今回は、「ダイオードで整流した脈流は平滑回路によってどのように直流に変換されるのか」についての説明です。
１．平滑回路とは？
ダイオードを利用すれば整流できます。
ただ、ダイオードを使用するだけでは、直流にはなりますが、一定値にはなりません。
半波整流回路と全波整流回路がその最たる例です。
極性が変化しない波は直流という扱いになるので、一応これらの脈流(極性は一定だが、大きさが変動する性質を持った電流のこと)も直流という扱いになるのです。
ただ、実際に直流としての使用を考えた場合、この波形のままだと困りますよね？
一般人が想像する直流って一定値のことですから。
ということで、整流した波形は平らに・滑らかにして変化の少ない(脈動の少ない)直流にしてあげる必要があります。
そのための回路のことを平滑回路[ripple filter]と呼びます。
まとめると、整流されて発生した脈流を平らにして一定値の直流を作り出すための回路が平滑回路だということです。
整流回路と平滑回路は良く意味が混同されているので、注意しましょう。
整流した後に平滑にするのです。
２．平滑回路の簡単な原理
平滑回路は、コンデンサやコイルで構成されます。
ちょっとしたリプル(ノイズ成分)なら許容できるという場合は、コンデンサを入れるだけである程度均一な直流は作り出せます。
コンデンサを利用した単純な平滑回路の場合、一般的なコンデンサの性質通りの動きをしてくれます。
どんな働きをするのかというと、脈流の電圧が高い区間では充電を行い、脈流の電圧が低い区間では放電を行うのです。
そうすることで、波形の高低差が緩和され、脈流の溝が埋まった滑らかな波形になっていくわけです。
簡単な原理はこれだけです。
ダイオードで整流してできた脈流をコンデンサが平らに・滑らかにしてくれるだけなのです。
ここから更にリプルを抑制したより均一な直流を作り出すためにコイル(厳密にはチョークコイルと呼ばれる)を使用することがあるわけです。
話が脱線するので今回は置いておきますけどね。
３．平滑回路の実際の動作
では、実際にどのように平滑回路が働いているのかを見ていきましょう。
交流電源VACが以下のような回路に供給されています。
交流電源は振幅Vm[V]、周期T[s]の正弦波交流で、コンデンサCの初期電荷は0[C]とします。
入力電圧は、上向きを正の方向とします。
また、コンデンサは0～T/4[s]の区間でフル充電される容量だとします。
この時の出力電圧VOの波形の時間的変化について考えていきます。
時間tが0～T/4[s]の時
この時の電流は以下のような経路を通ります。
電源の極性が＋側なので、ダイオードDに順方向電圧がかかり、コンデンサは両端の電圧がVm[V]になるまで充電されます。
交流電源・コンデンサ・抵抗はすべて並列に繋がっているので、この区間では出力電圧=交流電源電圧ということになります。
時間tがT/4～T/2[s]の時
この区間のポイントは、交流電源電圧と充電されたコンデンサのどちらの電圧が高くなっているかです。
先程述べたように、コンデンサの両端電圧はVm[V]になっています。
それに対して電源電圧は、Vm[V]から0[V]まで徐々に小さくなっていきます。
ということは、ダイオードのアノード電圧よりもカソード電圧の方が大きくなるので、電源からダイオードに向けて電流は流れなくなります。
要は、ダイオードの位置を開放して、Vm[V]に充電済みのコンデンサと抵抗Rを繋いだ回路のみ残るわけです。
「R－C回路のコンデンサ端子電圧の時間的変化(放電過程)」の考え方、式の導き方は以下にまとめてあります。
これに則って出力電圧を式で表すと、以下のようになります。
この式に則って出力電圧波形を描くと、以下のようになります。
式を見ればわかる通り、コンデンサの容量と抵抗値によってどの程度の傾きになるのかは違ってきますが、大体こんな波形になるとイメージしてください。
時間tがT/2～T[s]の時
この区間は、交流電源電圧の極性が完全に負になります。
その為、コンデンサは放電して少しずつ電荷を失っていくものの、電源電圧よりコンデンサの端子電圧が小さくなることはありません。
コンデンサは放電しきっても0[V]以下にはなりませんからね。
なので、時間tがT/4～T/2[s]の時と変わらず同じ動作を継続します。
時間tがT[s]以降の時
これ以降は、同じ動作を繰り返します。
ただ、T[s]時点ではコンデンサに電荷が残っていて、いくらかの端子電圧が残っている点のみ異なります。
その為、交流電源電圧がコンデンサ端子電圧を超えるまではコンデンサが放電を続け、交流電源電圧がコンデンサ端子電圧を上回ったタイミングから再度充電が開始されます。
よって、出力電圧は以下のように推移します。
これが平滑回路の原理です。
途中から出力電圧波形が平らに・滑らかになって、直流に近似した波形になっているでしょう？
コンデンサの容量と抵抗値によってコンデンサの放電の具合が変わるので、そこの調整は必要ですが、概ねはここで説明したような動作をするのだと覚えておきましょう。
ちなみに、ここでの説明は半波整流を平滑回路に通した場合のものとなっています。
その為、全波整流を平滑回路に通したらより滑らかな出力を得ることが可能です。
考え方は同じなので説明はしないですけどね。
以上、「ダイオードで整流した脈流は平滑回路によってどのように直流に変換されるのか」についての説明でした。
