を整理・一部リライトして再掲載したものです。 古い技術情報や、 現在、TDKで扱っていない製品情報なども含まれています。

真空管ラジオや真空管アンプづくりが静かなブームとなっています。かつて“ラジオ少年”であった団塊世代が、定年を迎えていることも関係しているようです。20世紀半ばすぎまで、真空管はエレクトロニクスを推進した花形部品。商用交流を直流に変換する電源回路も真空管で構成されていました。20世紀に始まる電源進化は今なお続いています。

真空管から半導体素子、シリーズ電源からスイッチング電源へ

真空管はダイオードやトランジスタなどの半導体素子に置き換わりましたが、今日のパワーエレクトロニクスには真空管時代からのさまざまな技術が継承されています。ダイオードという名称も、もともと二極管(二極真空管)に由来します。
初の真空管である二極管は電球(白熱球)の実験がヒントとなって開発されました。1884年、エジソンは自ら発明した電球(白熱球)の改良を図るために、電球の中に電極を挿入して実験したところ、電極に正の電圧を加えると、空間を隔てて電極とフィラメントの間に電流が流れることに気づきました。これはエジソン効果と呼ばれます。エジソンは電球改良には役立たなかったので放置してしまいましたが、この現象に関心を示したのは、当時、エジソン電灯会社の技術顧問であったフレミング。彼は電極とフィラメントには一定方向の電流が流れることに着目し、無線通信の検波器(通信電波から信号を取り出す装置)として利用することを思いつきました。こうして1904年に発明されたのが二極真空管(ダイオード)です。ダイ(di)は“2”、オード(ode)は電気の通る“道”という意味からの命名です。
当初、検波器として用いられた二極管は、のちに整流回路にも用いられるようになりました。ラジオ放送が開始されたころの受信機は電池式でしたが、ひんぱんな電池交換が大変なので、商用交流を直流に変換する電源回路が搭載されるようになったからです(鉱石ラジオは電池なしに受信できましたがスピーカを鳴らせません)。下図に示すのは戦前・戦後まもないころの日本で使用された並三(なみさん)型や並四(なみよん)型と呼ばれた真空管ラジオの整流回路部です。重量・体積の多くが電源トランスと大容量の電解コンデンサ(平滑用コンデンサ)によって占められていました。
1950年代になると半導体素子であるダイオードやトランジスタが量産されるようになり、真空管方式の電源も“ソリッドステート”の時代に移行しはじめました。とはいえ電源の小型・軽量化はそれほど進行しませんでした。交流をまず電圧変換してから整流する従来方式では、やはり重くて大きな電源トランスや大容量の電解コンデンサを必要としたからです。また、トランジスタは真空管とちがって熱に弱いため、トランジスタの発熱対策として大きな放熱器も必要とされました
電源の小型・軽量・高効率化には、回路技術における画期的な革新が不可欠でした。おりしも当時は宇宙開発の開幕期で、宇宙機器に搭載するための新たな電源が求められました。このような背景の中から、アポロ計画を進めるNASAによって開発されたのがスイッチング電源です。

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