「AC電力コントローラの電子工作」のご紹介｜「電子工作/修理/メンテナンス」

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今回は、「AC電力コントローラの電子工作」をご紹介します。

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簡単に製作できて便利な道具ということで、コペンが使っていて便利だなと思う「AC電力コントローラ」を製作しましょう。

用途としては、はんだこての温度制御、電気ドリルやジグソーの回転数調整、写真撮影時の照明調整などです。簡単にできますが結構役に立ちます。

このコントローラは商用電源のAC100Vの正弦波をサイクルごとに途中でオンにして、正弦波の一部だけを使うようにし、しかもオンにする位置を可変にすることで、平均電力を連続的に可変できるようにするものです。

AC電力コントローラの原理は、下図（AC電力の制御）のような正弦波を、図(b)や図(c)のような波形にして使います。つまり正弦波の一部を切り取った形にしています。こうすると、残った波形の斜線部の面積が有効電力になりますから、図(b)の方が図(c)より面積が多いので有効電力が多いことになります。

この切り取りの位置を連続的に変えることができれば、有効電力を連続的に可変にすることが可能になるわけです。

ではどうやってこれを実現するのでしょうか。これには双方向サイリスタ(別名トライアック)を使います。トライアックの動作を下図で説明します。

トライアックの端子T1とT2間はどちらの方向にでも電流を流せます。しかもその電流をサイリスタと同じようにゲート電圧で制御できます。つまり、いったんゲートに数V以上の電圧が瞬時でも加わると、端子T1、T2間がどちらの方向でもオンとなり導通します。その後ゲート電圧が0Vになっても導通状態を継続します。

そしてT1T2端子間電圧が0Vになりゲート電圧も0Vになるとやっとオフになります。

このままの回路ではゲート電圧が正となる半サイクルだけしか制御できないことになりますが、回路に工夫を加え、もともとの正弦波の電圧を活用します。つまり、下図（AC電力の制御）のような回路とします。

ここではトリガダイオードと呼ばれる素子を利用しています。トリガダイオードは、端子間の電圧がある一定値(大体24V程度)を超えると導通状態となりバルス電流が流れます。しかも電流の向きに関わらず、どちら方向でも同じように動作します。

コンデンサC1に交流電圧が加わり充電されていきT1(またはT2)に対して一定電圧以上高い電圧になると、トリガダイオードを経由してトライアックのゲートにパルス電流が流れ、トライアックのT1、T2間がオンとなります。

トライアックもトリガダイオードも電圧の向きに関わらずどちら側にも電流を流しますので、この動作は交流の正負で同じように動作します。そして正弦波が0Vをクロスするとき、いったんトライアックがオフとなります。そして再びコンデンサの充電が開始されることで同じ動作が半サイクルごとに繰り返されます。

ここでトリガダイオードがパルスを出すタイミングはコンデンサへの充電の早さ、つまり抵抗R1とコンデンサC1の時定数で決まります。したがって、このとき定数を可変にすればオンにするタイミングが制御できることになります。時定数を可変にするには、抵抗を可変抵抗にすることで実現できます。

さて下図（AC電力の制御）の回路で原理的な動作は可能ですが、実用的には困ることがあります。それは、コンデンサの充放電のヒステリシスによる影響です。つまり可変抵抗を手で変化させると、抵抗を変化させていってすぐ反対方向に変化させると、波形変化の方はすぐには応答できず、抵抗変化よりも遅れて追従します。

これだと希望の位置に静止させることが難しくなってしまいます。これを避けるため、ダイオードのブリッジ回路を使ってコンデンサへの電圧が逆電圧になったときには、ダイオード経由で素早く放電するようにします。これで追従がすぐできるようになります。

もう一つ困ることがあります。それはトライアックがオンするときのパルス性ノイズの影響です。大電力を瞬時にオンするので、高電圧のパルス性ノイズを発生します。

これが周りのラジオなどに悪影響を与えます。そこでこのノイズを少しでも減らすためトライアックにスパークキラー(バリスタ)を追加してノイズ対策を行います。このようにして最終的な回路は下図（全体回路図）のようになります。

AC電力コントローラの組み立てに必要なパーツは、下表（組み立てに必要な部品一覧）のようになります。特別な部品はないので問題なく集められると思います。ケースは好みで適当なものにしてかまいません。

「組み立てに必要な部品一覧」をご紹介します。

まず、（全体回路図）の点線の枠内の部分をプリント基板として作成し、これに必要な部品を実装します。プリント基板のパターン図は下図（基板パターン図）となります。

AC100Vという高電圧が通りますから、パターンは幅広で隣接パターンの間隔も広くしておきます。トライアックの固定用の穴は後から空けます。

基板の組み立てが完了した状態が上図（基板パターン図）となります。トライアックには小さな放熱器を熱伝導シートを挟んで取り付けます、ねじで熱が伝わる基板のパターンとこの放熱器で十分放熱できます。

基板をアルミケースに実装します。可変抵抗やACコンセントも一緒にケース内部に固定します。内部の実装状態が下図（ケース実装状態）となります。ACソケットは四角の穴をケース側面にあけ、コンセントの前面部がぴったり納まるようにします。

さらにコンセントにはバリスタを端子間にはんだづけします。ネオンランプはAC100Vを直接接続できますので、スイッチオンで点灯するように接続します。ケース内のスペースは十分ありますので、ゆったり実装できると思います。

AC100Vという高電圧ですから、配線には十分注意して間違えないようにしてください。

配線に間違いがなければ特に調整する部分もないので、問題なく動作するはずです。テストは、まず、ACコードを商用電源のコンセントに接続してからスイッチをオンにすればネオンランプが点灯します。

本体のACコンセントに電動ドリルなどを接続して、可変抵抗をまわせば回転速度が変わるはずです。これで回転速度が変化しなければ、配線が間違っていますので、再度チェックします。

もし可変抵抗の回転方向と速度の変化が反対方向のときは、可変抵抗と基板の2本の配線を逆にすれば正常になります。

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