ラズパイ用の電源

---

こちらのサイトでACアダプターとDC-Arrow、コモンモードチョークコイルを組み合わせた電源を「ジャイアン方式」と呼ばれる方がおられますが、それを目にするたびに面はゆい思いをしているジャイアンです。
この方式、もともとはPassさんから伝授されたものです。DC-Arrow基盤を使ったのは私が最初かもしれませんが、そもそものアイディアはPassさん。ですので正確にはPass方式というべきもの。ま、呼称はどうでもいいんですけどね(笑)

私はラズパイ用電源には当初、適当なACアダプターを使用していました。そんな時にiFi-audioがiPower 5Vをリリース。オーティオ用低ノイズという謳い文句に心惹かれ、ラズパイ用とI2S DAC用に二台購入しました。そんな頃だったと思います、たかじんさんのブログで、低ノイズ＝いい電源ではないという記事（DC-Arrow開発のバックボーンになっている情報だったと記憶しています。例えばコチラとか。他にも眼から鱗な記事があるはずなんですが）に出会い、衝撃を受けたのは。この辺から、ラズパイ用電源に強い関心を持つようになりました。

程なくして共立エレショップさんのキット品を購入してサクッと作っちゃったのですが、それは同時に、二台のiPower 5Vをお蔵入りさせることにもなりました。比較試聴できたからこそ下せた決断でしたので、先に購入したiPower 5Vが無駄だったとは思っていません。そうそう、今年は他のiPower 5Vユーザー一人を悔い改めさせ、DC-Arrowに改宗させました(笑)

我が家では常時三台のラズパイが走っています。
一台はRPi2Bで、NAS用OS OpenMediaVaultを走らせ、256GBのUSBメモリを挿し、音楽再生用NASにしています。
他二台はRPi3Bで、SMPDを走らせています。常に走っているのはRPi3B + Digione Signatureで、残り一台はmsBerryDACやSabreBerry32、もしくはTerra-Berry DAC2を気分で切り替えて鳴らしています。最近はmsBerryDACを走らせている事が多いです。

このように常時三台のラズパイが走っている状態なので、DC-Arrow２枚では電源が足りません。加えてI2Sカード給電用もDC-Arrowで固めたかったので、今現在では６枚のDC-Arrowが走っています（うち一枚は3.3V用）。

長くなったので一旦切ります。

そうそう、今年は他のiPower 5Vユーザー一人を悔い改めさせ、DC-Arrowに改宗させました(笑)

呼びました？

v0.8系の中盤から、メインシステムの心臓部として活躍して頂いてます。感謝です

３枚目以降のDC-Arrowはキット品ではなく（だって高いんだもん）、基板こそ共立エレショップさんで購入しましたが、他は秋月でお安く調達できるパーツで組んでおりました。そんなことをして遊んでいる時に、Passさんに「ACアダプターを使うと幸せになれるかもよ」と耳許で囁かれ、あっという間に電源のダークサイドに落ちました。

それまでは例えばデカップリングコンデンサにも気をつかうことはなく、たかじんさんが掲示されているパーツ表に従って、例えば4700μF/16Vで一番お安く調達できる電解コンデンサを使っていました。

しかしこれまたとある記事に出会って考えを改める事となり、現在は電解コンデンサを取っ替え引っ替えしたり、小容量の積層セラミックコンデンサとかフィルムコンを抱かせたりして、自分の理想とする音を出すための基礎となる電源構成を探している最中です。

何ごともやってみないと分からないものだなぁと自分のことながら感心したのは、大容量の電解コンデンサにたった0.1μFの積層セラミックコンデンサを抱かせた時の音の変化です。
根が貧乏性なものですから、単価150円くらいの4700μF/50V x 2から試し始めたのですが、どうにも中高域の抜けが悪い。
そこに「ESRが改善するならば」と積層セラミックコンデンサを２個パラったのですが、効果は覿面でした。
実はそれでも音に納得がいかず、積セラ２個の内１個をコレに替えてみました。これがまた私の好みに合った変化を見せてくれました。

