コッククロフト回路に用いる交流の波形

短形波か、正弦波かというところなのですが、
オシログラフによると短形波は電圧の変化が急激です。

トランスを通して昇圧する際、単位時間あたりの磁束変化率が大きくなり、出力電圧が異様に高くなるという事はありませんか？そうなるとコンデンサ、ダイオードの耐圧を超えてしまいます。


コッククロフト回路に用いる交流の波形は正弦波が無難だとは思いますが、他に何か適した波形はありますか。

No.1 回答者： foobar 回答日時： 2009/04/06 08:52

「オシログラフによると短形波は電圧の変化が急激です。

トランスを通して昇圧する際、単位時間あたりの磁束変化率が大きくなり、出力電圧が異様に高くなる」
ということはありません。
電圧と磁束の変化率が対応しているので、一次の電圧波形と二次の電圧波形は相似になります。（細かいことを言うと、一次や二次のインピーダンスの降下分差が出たりしますが。）

この回答へのお礼

なるほど、確かにそうですね。ありがとうございます。

お礼日時：2009/04/06 22:40

No.2 回答者： tance 回答日時： 2009/04/06 12:34

#1 foobarさんのおっしゃるとおり、矩形波だからと言って異常な高圧

が出るということを心配することはありません。むしろ、そんな高圧
が出るのならコッククロフトの段数も減らせてかえって都合が良いこと
になりますが、実際にはそんなウマイ話はありません。

それより、foobarさんのおっしゃるトランスのインピーダンスの問題
で矩形波が出しにくい状況がよく生じます。矩形波には低周波
成分が含まれるので、トランスには不向きな波形です。矩形波をきれいに
出そうとすると、低周波対応のトランスにしなくてはなりません。

低周波対応のトランスはサイズやコアの透磁率や飽和磁束密度などの
関係でどうしても高周波を通しにくいものになります。矩形波は
立ち上がり時には高周波動作となるので、これもトランスには苦手な
ところです。（つまり、高帯域のトランスは難しいのです）

スイッチングレギュレータなどはみんなトランスで矩形波を扱って
いますが、これは電圧が低いからできることです。高圧を出すという
ことは巻き線をたくさん巻くことになるので、寄生容量も増えて
共振周波数が下がります。

結局、高圧を出すトランスは正弦波用が作りやすい、ということに
なります。もちろん、上記は極限を狙った場合の話です。仕様に
余裕があれば、矩形波の方が、コッククロフト出力は奇麗な波形に
なります。

この回答への補足

また、正弦波では短形波よりもPP（peak to peak）電圧が高くなるため、
コンデンサ、ダイオードの耐圧面に問題が生じやすいと考えています。

現在、国内で製造されているコンデンサの最高耐圧は8kVらしく、
それに合わせてトランスの二次電圧を調整する形になります。
ダイオードは15kVの品を入手しました。

短形波だと、実効値がそのままピーク電圧となるため、実効値6～7KVの電圧をそのまま使えて、
実効値よりもピーク電圧が高く高耐圧を必要とする正弦波よりも都合が良いと考えたのですが…


あまり詳しくないので、インピーダンスとか寄生容量とかはわかりません…

補足日時：2009/04/06 23:06

この回答へのお礼

参考になりました。詳しい説明ありがとうございます。

これを参考に、次の段階へ進みたいと思います。

お礼日時：2009/04/06 22:41

No.3 回答者： tance 回答日時： 2009/04/07 21:30

正弦波でも矩形波でもピーク電圧で充電されるし、耐圧もあくまで

ピーク電圧が関係します。実効値は関係ありません。（ピーク値が
同じ正弦波と矩形波では出力電圧は同じになります）
（充電完了までの時間などは異なります）

高耐圧のコンデンサは専用のもので良ければいくらでもありますよ。
秋葉原などでも探せば8kV以上のものもあるはずです。
ここを見てください。
http://www.comcraft.co.jp/products/eurofarad/fil …

インピーダンス云々というのは確かにややこしいですが、要は
矩形波は低周波成分から高周波成分まで広く含んでいる波形なので
トランスも広帯域でないと矩形波ではなくなってしまいます。

