電源アダプタに適した入力プラグと出力プラグの選択

電源装置には入力電圧と出力電圧の両方があるため、関連する入力コネクタと出力コネクタが付いていることがよくあります。入力および出力電力転送に使用できるコネクタの広範囲を1つのドキュメントで適切にカバーすることはできません。この説明では、代わりに、AC壁プラグ (入力) とDC電源コネクタ (出力) を備えた単相AC-DC壁プラグおよびデスクトップ電源に焦点を当てます。AC壁面電源コネクタは、関連する電圧と最大電流と同様に標準化されているため、これらのコネクタに関する説明は大幅に簡素化されます。DC出力コネクタはあまり標準化されていないため、一般的に利用可能なコネクタのサブセットについてのみ説明します。

AC壁プラグとコード

AC壁プラグの選択は通常簡単で、2つの基準に帰着します。1) 電源はどの地域および/または国で使用される予定ですか。2) アプリケーションには2本の導体が必要ですか、それとも3本の導体が必要ですか。ほとんどの国では、プラグとソケットの組み合わせ、電圧、周波数が明確に定義されています。壁のプラグの電圧は標準化されているため、AC電源コネクタも同様に定格化され、標準電圧に対して十分な絶縁性を提供します。コネクタの最大電流定格も標準化されており、定格が異なると物理的に異なるコネクタ接点が使用されることが多く、プラグとソケットの組み合わせが一致しないものは使用できません。

デスクトップ アダプターの場合、AC接続はコードですが、壁コンセント アダプターにはプラグが一体化されています。AC電源コードを備えた多くの製品には、電源コードが接続される製品シャーシに標準のAC入力口があります。これらの製品を使用すると、AC電源コードを適切な壁プラグ構成のものに変更することで、さまざまなスタイルの壁コンセント (さまざまな地域または国) に接続できます。一部の壁取り付け型電源アダプターには同様の機能がありますが、AC電源コードを変更する代わりに、ACブレードを交換できるため、さまざまな地域や国に対応できます。

AC電源プラグの種類

国際電気標準会議 (IEC) は、プラグを文字指定で一般的に分類するガイドを発行しています。このガイドはプラグの種類を一般的にグループ化するのには優れていますが、考えられるすべてのニュアンスとバリエーションを考慮しているわけではありません。たとえば、北米、中米、日本で使用されているタイプAのプラグは、北米では極性がある（中性ブレードが幅広）のが一般的ですが、日本では必ずしもそうとは限りません。つまり、日本のプラグは通常、北米で使えますが、その逆は必ずしも当てはまりません。

2つの狭いスペードが付いた日本のタイプAプラグ (左) と、狭いスペードと広いスペードが付いた北米のタイプAプラグ (右)

2導体と3導体

ほとんどの国際市場では、単相交流電力は3本の導体で供給されるように標準化されていますが、すべてのアプリケーションで3本の導体すべてが使用されるわけではありません。3本の導体は、2本の電力伝送導体と3本目の保護アース (PE)、フレーム グラウンド (FG)、または安全アース導体で構成されます。電力供給は2本の電力伝送導体によって行われ、危険な電圧からの安全性を高めるために接地導体が存在します。

2導体プラグを使用する最新の電源設計は、接地導体を必要とせずに設計の安全性を確保するために十分な絶縁構造になっています。

ラインとニュートラル対ライン1とライン2

多くの単相AC電力アプリケーションでは、電力を運ぶ導体は、ラインとニュートラル、またはライン1とライン2としてラベル付けされています。ニュートラル導体の電位は、ローカル グラウンドの電位に近くなるように設計されているため、ライン電圧よりも「安全」であると見なされることがあります。先ほど述べたように、北米のタイプA電源プラグでは、中性導体には幅の広いスペードが使用され、ライン導体には幅の狭いスペードが使用されています。北米の壁ソケットの対応するスロットにより、負荷側でライン導体と中性導体を識別できるようになります。多くのAC電源プラグとソケット (北米のタイプAバージョン以外) は、ライン導体とニュートラル導体を逆にして接続できるため (前述の日本のタイプAコネクタなど)、国際市場向けのほとんどの負荷では、ラインとニュートラルのAC入力導体が区別されないことに注意してください。