とはいえ、まだまだ自分の納得いく方向性にはもっていけてないので、これからも試行錯誤を繰り返していこうと考えています。
とりあえず今考えているのは、Passさんに入れ知恵されたダーリントントランジスタの使用。
また２つ使っている4700μF電解コンデンサの１つを音響用として定評のあるチョットお高めのヤツに替えて、コンデンサーのブレンドにも挑戦しようと思っています。

レギュレーターとして安定しており、加えてレスポンスさえ良ければいいと思われがちな電源ですが、たった0.1μFのコンデンサでさえも、これほどまでに音に影響を与えるとはと、試していて大変に驚かされました。

出音の品質に関しては、symphonic-mpdを開発してくださっているパパリウスさんに負うところが大きいわけですけど、ちょっとした電気工作ができるなら、ユーザーにだってまだまだ工夫できる余地がたくさんあるということを感じております。

みなさん
こんばんは

情報ありがとうございます。
電源は音の良し悪しにも大きくかかわりますが、好みの部分にも大きなインパクトがあるので、情報を共有して皆さんのお好みの音質が見つかればよいなぁと思っております。引き続きよろしくお願いします。

パパリウスさん

コメントの移動ありがとうございました。
smpdのサイトなのにハード系のスレッドのアクセスが多いのにはビックリですね。

ところで、アイコン用の画像の差し替えをしようとしたのですが、最初に登録した画像の削除をしてアップロードしなおしても前の画像に戻ってしまい差し替えが出来ません。何か手順があるのでしょうか？（ここでする質問じゃないですね（笑））

ジャイアンさん

私は思い付きで耳打ちしただけですよ（笑）実際に試して出音の確認をして、みなさんにお披露目したのはジャイアンさんですから、ジャイアンさん方式で良いと思います。

ダーリントントランジスタは、シミュレーションしてみると電圧降下が大きくなるようです。ひょっとすると逆効果になるかもしれません
その際は、ご容赦下さい。また楽しいブログにして頂けると幸いです。

わっ！　こっちに移っている！

mikeです。

パパリウスさまの手を煩わせてしまいました。
実は投稿してからpassさんが電源スレッドを立ち上げているのに気が付きました。
うーん、とかいってそのままにしていたら整理していただき恐れ入っております。

ということで、もう少し追加を。

通常のUSBケーブルで標準的な電線であるAWG28の直流抵抗は200mΩ/mで、5V2A流すと、0.4Vの電圧効果となります。
この値はとても大きく RP3Bでは、5Vが、4.6Vとunder voltage となってしまいます。

少なくとも、0.3㍉スクエアは必要で、自作するか、2A対応とか2.5A対応という充電専用のケーブルが便利です。
それも50cm以内ならほとんど電圧降下の心配をしなくても良いようになると思います。
5Vとか3.3Vのときは電線の太さと長さは本当に大事です。

ご参考まで。

ひゃーっ！

なんて濃い～情報なんでしょう！！！

USBの規格から、電線の太さや接続部分の電圧降下の話、ノイズフィルターの話、
使うコンデンサの話などなど、すっごい奥深いですね♪

少し頭の中を整理して、自分のやれる範囲で頑張ってみようと思います。
皆様、本当にありがとうございます m(_ o _)m

Passさん
プロフィール画像の変更ですが、手順をちゃんと確認してみますね。
念のため、ブラウザのキャッシュを削除してもう一度表示してみてください。

mikeさん
コメントは他のスレッドに付け替えが簡単にできますので、どこに書いてもらっても問題ありませんよ。

適当なスレッドが無ければ、気軽にスレッドを立ててもらっても大丈夫です。
「スレッドのマージ」という機能があり、他のスレッドにコメントをごっそり移動させる機能がありますので、後から適切なスレッドに統合させることができます。

HOTなネタなだけあって、裏でプラグイン作っていたら乗り遅れてしまった感が凄い
やっぱりACアダプタとDC-Allow2組揃えたくなって来ました（製作は早くても来週末かなぁ）。

