コンデンサと周波数

はじめまして、私は電気回路の勉強をしているものです。
現在、コンデンサに貯めた電荷を素子に急激に流して、運動エネルギーに変換して
利用しようとしています。
　スイッチングする周波数が低い時（100Hz)は十分なエネルギーを得られるのですが、周波数を徐々に上げていくと、だんだんエネルギーが弱くなっていきます。
　そこで、高周波（20ｋHzぐらい）でも、上手くエネルギーを得るためにはどうしたら良いか御教授ください。電圧は200V、静電容量は１０００μF,電流は大きい方が良い。

No.10 ベストアンサー 回答者： denden_kei 回答日時： 2002/01/28 22:50

全体的に電流定格が小さめのようですね。

おそらく一番影響しているのは100:110のトランス(1A)でしょう。必要なパルス電流(コンデンサのエネルギー減少分を補う分)を供給できていないのだと思います。

このパルス電流は定格(発熱上、時間平均で流してよい電流の最大値)よりもかなり大きなものになります。トランス自身はパルス的には定格よりも大きな電流を流せますが、トランスの内部抵抗から限界があります(定常的には流せないような大電流です)。

とりあえずの対策としては、トランスを大型のものにしたほうがいいと思います。

ダイオードも、もし可能なら大電流定格のものにしたほうがいいでしょう。トランスを大容量化すると、その先の回路の負担が大きくなって壊れることがありますので(以前はトランスでリミッタがかかっていた)。

ちなみに、この辺の問題は「パルスパワー工学」の分野ですので、もし可能でしたらそちらの専門家の方に相談するとコンデンサの選択も含め、有意義なアドバイスがいただけるかもしれません。学科としては電気電子工学科、もしくはエネルギー工学です。

この回答へのお礼

　　denden_kei様　度重なる御回答、誠に有難うございます。
ご指摘して頂いた点、大変参考になりました。これから時間と、経済的に可能な限り、改良していこうと思っています。

　本当に有難うございました。

お礼日時：2002/01/29 09:23

No.9 回答者： denden_kei 回答日時： 2002/01/27 01:21

もしかしたらまったく的外れかもしれませんが...。

5uFのコンデンサを140V,20kHzで充電すると考えると、１回あたり0.7mC、20kHzということは14Aの電流が必要、ということになります。電源側にこれだけの供給能力はありますか？
配電盤との間の100:100トランス(つかっていれば)や整流ダイオードはこれだけの電流定格がありますか？十分な供給能力がないと、電圧降下してしまいます。

この辺のことはご検討済みとは思いますが、私ならついやってしまいそうなので。

この回答への補足

denden_kei様　何度も御回答して頂き有難うございます。

　ブリッジダイオードはＧＩ社(現ＧＳ社)製の「ＫＢＬ０２」を使用しています。
これの定格が順電流4.0Ａなのですがこれが原因でしょうか？
　今、手元にある一般整流用ダイオードで、最大定格が１番大きいものが、
「12ＧＨ11(東芝製）」最大定格　Ｉｏ＝12Ａ、耐圧400Ｖ　です。
この「12ＧＨ11」でブリッジを組めば良いのでしょうか？

　トランスは100：110　1Ａの物をありあわせで使っています。

　何度も申し訳ありませんが、ご指導宜しくお願いします。

補足日時：2002/01/28 16:26

No.8 回答者： kabasan 回答日時： 2002/01/25 23:36

＞素子の耐圧が150V、静電容量が５μF

でかっ！
電源がピーク１４０Ｖで負荷が誘導性ならスイッチした瞬間に数倍の電圧がかかることがあるので気を付けて下さいね。もしそうなら５００～１ＫＶの耐圧が必要です。

単に特性的には単板のセラミックコンデンサが良いと思うのですが、高耐圧単板となると一般品では０．０１ｕＦ程度までだと思います。どのくらいの「瞬時」かわからないですが、電流値からどのみち単品では無理だと思います。実験レベルであれば、コレを頑張って高密度に並列接続して合成するしかないと思います。

電力設備用なら高耐圧大容量もありますが、スイッチング向きではないからなぁ・・・

この回答へのお礼

Kabasan様　何度も御回答して頂き有難うございます。

スイッチングした時の電圧はオシロで測定したところ、140Vぐらいでした。
ご心配おかけします。

並列接続については、アルミ電解(１０００μF、耐圧250V）を並列にしてみようかと、思っています。
　
また何かありましたら、宜しくお願いします。

お礼日時：2002/01/28 16:56

No.7 回答者： kabasan 回答日時： 2002/01/24 23:39

言葉足らずを補足します。

＞すくまれる周波数成分は　→　ふくまれる周波数成分は

＞２００Ｖに充電したコンデンサを、　→　２００Ｖに充電した２個のコンデンサを、

２番目はこれ「チャージポンプ」って呼ぶ方法です。

この回答へのお礼

御回答して頂き有難うございます。
電流は瞬時に50Aぐらい必要で、電源は交流100Vを整流し、DC約140Vを使用しています。これを用いて、20K～30KHzでスイッチングする為の
周波数特性の良い物として何が良いか教えて頂けますか？
（素子の耐圧が150V、静電容量が５μF）
また私自身、これからいろいろと検討してみます。
また何かありましたら、宜しくお願いします。