ライン1とライン2の導体が使用される場合、2つの導体の電圧は接地電位に対してバランスが取れていることがよくあります。ライン1とライン2の導体を使用して電力を伝送する場合、中性導体は使用されません。

DC電源コネクタ

DCコネクタには多くの標準があり、非標準コネクタのバージョンもおそらくさらに多く存在します。ここで説明する標準コネクタは、バレル コネクタ、DINコネクタ、およびUSBコネクタです。

DC出力電源コネクタの3つのカテゴリに関連する機能の一部を以下に示します。

バレルコネクタ

バレル コネクタは、機械的な許容誤差が緩いため製造コストが安く、差し込むときに向きを指定する必要がないため、DC電源コネクタではおそらく最も一般的な設計です。

最も一般的なバレル コネクタの形式は、絶縁体で分離された同心の金属スリーブ (バレル) で構成されたプラグです。内側スリーブと外側スリーブの両方とプラグバレルの長さには、多くの標準直径が用意されています。直径と長さの一般的な組み合わせは存在しますが、設計エンジニアは、製品に使用するプラグの希望寸法を指定する必要があります。

内径2.1 mm、外径5.5 mm、バレル長9.5 mmのバレル プラグ

対応するバレル ジャックにはピンがあり、プラグの内側のスリーブに収まります。多くの場合、緩い機械的クリアランスと、プラグの外側のスリーブに接触する片持ちスプリングが付いています。バレル プラグと同様に、バレル ジャックには、中央ピンの直径、内部ケースの直径、およびプラグ挿入深さの寸法があります。

バレル ジャック

バレル プラグをジャックに挿入すると、ジャック内のスプリングがプラグの外側のスリーブを押し、ジャックの中央のピンをプラグの内側のスリーブに接触させます。プラグとジャックの寸法を選択する際には、望ましい機械的フィットが達成され、適切な電気接続が確立されることを保証する必要があります。

バレルプラグとジャックの電気接続

バレル コネクタはさまざまな機能を備えているため、多くの用途に適していますが、バレル コネクタの設計によって生じる問題もいくつかあります。ジャックの中央ピンとプラグの内側スリーブ間の機械的許容差は標準化されていません。同様に、ジャック内の片持ちバネがプラグの外側スリーブを押す力も標準化されていません。この標準化の欠如は、プラグとジャック間の挿入力と保持力を指定することが難しく、広範囲にわたって変化することを意味します。標準的なバレル コネクタには接続用の機械的な保持機構がないため、接続が誤って外れることがあります。接続を確実に保持するための解決策は、ロックバレルコネクタを使用することです。ロックバレルコネクタには、ねじロック機能またはツイストロック機能のいずれかが用意されています。

ねじ込み式およびツイストロック式バレルコネクタ

バレル コネクタの電流定格は、片持ちスプリングと外側スリーブの間、および内側ピンと内側スリーブの間の力と表面積によって決まります。軽い力と小さな表面積により、コネクタの電流定格が制限されます。

バレル コネクタは、さまざまな内径と外径の導体で利用できます。内径と外径の組み合わせに標準はありませんが、製品設計者は、既存の製品と一致するように、または他の製品とは異なるように寸法を指定することができます。最も一般的なバレル コネクタのサイズは、外スリーブ径5.5 mm、内スリーブ径2.1 mmと、外スリーブ径5.5 mm、内スリーブ径2.5 mmの2つです。

CUIの標準バレルプラグ製品: (上) 外径 (中) 内径 (下) CUI部品番号指定

慣例により、外側の導体は接地または負の電圧、内側の導体は正の電圧として扱われるようになりました。この構成の利点は、スリーブの外側のプラグが露出した導体に接触した場合、露出した導体が他の電位ではなく接地に接続されることです。この規則は必ずしも守られるわけではなく、一部の製品設計チームは、正の電位を外部導体に、負の電位を内部導体に配置することがあります。