ところで電源基板のケースって皆様どうされています？DC-Allowの場合はパワトラがあるのでケースは空冷出来ないとダメっぽいですよね？（パーツショップの金属ケースでは熱が籠もりそうですし．．．）

sunatomoさん

私はオリジナルレギュレータをこんなこんなケースに入れてます。

12Vインプットの5Vアウトプットと発熱のひどいレギュレータですが問題ありませんよ。DC-Arrowがそのまま入るかどうかは分かりませんが、もう1つ大き目の物なら入るかもです。ご参考になれば幸いです。

パパリウスさん

キャッシュクリアで出来ました。ありがとうございました。

Passさま
早速のご提示、有難うございます。放熱とノイズ対策を考えると私ならば金属筐体一択という選択肢になると思っていましたが大変参考になりました。
多分試作時点では基板むき出しになると思いますが、他の家人に嫌がられるのは間違いないのでパーツの収容サイズなどを勘案しながら検討したいと思います。

@sunatomo さん

私はバルク状態で使っています。
見栄えが悪いですが、放熱と、度々手を加えていることから裸の方が都合が何かといいもので。
ちなみにこんな感じです。

アロー・トーク

足元を固めよう・電源は重ねよう

フィルター（後編）

本当に見栄えが悪いですね！(笑)
せめてもと設置面積を抑えるためにPC用電源ケースを使ったのですが、それさえもACアダプターを使っている今となっては笑の種でしかありません。

ジャイアンさま
ブログで拝見しております(PC用電源ケースに取り付けされているところ）。
確かにパンチングメタル処理だから排熱は良いかもしれませんね。

脱線しますが、アイコンの碇ゲンドウが個人的にツボです（笑

@sunatomo さん

脱線ついでに、アイコンは他の人に使われる前に！と慌てて画像を探してきました(笑)

sunatomoさま

mikeです。私はタカチのアルミケースに入れて使っています。
DCArrowをスイッチング電源につなぎ一台でRP3BとKaliに給電している場合、推奨の高さの放熱器を使っています。
安定期での放熱器の温度は37℃前後、トランジスタ本体は48-49℃くらいです。ケースを使いまわししているので底板にはボコボコ穴が空いていますが、特に放熱の工夫はしていません。（他に穴はありませんし、FANもありません。）

RP3B+ とSB32proそれぞれに給電するDCArrow２台使いなら、背の低い放熱器を使ってもトランジスタ、放熱器ともほんのり温かいくらいです。
背の低い放熱器がちょっと心配だったのでアルミの厚板を熱プールとして放熱器の上に乗せていますが、その必要もなさそうです。

こんにちは。

3B用の電源ですが、アナログ安定化電源から、Hifiberry Digi Pro基板へ直接供給するスタイルで運用しています。

（達人による加工済のものを譲っていただきました）

そうそう、たかじんさんのこの記事を読んで私は目から鱗が落ちたんです。

みみず工房さんがDC-Arrowのレポートを

技術用語も出てきますが、この手の記事としては非常に分かりやすくまとめられていると思います。
また@yo さんのブログも含め、リンク先の記事も非常に示唆に富んでいます。
ラズパイ用に限らず、電源を考える上で非常に大切な事が述べられていると思っていまして、皆さんにもぜひ一度は目を通していただければなぁと思っています。

以外にバッテリ―を使っているという方はいらっしゃらないようですね。

よくよく考えてみるとバッテリーでラズパイを動かすというのは不思議な話で、リチウムイオン電池は1セルが3.7Vのため、1本では電圧が足りません。スイッチングレギュレータで昇圧する必要があります。2本使うと今度は電圧が高くなりすぎるため、降圧回路が必要になります。

そのあたりをどのように工夫して使われているのか興味があったのですが。。。

@Pass さん
否、ここは敢えてPass先生と呼ばせていただきます！

今まではメールで直接教えていただくばかりでしたが、このフォーラムの登場を契機に、広く皆さんとも情報共有したいなと考え、敢えてこのスレッドで質問をさせていただきます。
いつもの通り電気素人の言うことですので、見当外れなこともあるかと思いますが、ぜひご教示のほどよろしくお願いいたします。

と、堅苦しい挨拶はここまでとして...