お礼日時：2002/01/25 10:11

No.6 回答者： kabasan 回答日時： 2002/01/24 23:35

スイッチング周波数が２０ＫＨｚでもその波形は矩形波でしょう？

すくまれる周波数成分は理論的には無限ですから、コンデンサの周波数特性はもろに影響しますよ。資料にある２０ＫＨｚ時のコンデンサのインピーダンスは「正弦波２０ＫＨｚ」についての物です。

容量と耐圧からしてまずアルミ電解コンデンサの類でしょう。２０ＫＨｚで「平滑」するのならまだしもエネルギーのバケツリレーのように使われるのですから、不向きなデバイスです。

また、「運動エネルギー」に変換しているのですから負荷はコイルの類でしょうか？それならスイッチング周波数が上がるほどインピーダンスが上がって、出力は下がります。

おおもとの電源容量が足りるなら、２００Ｖに充電したコンデンサを、出力するときに直列に切り替えて４００Ｖ出力するようにすれば、駆動できます。注意点はスイッチング周波数を充分上げて、平均電力が負荷の定格を越えないことです。高速にスイッチングするのですから、スイッチング一回あたりの充放電量は少なくなるので小さなコンデンサが使えるため、周波数特性の良い物が使用できるようになります。

この辺の内容は実は、モーター制御の応用編の入り口そのものですよ。

No.5 回答者： denden_kei 回答日時： 2002/01/24 22:20

いいわすれていました。

コンデンサの容量は、出力電圧を安定させるために大きいほうが望ましいです。

ただし、前述のようにパルス出力＜＜電源容量でなければコンデンサの電荷がどんどん減っていきますので、何の意味もありません。バースト動作という考え方もあるにはありますが...。

コンデンサにおいては、パルス的に大電流が流れるが、その電荷は蓄積容量に対して十分小さく、長期的には充電系からすべて補給される、という状態になければなりません。

No.4 回答者： denden_kei 回答日時： 2002/01/24 22:14

20kHz程度だと、電解コンデンサでも高周波特性云々はそれほど関係しないように思います。

非常に大きな電流が流れる場合は別ですが。

どうも、コンデンサへ充電する系統の電源容量が足りないようです。
１パルスのエネルギー掛ける周波数と、充電系統が供給しうる、定格電力を比較してみてください。それも、パルス出力＜＜充電エネルギーでなければ安定出力はえられません。

ここで、おそらく交流200Vを全波整流したもので充電するのだと思いますが、これで持続的にパルス出力させるには、１パルスで流れる電荷<<コンデンサの電荷、でなければなりません。こうすれば、コンデンサの電荷のごく一部だけを使うことで、交流の最大値(200√2V)分の直流電源と等価に考えることができます。

コンデンサの電荷をパルスごとに毎回使い切る方式では、どうがんばっても電圧は変動してしまいます。充電がわが50(60)Hzだということから考えてください。

なにかご参考になれば。

この回答へのお礼

御回答して頂き有難うございます。
電流は瞬時に50Aぐらい必要で、電源は交流100Vを整流し、DC約140Vを使用しています。これを用いて、20K～30KHzでスイッチングする為の
周波数特性の良い物として何が良いか教えて頂けますか？
また私自身、これからいろいろと検討してみます。
また何かありましたら、宜しくお願いします。

お礼日時：2002/01/25 10:04

No.3 回答者： noname#2748 回答日時： 2002/01/24 20:04

多分使用しているコンデンサーに問題があると思われます。

電圧・容量からするとアルミ電解コンデンサではないかと思われますがアルミ電解コンデンサー周波数特性があまり芳しくなく、周波数が高くなるにつれインピーダンスが低くなるはずのコンデンサーが逆に周波数が上がって来るとインピーダンスが高くなってしまうのです。これはアルミ電解コンデンサの構造によるもので、結構大きなインダクタンスを持っているためです。

使用するコンデンサに周波数特性のよい物を選択すれば解決すると思われます。

この回答へのお礼

御回答して頂き有難うございます。
周波数特性の良い物として何が良いか教えて頂けますか？
また私自身、これからいろいろと検討してみます。
また何かありましたら、宜しくお願いします。

お礼日時：2002/01/25 09:52

No.2 回答者： tamtaka 回答日時： 2002/01/24 18:11

コンデンサ自身の周波数特性を検討してみてはどうでしょうか。

この回答へのお礼

御回答して頂き有難うございます。
これからいろいろと検討してみます。
また何かありましたら、宜しくお願いします。

お礼日時：2002/01/25 09:48

No.1 回答者： taka113 回答日時： 2002/01/24 17:46

コンデンサに貯められる量は同じなので、充電量よりも放電量のほうが多いと当然電化の少なくなるのは早くなります。

これはエネルギーの貯蓄効率だけ考えても解決できない問題です。

コンデンサの容量を大きくするしかないでしょう。

この回答へのお礼

御回答して頂き有難うございます。
これからいろいろと検討してみます。
また何かありましたら、宜しくお願いします。

お礼日時：2002/01/25 09:46