電源のノイズを観測する (2) リプル・フィルタを入れると
■アナログ電源もノイズまみれ
電源には、アナログとディジタルがあります。ディジタルは、スイッチング電源とかDC-DCコンバータと呼ばれる電源の総称です。スイッチング電源はノイズが多いといわれますが、アナログ電源では実現できない小型で大電流を流せるので、現在主流です。
電子工作では1A程度の電流を扱うので、アナログ電源でも比較的簡単に作れます。
前回、実験用電源（アナログ）でもノイズがあることを確認しました。ここでは、そのノイズを再確認し、低減する方法を探ります。
●ノイズ・フロア
測定環境を、前回と同じ状態にします。スペクトラム・アナライザTR4171を用い、50Ωの入力に何もつながない状態で、100Hz～100kHzの帯域を見ます。入力がないので、この装置の表示できる最小入力レベルを知ることができます。
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50Ω入力、HIGH SENSITIVITYをONして内蔵プリアンプを使う。入力アッテネータを0dBに。 画面最上部のレファレンス・レベルREFを-50dBmに、一つのマス目は10dB/div。 RBW（分解能帯域幅）300Hz、VBW （ビデオ・バンド幅）を10Hz。 マーカのMKRをON、Noise/HzをON。1Hzの雑音電力バンド幅で正規化された値が表示される。 |
画面のマーカから、-164.7dBm/Hzという値がノイズ・フロアになります。ここより小さい信号はノイズに埋もれて観測できません。測定範囲を100Hz～1MHzと100Hz～10MHzに拡大します。
●測定回路
電子工作で使う回路の電源電圧は低くく、TR4171のDC入力耐圧は±100Vなので、直接つないで観測できますが、入力部は壊れやすいので、DCをコンデンサでカットし、50Ωの負荷抵抗をつなぎました。
電源をつながないときの様子です。配線のケーブルが空中から降り注ぐコモン・モード・ノイズを受信しています。
◆100Hz～100kHz
◆100Hz～1MHz
◆100Hz～10MHz
●実験用電源 Model PAB 32-2
◆100Hz～100kHz
12kHz付近までノイズが特に多いようです。100kHzまでの間は20dBmほど悪化しています。
◆100Hz～1MHz
1MHzまでの間は10dBmほど悪化しています。
◆100Hz～10MHz
高い周波数は、電源からのリード線にたくさんノイズが載っているようです。
●簡単な回路だけど効果絶大リプル・フィルタ
抵抗の定数は適切でないかもしれませんが、リプル・フィルタを実験用電源のつないでノイズを観測しました。入力電圧は5.5V、出力は3.5V、電流は約100mA流れています。リプル・フィルタは、AC100Vを整流した際に残っている50/60Hzや100/120Hzのリプル成分を除去する目的で使われます。
6800uFは一般的な電解コンデンサ、220uFと1000uFはESRの低い導電性高分子アルミ固体電解コンデンサです。
◆100Hz～100kHz
12kHz付近まであった実験用電源のノイズが消えました。100kHzまでのノイズ・フロアも一部10dB程度悪化した領域がありますが全体に低めです。
◆100Hz～1MHz
1MHzまでの間は実験用電源に比べて約10dBmノイズが減少しています。
◆100Hz～10MHz
1.3MHz以上では、リプル・フィルタの効果はないようです。
C2にパラレルに0.1uFのセラミック・コンデンサを入れました。何も効果はないようです。
●フェライト・ビーズの効果を観測1 アモビーズ
リプル・フィルタの入力に、アモビーズAB3x2x4.5Wを入れました。ビーズに通しただけなので1ターンです。
◆100Hz～100kHz
入れる前と変わりません。
◆100Hz～1MHz
飛び出している外来ノイズのレベルが少し下がっています。
◆100Hz～10MHz
効果は見られません。
リプル・フィルタの入力のグラウンド側にも、アモビーズAB3x2x4.5Wを入れました。ビーズは合計2個です。
◆100Hz～100kHz
ケーブルに飛び込むノイズは少なくなりましたが、ノイズ・フロワが悪化しています。
◆100Hz～1MHz
ノイズ・フロワが悪化した以外に特徴はないようです。
◆100Hz～10MHz
特に変化はないようです。
リプル・フィルタの出力に、同じくアモビーズAB3x2x4.5Wを入れました。ビーズは1個です。
◆100Hz～100kHz
アモビーズを入れないときとほぼ同じです。
◆100Hz～1MHz
アモビーズを入れた効果はないようです。
◆100Hz～10MHz
効果はないようです。
●フェライト・ビーズの効果を観測2 ファインメット・ビーズ
リプル・フィルタの出力に、ファインメット・ビーズFT-3AM B4ARを入れました。ビーズに通しただけなので1ターンです。
◆100Hz～100kHz
効果はないようです。
◆100Hz～1MHz
効果はないようです。
◆100Hz～10MHz
効果はないようです。
●村田製作所のコモン・モード・チョーク・フィルタ
BNX002-01は、データシートによれば500kHzにおいて-40dBの減衰が得られます。
◆100Hz～100kHz
◆100Hz～1MHz
効果はないようです。
◆100Hz～10MHz
数dBm全体に減衰できているように見えますが、配線が増えたため、ピークのノイズは増えているようです。
コラム リプル・フィルタの出力インピーダンス
200mΩでした。