以前ご紹介いただいたダーリントントランジスタ2SC4811を使ったDC-Arrowの改造がやっと上手くいきました！

具体的にはこの出力トランジスタ2SC5100を...

2SC4811で置換え。
コイツがダーリントントランジスタであるために生じる損失分を補うため、リファレンス電圧を高くするため、ツェナーダイオードも7.5Vに置き換えるという作業でしたが...

既に完成させていた基板上の部品を交換するため、作業的にはヒートガンまで持ち出すなど、結構苦労しました。（真似をすすめるわけじゃないけど、それでも真似したい方はDC-Arrowを新たに組んだ方が安心だと思う）

そこで質問があります。

そもそも「音がいいかも」とすすめられた2SC4811ですが、なぜここにダーリントントランジスタの2SC4811なのでしょう？
このトランジスタに目をつけた理由を知りたいです。
そもそもここのトランジスタは下図のようにダーリントン接続になっており...

この構造によってhFE（直流電流増幅率）を高めようとする工夫が見て取れます。
その２段目の2SC5100をダーリントントランジスタの2SC4811に置き換えるということは、図で示すと...

３段のダーリントン接続を構成することになるのではと、素人頭で想像してみました。
この構造により、より多くの電流を流せる＝ラズパイを余裕を持って駆動させることができて、音質の向上にも役立つのかなとも考えてみました。

さらに素人頭で考えたのですが、こういう改造ができるのは、DC-Arrowの上流にトランスではなく、電力的に余裕を持つACアダプターを採用しているからなのではとも考えてみました。

2SC4811を選択した理由とともに、以上の私の素人考え方が合っているかどうか、教えていただければと思ってます。

ダーリントントランジスタにしてもっと熱を発生させるのかなぁと思っていましたが、オリジナルの2SC5100と比較して、発熱が増えているようには感じません。
逆に低いかもと思うぐらいです。

まだならし運転中ですが、ずいぶんと音は落ち着いてきたようです。
当初の印象の「開放的な鳴り方」が、よりハッキリと出てきているように感じます。
音の抜けがよく、解像度も高くなったのでしょう、ハイレゾ版「Waltz For Debby」での歓談などの環境音も良い感じに聞こえてきて、今まで以上に雰囲気を盛り上げてくれるようになりました。
とは言え、普通に聴いたらオリジナルの2SC5100と比べて顕著な違いをなかなか感じ取れないかも。
この辺までくると、個々人の好みの範疇なのかもしれませんね。

いつもメンドウクサイ質問ばかりで申し訳ありません。
以上、ご教示よろしくお願いいたします。

@ジャイアン さん

コメントありがとうございます。私は情報発信といったことは苦手なので、こうしてご質問頂けるとコメントしやすくて助かります。

なぜここにダーリントントランジスタの2SC4811なのでしょう？
このトランジスタに目をつけた理由を知りたいです。

ややこしくなってしまい申し訳ありません 実は2SC4811をご紹介したのは、ダーリントンタイプだからというよりは、メインの理由はパッケージの小ささです。ご存じのとおりヒートシンクを必要としません。そのくせ、DCで8A、パルスなら16Aを流せます。
パッケージが小さいという事は、発熱が少ない　⇒C-E間の損失が極めて少ない　⇒C-E間の抵抗値が小さいという事になるはずです。
つまり、トランジスタの内部抵抗が小さいく、過渡応答特性を確保するのに向いているのではないか。というのが今回の最大の狙いでした。

そもそもここのトランジスタは下図のようにダーリントン接続になっており...
この構造によってhFE（直流電流増幅率）を高めようとする工夫が見て取れます。

おっしゃる通りですね。恐らくリファレンス（Tr1のｂ）の電流はμAの単位の小さな電流になるはずなので、ダーリントン接続で設計されたのだと思います。

その２段目の2SC5100をダーリントントランジスタの2SC4811に置き換えるということは、
３段のダーリントン接続を構成することになるのではと、素人頭で想像してみました。

回路図にすると面白いですね。いろんな回路図を見てきましたが、こんな回路は初めて見ました

この構造により、より多くの電流を流せる＝ラズパイを余裕を持って駆動させることができて、音質の向上にも役立つのかなとも考えてみました。

さらに素人頭で考えたのですが、こういう改造ができるのは、DC-Arrowの上流にトランスではなく、電力的に余裕を持つACアダプターを採用しているからなのではとも考えてみました。

