トランスレス電源に関する衝撃的な真実

ここハッカデイでは、トランスレス電源が多く登場しており、特にトランスのコストが BOM に大幅に追加する安価な製品で顕著です。しかし、トランスレス電源は諸刃の剣です。そのタイトル？クリックベイトではありません。トランスレス電源のデバイスをいじると、オシロスコープが煙の山になったり、理解せずに適切な安全対策を講じないと感電死する可能性があります。

しかし、これは怖い作品ではありません。トランスレス設計は、適切な場所に配置されると優れています。LED 電球から IoT WiFi スイッチに至るまで、あらゆるものに採用されているため、いつかは遭遇することになるでしょう。いつハッキングしたくなるかわからないので、それらがどのように機能するか、そしてそれらを安全に設計して作業する方法について見ていきます。

結論は次のとおりです。トランスレス電源は、デバイス全体を密閉でき、誰も誤ってそのどの部分にも接触できない状況でのみ安全に使用できます。これは、物理的な電気接続が入出力に存在しないことを意味します。RF と IR は公平な勝負です。そして、これを扱うときは、回路のどの部分も主電源電圧になる可能性があることを知っておく必要があります。その理由を見てみましょう。

トランスレス電源 (TPS) は基本的に、壁から 115 または 220 VAC を取り出し、希望する電圧に分割する単なる分圧器です。その電圧を DC にする必要がある場合は、いくつかのダイオードを通じて整流され、場合によっては最大電圧に調整されますが、それについてはすぐに説明します。

通常、DC 分圧器は 1 対の抵抗で構成されます。これらを組み合わせると、パスを流れる電流が定義され、入力電圧と目的の出力の差を下げるために上部の抵抗を選択できます。私たちの場合、その差が約 100 ボルトまたは 200 ボルトである場合、たとえ数十ミリアンペアを通過させる必要があるだけであっても、その抵抗器はすぐに熱くなります。

分圧器の上部に使用するより良い部品はコンデンサです。そのリアクタンスは、住んでいる場所の主電源周波数に関係なく、必要な「抵抗」を与えるように選択されます。たとえば、5 V で 25 ミリアンペアの出力が必要で、アメリカにいて 110 V を下げる必要があるとします。R = V / I = 4,400 Ωです。コンデンサのリアクタンスを使用すると、C = 1 / (2 * pi * 60 Hz * 4400) = 0.6 μF となります。より多くの電流が必要な場合は、より大きなコンデンサを使用し、その逆も同様です。それはとても簡単です！

完全に精巧な TPS 設計には、さらにいくつかの部品が必要です。安全性を確保し、突入電流を制限するには、入力にヒューズと 1 ワットの電流制限抵抗を接続することをお勧めします。無効コンデンサと並列に大きな値の放電抵抗を配置すると、回路のプラグが抜かれたときにコンデンサが高電圧を保持して感電するのを防ぎます。

そして、そのコンデンサについて言えば、それは回路の安全上重要な部分です。継続的に高い交流電圧にさらされるため、ショートすると「5 V」出力が主電源電圧となり、部品が発火する可能性があります。これは、X 定格コンデンサの仕事です。ほとんどの場合、X1 または X2 とマークされており、X1 はより高い電圧スパイクに耐えることができます。どちらでも構いませんが、定格が X であり、主電源電圧レベルに指定されていることを確認してください。

コンデンサの後、通過するACをDCに整流する必要があります。ここでは、通常の半波または全波整流器、つまり少数のダイオードと大きな値の平滑コンデンサが機能します。負荷が一定でない場合は、ツェナーダイオードを使用してコンデンサの最大電圧を制限し、負荷が設計した 25 ミリアンペア未満になったときに過剰な電流がグランドに分流されるようにすることをお勧めします。これらの部品は低電圧のみを認識するため、特別な要件はありません。

最後に、この回路には多くの可能な構成があることに注意してください。ライブとデバイス間の電圧の大部分を下げる代わりに、分圧器の下側の脚にコンデンサを配置して、デバイスをライブ線に直接接続することも可能です。同じ回路を上下逆にします。もちろん、ヒューズと安全抵抗は回路内のどこにでも配置できます。しかし、基本は同じです。コンデンサは分圧器の一方の脚として機能し、その後に整流と調整が行われ、負荷がもう一方の脚として機能します。

TPS 回路の大きな注意点は、絶縁する必要があるということです。内蔵型の IoT スイッチや DIY 調光器の場合は、これでまったく問題ありません。 TPS は無線または IR 制御に適しています。 LED 電球はすべて、安価で完全に密閉されているため、内部に TPS を使用しています。しかし、この回路の一部に触れたり、信号線を接続したりすることを考えている場合は、代わりに変圧器に注目する必要があります。

なぜ完全な隔離なのか？回路の接地基準として機能するワイヤは、(「ホット」線とは対照的に) 家庭の中性線と同じであることに注意してください。ここで、誤ってプラグを逆に差し込んだ場合を想像してください。地面は熱く、AC が対称であるため装置は正常に動作しますが、「地面」に接触すると感電死の危険があります。 USB シリアルコネクタをこのデバイスに接続すると、ラップトップを「アース」ラインに接続したことになります。したがって、防御の第一線は、間違って差し込まれない極性プラグを使用することです。ヨーロッパに住んでいる場合、これは選択肢にないかもしれません。

しかし、極性プラグでも十分ではありません。古い家の中には（私たちが住んでいたワシントン DC のアパートも含めて）中性線とホット線が逆になっている家もあります。繰り返しますが、「中立」地面と実際の地面に同時に触れるまでは気付かないでしょうが、触れてしまうと致命的になる可能性があります。今すぐマルチメーターを使ってこれをテストできますし、おそらくそうすべきです。アースを基準とした場合、中性線は AC ボルト未満である必要があり、ホットラインは 115 または 220 VAC を示します。これらをローカルのプラグの種類と照らし合わせて確認してください。

