質問

半波整流回路において、出力側に接続する電解コンデンサの容量の
違いによりリップル電圧の大きさに差が出るのはなぜですか?

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回答 (1件)

回路の出力側には抵抗のような電圧と電流が比例する負荷がつながっているとしましょう。
整流の目的は電圧(電流)の方向と大きさが周期的に変化している交流電源から
負荷電流に関わりなく一定の電圧が得られる安定した直流電圧を供給するためのものです。

しかし半波整流回路は(全波整流も同じですが)は電圧(電流)の方向は一定にしますが、
電圧までは安定化できません。整流回路を通しただけの電圧波形は交流電圧のプラス側だけ
(全波整流なら絶対値)をとった形をしています。

これを一定の電圧にするため出力側にコンデンサーをつなぎます。
理想的なコンデンサーであれば入力電圧が上昇する時はピーク電圧まで充電され、
その後入力電圧がピーク電圧より下回っている間はピーク電圧を保持しています。
従って理想的なコンデンサーを出力側につないだ整流回路に負荷電流を流さなければ
出力電圧は入力側交流電圧のピーク電圧のままで一定になっているはずです。
すなわち直流電源の出来上がりです。

しかし実際は負荷電流を流さなければ電源の意味はありません。整流回路からの出力電圧が
下がっている間はコンデンサーが蓄えた電荷を放電することで負荷側に電流を供給します。
つまりコンデンサーが電圧源となる訳です。
コンデンサーの容量が無限大であればいくら負荷電流を流しても(電荷を放電しても)
電圧が下がることはありません。
しかし現実には電荷を放出すればコンデンサーの電圧も下がります。この電圧が下がる早さは
コンデンサーの容量が小さいほど早くなります。容量が小さければ、蓄えられる電荷が少ない
のですから、同じ電流を流していれば(時間あたり同じ電荷量を放電していれば)早く
なくなってしまうのは当然ですね。

そして下がっていったコンデンサーの端子電圧と再び上昇してきた整流回路からの出力電圧が
等しくなったところで再びコンデンサーは充電されピーク電圧まで上昇します。
つまり負荷側から見れば
ピーク電圧→コンデンサーの放電曲線に沿った電圧低下→整流回路出力とコンデンサー
端子電圧が同電圧になる点→ピーク電圧
と言う電圧変動を繰り返しているように見える訳です。これがこの電圧変動がいわゆるリップル電圧
です。
そして先に書いたように負荷電流が同じならコンデンサーの容量が小さいほど端子電圧は
下がりやすくなります。
つまり一般的にはコンデンサーの容量が小さいほどリップル電圧は大きくなります。

リップル電圧を小さくしたいのなら単純にコンデンサーの容量を大きくすれば良いのですが
(1)容量の大きいコンデンサーは外形も大きくなる。
(2)容量の大きいコンデンサーを使うと整流回路出力からのピーク電流が大きくなりので
同じ負荷電流でも容量の小さいコンデンサーを使った時より大きな容量を持つダイオードやトランス
を使わなければならない。
などの理由があるので無闇にコンデンサーの容量を大きくすれば良いと言うものではありません。

なお電源には一定の負荷がつながることなどまずなく、負荷電流も絶えず変動しているため
安定な直流電源を作るためには整流回路にコンデンサーをつないだだけでは不十分なので
実際の直流電源ではトランジスターなどを使ってもっと精密に出力電圧を制御しています。
もちろんリップル電圧も極力小さくなるように制御されています。

この回答へのお礼

わかりやすい説明たいへんありがとうございました。
おかげでよく理解できました。

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