2SC4811を選択した理由とともに、以上の私の素人考え方が合っているかどうか、教えていただければと思ってます。

ダーリントントランジスタの利点はより多くの電流が流せるというよりも、正確には一段めのトランジスタの増幅度×二段目のトランジスタの増幅度となる為、小さいドライブ電流でより大きな電流を制御できるというメリットがあります。結果としてより大電流が流せます。

部品表どおりの部品ですと、トランジスタのhfeのばらつきが出ますが、5～18A程度となると思われます。2SC4811なら増幅度が高いため、計算上はより電流が流せてトランジスタの動作にも余裕がありそうですね。（実際には8Aが限界ですが。。。）
保証はできませんが、過電流に対しては、スイッチング電源の保護回路が働くと思われますので大丈夫ではないかと安易に考えてます。

また、標準仕様のトロイダルトランスは、6.3V×1.6A＝10.08VAですが、整流後は電圧は√２倍になり電流は1／√２＝1.131Aとなります（でないと計算が合いません）。実際にはトランスは瞬間的にはもっと電流を流せるのですが、定格では流せません（発熱します）。今回の改造と併せるとスイッチング電源のACアダプターはかなり電流に余裕度がありそうですね。

さらにトランス式が不利な理由は、mikeさんの指摘されるレギュレーションの悪さです。
入力電圧が変動すると出力電圧も変動します（ラインレギュレーション）さらに負荷抵抗が変動すると、出力電圧も低下します。（ロードレギュレーション）
また、トランスは力率が約60％程度しかありません。つまり、10.08VAを確保するのに、16.8W消費します。内部損失が大きいという事は負荷の変動に対しても応答が悪いという事です。その点スイッチング電源は悪くとも70％、良い物だと90％以上のものもあり、フィードバック制御も働くのでレギュレーション（電圧安定性）はトランスよりはるかに良くなります。スイッチング電源に匹敵するパワーを生み出そうとすると、とても巨大なトランスが必要でコストが高くなってしまいます。

ダーリントントランジスタにしてもっと熱を発生させるのかなぁと思っていましたが、オリジナルの2SC5100と比較して、発熱が増えているようには感じません。
逆に低いかもと思うぐらいです。

上記に記載した通り、内部損失が少ないおかげだと思います。狙い通り働いてくれたようですね。

まだならし運転中ですが、ずいぶんと音は落ち着いてきたようです。
当初の印象の「開放的な鳴り方」が、よりハッキリと出てきているように感じます。
音の抜けがよく、解像度も高くなったのでしょう、ハイレゾ版「Waltz For Debby」での歓談などの環境音も良い感じに聞こえてきて、今まで以上に雰囲気を盛り上げてくれるようになりました。
とは言え、普通に聴いたらオリジナルの2SC5100と比べて顕著な違いをなかなか感じ取れないかも。
この辺までくると、個々人の好みの範疇なのかもしれませんね。

余裕度が音に出てるんでしょうか。ともあれ、ジャイアンさんにとって良い結果になったのであれば幸いです。

いつもメンドウクサイ質問ばかりで申し訳ありません。

とんでもありません。私で良ければいつでもどうぞ。

連投になりますが。。。

kochanさんのようにラズパイとDACで電源を使い分けるというのは有効だと思います。

ラズパイは基本的にはPCなので、負荷変動で電圧がふらついてしまってはリファレンス電圧もふらつきます。電流の応答が悪くてはデジタルの波形もなまってしまいます。なので、ローノイズよりローインピーダンスで負荷過渡応答の良い電源が有利になると思われます。

DACに関してはアナログ回路も含まれる為、ローノイズ性能も必要になってきます。スイッチング電源を利用するのであれば十分にノイズ対策を行わないと音が汚れる可能性もあります。
十分な対策が取れないようならトランス式の採用も悪くないと思います。

電源は上流や負荷によって適性が変わります。使い分けるというのが大切だと思います。