とにかく、プラグの極性が正しくても、壁コンセントの中性線と接地線の間には違いがあります。米国と EU の規定では、中性線は電流が流れるラインであり、通常の状態ではアースには電流が流れてはいけないと規定されています。実際には、漏電遮断器 (GFCI) がこれを強制します。それでも、家のどこかに高負荷があり、配線内の無視できない抵抗と相まって、中性線にある程度の V=IR 電圧が発生する可能性があります。家庭に入る電力の「相」を分割するサービス変圧器の不均衡も、接地されている場所に応じて、中性点電圧を地面から引き離す可能性があります。つまり、中性点は地面付近にあるはずですが、それは保証されていません。

この回路を絶対に安全にする唯一の方法は、決して接触しないことです。非導電性のボックス、またはアースに接続された金属製のボックスに入れてください。逆に差し込まれたり、中性線が熱くなったりしても、誰も怪我をすることはありません。それがプロのやることです。

この回路で他に何が問題になる可能性がありますか? 50 または 60 Hz で適切な抵抗を持つようにリアクタンスコンデンサを選択しましたが、より高い周波数では抵抗が低くなります。家のどこかに高周波スイッチングデバイスがある場合、TPS に予期せぬ電流が流れる可能性があります。たとえば、電力線の急速なスパイクはそのまま通過し、それらを減衰させることが入力抵抗の理由の 1 つです。落雷？ブラモ！他に何か問題が起こる可能性はありますか? コメントを残してください！（ただし、マーフリーについては言及しないでください。）

変圧器ベースの電源は、同等の TPS よりもわずかに高価で、少し大きくなります。ただし、デバイスを完全に密閉できない場合、または入力電力の極性を完全に保証できない場合は、TPS を安全に使用することはできません。個人的な日常使用には、常にスイッチモード電源またはウォールウォータを選択します。壁から電気的に絶縁するには数ドルの価値があるのではないでしょうか?

一方で、TPS はハッキング対象となるあらゆる種類のデバイスに組み込まれているため、現実の生活の中で TPS を認識する必要があります。ヒューズまたは X1 または X2 定格の大きなコンデンサを探せば、正しい道を進むことができます。 (並列のブリーダ抵抗器はありますか? ない場合は、高温になる可能性があります。) 電流制限抵抗器は、X2 キャップの後ろにかろうじて見える大きなセラミック製のものです。ヒューズは、ワンピースの黒のシュリンクラップナンバーを身に着け、街での夜を過ごすために着飾っています。

次に、整流セクションへの道を探します。この安価な RF ウォールスイッチには 4 ダイオード全波整流器と 100 μF コンデンサが含まれています。ダイオードは、プラスの DC レールに向かって、マイナスからは遠ざかる方向を向いています。

次に、ツェナーダイオードを見てみましょう。この RF 制御スイッチの場合、リレーを起動するために使用される 25 V ツェナーと、IC と無線回路に電力を供給する 5 V ツェナーの 2 つがあります。これは TPS 回路の便利な機能です。 DC 電圧が AC ピークを超えない限り、コンデンサはある程度の電流を流すため、適切なツェナーを選択するだけで、同じ回路から実質的に任意の、または複数の電圧を得ることができます。

パワーアップした TPS での作業はできる限り避けたいところですが、安全に作業する方法はあります。これは絶縁トランスの典型的なケースであり、基本的に不足している回路にトランスを挿入します。回路内には依然として 115 または 220 V のペアのワイヤが存在しますが、少なくとも変圧器を使用してスコープをデバイスに取り付けることができます。

絶縁変圧器がなければ、バッテリー駆動 (非接地) マルチメーターを使用して多くのことができます。 TPS デバイスをスイッチ付きの延長コードに接続し、できるだけそのスイッチをオフにしておきます。測定値を取得するには、TPS のプラグを抜き、測定したい場所にワイヤを仮付けはんだ付けし、これらをマルチメータに接続し、立ち上がって電源タップをオンにします。読み取りが完了したら、電源をオフに戻し、何かに触れる前に少し待ってください。

電荷を保持できる TPS の一部は無効コンデンサです。そのため、その両端にブリーダ抵抗を設ける必要があります。この例の回路では、0.6 μF * 1 MΩ = 0.6 秒であり、何かを触る前にこれらの時定数のうち少なくとも 5 つ待つのがおそらく適切なので、3 まで数えてください。 RF スイッチは 220 kΩ の 0.33 μF コンデンサをバイパスするため、より安全で高速です。 (また、2 つの SMT 抵抗を直列に使用しています。これはおそらく、いずれか 1 つだけでは電圧定格が十分ではなかったためと思われます。スマートな設計です。)

壁コンセントのアースピンを基準にして回路のどの部分がどのような電圧になっているかを測定することでわかります。たとえば、リターンレッグに 560 Ω の安全抵抗が付いている場合、RF スイッチの「グランド」は実際にはアースグランドより約 12 VAC 高く浮遊します。これは、探索するときに知っておく価値があります。もう一度、プローブを接続し、後ろに立ち、電源を入れ、読み取り、電源を切り、待ちます。

それだけです。これで、デバイス内の電圧を把握し、独自の目的でそれをハイジャックできるようになります。何をしてもすべてが素敵なケースに収まるように注意してください。なぜなら、TPS はどこにでもあり、小型で安価ですが、潜在的に (ふーん!) 触れられないほど熱くなるからです。