電源周りのコンデンサの選び方

エフェクター自作について段々と知識が付いてくると、

電源周りのコンデンサを考えたくなります。

今回は電源部のコンデンサをどう選ぶかという話です。

電源部

電源部のコンデンサは、容量とインピーダンスが大事です。

なぜなら、電源のノイズを除去するのには、

容量が大きくインピーダンスが小さいのが一番だからです。

しかし、サイズがあまり大きいのを使うとケースが閉まりませんので、

サイズと容量のトレードオフです。

また、ここのコンデンサは、

流れる電流の変動によって電源電圧が揺れるのを抑えるのにも役立っています。

これを電源のレギュレーションが良いとか、

電源のインピーダンスが小さいとか表現したりします。

ちなみに、電源のレギュレーションを良くするとレスポンスが良くなるという話もあります。

理屈はよく分かりません。学者たちの間でもこの辺はいろいろ議論されてるみたいです。

またどこかでまとめますね。

さて話を戻します。

容量

下の画像を見てください。

簡単に言って、ここが電源部です。

原理編で電源部を扱うときに詳しくやりますので、

今は簡単に説明します。

この電源部のR9とC5はLPF(ローパスフィルター)になっています。

さて、ACアダプターで電源をとってる場合は、

完全な直流ではなく、交流が混じってます。

特にスイッチング方式のACアダプターは、

高周波のスイッチングノイズがあります。

というわけで、ガッツリしたLPFに電源を通すことで、

交流成分を電源ラインから捨てています。

スイッチングノイズは、可聴域より高いことが多いので、

そのままそれが聞こえるということはありませんが、

オペアンプの電源が揺れることで、

動作が不安定になる場合があるので、

理論上は、電源は完全な直流に近いほどいいというわけです。

聴覚上そんなに変わらなければ、そこまでこだわる必要はありません。

ちなみに、一般的なパワーサプライは、

低周波のノイズは除去していますが、高周波になればなるほど、

ノイズはあまり除去できなかったりします。

ブーンというノイズを消すのがパワーサプライの目的ですから、

そもそも可聴域外のノイズまで気にして設計されてないと思います。

もし、高周波のノイズまでしっかり除去したいのであれば、

ここのLPFはちゃんとした方がいいです。

BOSSのBD-2はここのLPFがめっちゃしっかりしてます。

その話は原理編でやりましょう。

また正直、レコーディングとかをするのであれば、

やっぱり電池が最強なので、

変にこだわらないで電池を使うのが一番です。

ちょっと話がそれましたが、

今この画像のように100uFと47Ωの抵抗ならば、33Hzあたりがカットオフ周波数になります。

いちいち計算機叩かないでも一発で計算してくれるサイトがあります。

ローパスフィルタ計算とかでググるとでてきます。

そういうサイトは容量と抵抗値をいれるだけで、

カットオフ周波数が一発で出てきます。

容量をあげると、カットオフ周波数が下がるのがわかると思います。

交流の成分は基本的に60Hz、120Hz、240Hz….とコンセントの周波数の倍の周波数と、

先ほどのスイッチングノイズです。

関東の人は50Hz、100Hz、200Hz….ですかね。

スイッチングノイズだけを気にするなら、

そこまでカットオフ周波数を下で設定する必要はありません。

とはいえ、どうせ一石二鳥なんで、

できればコンセント由来のノイズもさらに除去できれば良いということで、

50Hz以下でカットオフ周波数を設定したいです。

ここで、コンデンサの容量ではなく、抵抗値を大きくするのはどうか?