バレルプラグ極性記号

電源コードを電源コネクタとインラインで選択することは、業界で使用される最も一般的な構成です。この構成は製造が容易で、ユーザーが嵌合時にコネクタの位置合わせを行うのがより便利になります。ただし、直角プラグ構成が好まれるアプリケーションもあります。直角プラグを選択する理由の1つは、DC電源ケーブルをプラグに差し込むときにシャーシに近づけることができるため、製品の物理的な設置面積を小さくできることです。直角プラグを選択するもう1つの理由は、バレル接続の2つの半分の間の保持を確保するためです。電源コードはコネクタに対して直角になっているため、コードに張力をかけるとバレル コネクタにトルクがかかり、コネクタを外すのが難しくなります。ケーブルの張力がプラグに伝わらないように、製品ケースのフックまたはラッチの下にコードを固定することもできます。

ストレートおよび直角バレルプラグ

DINコネクタ

DIN電源コネクタは、円形のハウジングに収められた4ピンまたはソケット接点を備えたコネクタの一種です。これらのコネクタは元々ドイツの標準化団体 (Deutsches Institut fur Normung) によって定義されたためDINコネクタという名前が付けられましたが、現在はIEC 60130-9によって定義されています。パワーDINコネクタは、バレル コネクタが必要な電流を流すことができない中程度の電力アプリケーションでよく使用されます。電源DINコネクタと信号DINコネクタは混同されることがよくあります。パワーDINコネクタの絶対的な定義はありませんが、慣例的に、パワーDINコネクタには、コネクタの中心の周りに約90度間隔で配置された4つの接点があります。ピンとコネクタの寸法はドキュメントでは見つけにくいですが、4ピンDIN電源プラグとジャックは適切に接続されると考えられます。パワーDINコネクタには、バレル コネクタと同様に、ねじロック機能付きのものもあります。

DIN電源プラグとジャック

USBコネクタ

USBコネクタはもともと、DC電源とデジタル信号を供給するために開発されました。USB電源電圧レベルとコネクタは広く受け入れられているため、電源のみのアプリケーションでも人気があります。タイプAコネクタは、おそらく現在最も人気のあるUSBコネクタであり、約2 A未満の負荷電流レベルで5 Vdcを必要とするアプリケーションで使用されています。USBタイプAコネクタのバリエーション (ミニ、マイクロなど) も同様の電力供給アプリケーションで使用されています。タイプAコネクタとそのバリエーションの制限の1つは、コネクタが適切に接続される方向が1つしかないことです。この制限により、ユーザーは視覚的な識別または挿入の試行によって、プラグとジャックの正しい向きを判断する必要があります。

USB Type-Cコネクタはよりコンパクトで、2つの明らかな方向のいずれかに挿入できます。Type-Cコネクタは、以前のバージョンのUSBコネクタよりも高い電力レベルを通過でき、最大20 Vで5 Aを供給できる定格です。製品設計者はDC電源プラグに任意のコネクタを選択できますが、多くの電子製品ではUSB入力電源ジャックを使用して5 Vdcを受信します。この一般的な慣習のため、プラグから5 Vを期待しているUSB電源ジャックを使用する多くの製品に損傷を与えないように、5 Vdc出力電圧定格の電源でのみUSBプラグを使用するのが賢明です。この推奨事項の例外は、USBタイプCコネクタが使用される場合です。この場合は、USB PDおよびPPS仕様により、電源と負荷が5 V ～ 20 Vの電圧をネゴシエートできるようになります。

USBコネクタ

まとめ

電源装置の入力電圧と出力電圧、電流の電気的特性に加えて、電源装置のコネクタも指定する必要があります。AC入力コネクタは十分に標準化されているため、対象電力レベルと国際市場に合わせて選択できる範囲が限られています。対照的に、DC出力コネクタはそれほど標準化されていないため、設計者はさらに多くの決定を下す必要があります。出力DC電源プラグは、出力電圧と電流の定格に適合する必要があり、製品の必要な機械的特性に適合している必要があります。CUIには、電源用の電源コネクタの決定についてアドバイスできる技術サポートおよび営業サポートのスタッフがいます。