【基礎から学ぶダイオード】 クランプ回路とは? ~基準電圧信号に直流成分を上乗せする回路~

電気電子

ダイオードは電流を決められた方向にのみ流すことができる部品です。
なのですが、回路図を眺めていると電流の流れに対して逆方向に接続していることもあります。
ダイオードの基本部分しか知らない場合、この辺りで結構な疑問符が浮かぶと思うんですよね。
ということで、ダイオードの動作原理や種類などを1からわかりやすくまとめてみたのが本記事となります。

今回は、「クランプ回路」についての説明です。

1.注意事項

一般的なダイオードには順方向にしか電流は流れません。
その性質を利用して、任意の波形からある値より上もしくはある値より下の成分だけを取り出すことをクリッピングと呼びます。
ダイオードを使った半波整流回路が例としてはわかりやすいです。

図1 半波整流回路

クランプ回路とは、このクリッピングをする回路…ではありません。
名前は似ているけど、別物です。
別物のはずなんですけど、調べると同じものとして扱っているWebページが多々あるので、名称に関しては正直自信が無いです。
私が勉強に使用した教材の方が間違えているかもしれませんからね。

ということで、以下で説明する回路はクランプ回路と記述していきますが、名称が正しいのかは怪しいという点はご承知おきください。
名称で覚えるより、『ダイオードを使うとこんな機能の回路も構成できる』という点を覚えましょう。

2.クランプ回路とは?

クランプ回路とは、基準電圧信号に直流成分を上乗せすることができる回路のことです。
図2左のような一般的な0点を基準とした交流電圧波形を、図2右のような交流電圧波形に変換することが可能です。

図2

基準点を上下に動かすことが可能なのです。

このクランプ回路は、トランス(変圧器)を使用する際に用いられることがあります。

トランスは相互誘導作用を利用して1次側コイルから2次側コイルに電圧を伝搬するのですが、相互誘導作用は交流成分にしか作用しません。
要するに、直流成分はカットされて伝搬されます

そこで、2次側の回路にクランプ回路を置いて、取り除かれた直流成分を付与して基準を元に戻すことがあります。
ちょっと変わった用途の回路なのです。

3.クランプ回路の動作

では、実際のクランプ回路について見ていきましょう。

クランプ回路は、以下のようにコンデンサとダイオードで構成します。

図3

t=0[s]時点でのコンデンサCの電荷は0[C]、ダイオードDは理想ダイオードとした時、交流電源VACに対する出力電圧VOの波形を確認してみましょう。

まず、t=0[s]の時の回路動作について考えます。

コンデンサに蓄えられた電荷は0[C]なので、コンデンサの端子電圧VCはこの時点では0[V]です。
その為、端子Aの電圧はVAC+VC=1[V]、端子Bの電圧は0[V]となり、ダイオードには順方向電圧がかかって電流が流れます。
すると、端子AB間は電圧が0[V]になります。
理想ダイオードの順方向電圧は0[V]だから当然ですね。

また、VAC→C→Dという経路に電流が流れるようになるので、コンデンサが充電されます。
この時のコンデンサの端子電圧は、VACとは反対の向きに1[V]となります

図4

ここから時間が経過していくと、VACは+1[V]より小さくなっていきます。
ということは、コンデンサの端子電圧1[V]よりVACは必ず小さくなります
交流電源よりもコンデンサの方が高電位になるのです。
すると、ダイオードには逆方向電圧がかかることになるので、ダイオードはOFFの状態(開放)になります。
その為、コンデンサの電荷はそのまま保持され、端子電圧も1[V]のまま変化しなくなります

つまり、コンデンサの端子電圧は1[V]、ダイオードはOFFという状態が維持されるようになります。
その結果、VO=VAC-VCという関係が常に成り立つようになり、出力波形は以下のようになります。

図5

要は、コンデンサの端子電圧が直流成分として加算されるようになるのです。
これがクランプ回路の動作です。

ちなみに、端子AB間に直流電源を接続することで、加算する直流成分を調整することが可能です。
この辺りの考え方は「クリッピング作用」の説明と何も変わらないので、説明は割愛します。

試しに0.5[V]の直流電源を突っ込んだ場合の例を記載しておくので、どうしてこのような出力波形を得られるのか考えてみてください。

図6

以上、「クランプ回路」についての説明でした。


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