という疑問が生まれるかもしれませんが、それはやめた方がいいです。

抵抗値を上げる=電源のインピーダンスを上げるなので。

オペアンプが消費する電流がR9に流れ、電圧降下が生じます。

また、消費電流は動的に変化するので、電源電圧が揺れます。

したがって、できるだけ抵抗値は下げたいので、コンデンサの容量を大きくしましょう。

僕的には、

50Ωより小さいぐらいの抵抗と220uFのコンデンサを二つパラって440uFにして使うのが多いです。

バイアス電圧を作っている分圧回路の47uFにも同じことが言えますが、

バイアスは電源ほど揺れないので、容量はC5ほど大きくなくてもいいです。

また、分圧するのに使っている抵抗はかなり大きな値なので、LPFとしては十分です。

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インピーダンス

上の話は理想コンデンサの場合です。

理想コンデンサは、周波数が高くなるにつれてインピーダンス(交流的な合成抵抗値)が下がるので

上のような話になりますが、

実際は、寄生インダクタンスの影響で、ある周波数を境にインピーダンスが上昇し始めます。

この周波数を自己共振周波数といいます。

電源部で使うような容量の大きなコンデンサではこの周波数が低めなので、

高周波ではインピーダンスが高くなってしまって、ノイズ除去能力が落ちてしまいます。

上の画像は同じ容量のコンデンサ同士のインピーダンスの違いのグラフです。

左が220uFの電解とOS-CON、右が0.1uFのフィルムと積セラのイメージで書きました。

OS-CONのグラフがちょっと変ですね。すみません。

右のグラフは容量の小さなコンデンサのグラフですが、

容量の小さなコンデンサは自己共振周波数が高いです。

つまり高周波領域でインピーダンスが低い傾向にあります。

低周波では逆にいまいち。

というわけで広い周波数帯でインピーダンスをさげれるように、

大きな容量のコンデンサと小さな容量のコンデンサをパラるのが有効です。

抵抗の並列合成と同じ原理です。

さらに同じ容量同士でパラってインピーダンスを下げるともっと良いです。

例えば440uFがほしいときに、440uFのコンデンサを1つ使うより、

220uFのコンデンサを二つパラって440uFにした方が、インピーダンスが低くなります。

さらには、低ESRとか、低インピーダンスのコンデンサを使えばなおさら良いですね。

電解コンデンサでは、低ESRも低インピーダンスも同じ意味で使われてる気がしますが、

ESRというのは、等価直列抵抗と言って、コンデンサに含まれる抵抗成分です。

これにインダクタンスやらキャパシタンスを足して考えたグラフが、

上のインピーダンスのグラフです。

自己共振周波数では、

ちょうどコンデンサのコンデンサ成分とコイル成分が打ち消しあってる状態なので、

インピーダンスが、ESRと一致します。

なのでESRが低いコンデンサというのは、

自己共振周波数のところでインピーダンスが小さい値となるようなグラフになってます。

上のグラフのOS-CONがまさにそうです。

ちなみに、低ESRだと自己共振周波数周辺だけで主に低インピーダンスになりますので、

低ESRとかかれていても広い範囲で低インピーダンスという意味ではないことが多い気がします。

この流れで行くと、OS-CONと積セラをパラりたくなりますが、

それは一応禁忌とされています。

組み合わせによっては反共振が大きく出てしまって逆にインピーダンスが悪化するからです。

この話はまた、いずれオシロを買ったときにでも実験してまとめたいと思います。

よく反共振するとキンキンした音になると言われるそうなのですが、

まーエフェクターはオーディオ機器とは違うので、

反共振して、キンキンした音になったりしたとしてもそれはそれで良しとなる世界です。

パラるのであれば、電解コンデンサを使うほうが無難です。

まとめ

長々と書きましたが、

エフェクターなので、あんまり気にしすぎないのが一番です。

最近知り合いのミュージシャンもノイズなんて気にしてたらロックでけへんって言ってましたし。

それと今回、タンタルコンデンサについてはあまり触れませんでしたが、

タンタルコンデンサは、故障するとショートモードです。

はんだ付けミスったりなんかの衝撃で壊れてしまうと、

コンデンサのプラスとマイナスがつながるので、

電源がショートしたことになって怖いので僕は使いません。

OS-CONはオープンモードで壊れるのでここの所は安心です。

ちなみに、最近、秋月電子で220uFのコンデンサを200個まとめ買いしたので、

長い間、僕は220uFしかの電解しか使わないと思います(笑)

ではまた。

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