トランスを作るうえでは、巻き線などの浮遊容量により帯域が制限
されます。それを防ぐために巻き線を減らすと、今度は低周波が
犠牲になります。

つまり、低周波と高周波を両立させるトランスは設計が難しいのです。
オーディオ用とかパルストランスなどは芸術的とも言える設計が
なされています。（繰り返しますが、電圧が低ければ易しくなります）

この回答へのお礼

ありがとうございます。
短形波はピーク電圧イコール実効値になると思っていましたが、違うんですね。調べてみたらPeak to peakの間に電圧ゼロの時間が入るので、そこで低くなるようです。

秋葉原は先日行って探してみたのですが、
8kVが最大で、それを売っていたのは一店のみでした。
Wikiペディアを見てみると、通常の国内製品の規格としては8kVが最大のようです。

そちらのサイトで販売されている品は、全て輸入品で特殊用途扱いの品のようです。通常の販売ではないのでおそらく価格も結構高額になりそうですし…

8kVのコンデンサを、直列に二本、並列に二本繋げれば容量はそのままで耐圧が二倍にできそうですが、
コンデンサの直列接続は漏れ電流により降伏電圧がかかってしまい不具合が出る可能性があるそうです…

お礼日時：2009/04/07 22:16

No.4 回答者： tance 回答日時： 2009/04/08 08:39

tanceです。

実効値にこだわっておられるようですが、一種のピーク整流回路
ですから、実効値は全く無関係ですのでご確認ください。

高圧の部品は、そもそも需要が限られているので、どうしても特殊
部品として扱われます。秋葉原でも最近はジャンク屋が減ってきて
いるので手に入りにくくなっているのでしょうか。

コンデンサの直列接続は、おっしゃるとおり、漏れ電流のばらつきで
直流に関しては電圧のアンバランスが大きくなり、危険です。
GΩクラスの高抵抗を各コンデンサと並列にして、実質的な精度の良い
漏れ電流流して、電圧バランスをとるという手法が用いられることが
ありますが、抵抗自体も特殊ですし、できれば直列は避けたいですね。


を

この回答へのお礼

ありがとうございます。

秋葉原のジャンク屋を含め、電子部品を取り扱っていると思われる場所は網羅したつもりですが、確かにジャンク屋は少なくなってきています。そして、ジャンク屋にあったのは8kV未満でした。
コッククロフト数十段くらいは予定しているので、大量に入手しなければなりませんし。

コンデンサ直列は、並列に、十分な電流が流れる抵抗を挿入する事で安定させる事ができると言われますが、そんな事をしたら折角コンデンサに充電した電力が抵抗を通して失われてしまうので回路として本末転倒になるような気がします。
5GΩの抵抗で、5kVの場合は流れる電流は1マイクロアンペアとなり、無視できない数値ではないかもしれませんが…

お礼日時：2009/04/08 13:11

No.5 回答者： foobar 回答日時： 2009/04/08 08:58

矩形波をトランスで扱う部分に関して、、

矩形波をトランスで通そうとすると、いくつか問題が出てきます。
・矩形波ではエッジで急峻に電圧が変わります。このとき、巻き線の電圧分担は均一ではなくなって、巻き線の端部に電圧が集中します。結果、絶縁破壊を生じやすくなります。
・トランスの磁束（鉄心の磁束密度、断面積に関係します）は電圧の平均値（電圧の積分）に関連しています。矩形波と正弦波を比べると、同じ最大値でも矩形波の方が平均値が高く、より太い鉄心（または多い巻数）が必要になります。

というあたりを考えると、正弦波の方が扱いやすい、ということ二なるかと思います。

この回答へのお礼

ありがとうございます。

やや難しい話ですが、概ねは理解できました。参考にさせてもらいます。

お礼日時：2009/04/08 13:14

No.6 回答者： tance 回答日時： 2009/04/08 21:11

tanceです。

めっちゃくちゃ高価ですが、TDKが高耐圧のコンデンサを作っています。
http://www.tdk.co.jp/tefe02/e4e38_uhv_fhv.pdf
は15kVから50kVまであります。