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?

A 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。
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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。

お礼日時:2001/05/27 21:32

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Aベストアンサー

オシロスコープの画面を見ましたが、リーズナブルな結果だと思います。
おそらくは半波整流回路のあとに、コンデンサ入力型の平滑回路を入れておいでのことと思います(下図、等幅フォントでご覧ください)。以下はその前提でのお話です。

交流
入力
→ ダイオード
 ━━>┃━┳━出力 ←━┓
      ━      <
 コンデンサ━      <負荷抵抗R
 ━━━━━┻━   ←━┛

(1)まず、ダイオード出力の立ち上がりの1/4サイクルですが、この間はコンデンサがチャージされます。交流入力の内部抵抗を≒0とすれば、出力には入力電圧そのままの波形、すなわち正弦波(の一部)が出ます。

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(4)再びダイオードの出力電圧が上昇する1/4サイクルとなって、その時にコンデンサに残っている電圧を超えると(1)に戻ります。

説明は以上に留めますのでこの先はご自分で勉強して/考えてみて下さい。負荷の抵抗値を変えた場合のスカート特性の違いも上記からほとんど自明なことです。
もしレポート課題などでなく具体的に何かお困りでこの質問をされたということであれば、もう少し詳しく説明しますから補足にその旨ご記入下さい。

オシロスコープの画面を見ましたが、リーズナブルな結果だと思います。
おそらくは半波整流回路のあとに、コンデンサ入力型の平滑回路を入れておいでのことと思います(下図、等幅フォントでご覧ください)。以下はその前提でのお話です。

交流
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→ ダイオード
 ━━>┃━┳━出力 ←━┓
      ━      <
 コンデンサ━      <負荷抵抗R
 ━━━━━┻━   ←━┛

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1秒間タイマーはここが参考になるでしょう.
http://www.hobby-elec.org/ckt4.htm

目的がわかりませんが,IEC(国際電気標準会議)の高調波規格IEC61000-3-2では,半波整流機器は全面的に使用禁止となっています.
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Aベストアンサー

たぶん、基本的な勘違いをされて居られます。

>交流電源、シリコンダイオードだけで構成される単相半波整流回路で保護抵抗が必要ない

について、

(この世に存在しえる、いかなる)交流電源、シリコンダイオードだけで構成される単相半波整流回路で保護抵抗が必要ない。なんてことは有得ません。

それは
(コレコレの機材の組み合わせ&使用条件に限定して言えば)交流電源、シリコンダイオードだけで構成される単相半波整流回路で保護抵抗が必要ない
でしかないはずです。

たぶん、eques130さんが、別に書かなくても良いだろうと思って省略した
もしくは確認する必要があるとは思わなかったので確認しなかった
前提条件が重要です。

機器の説明文にせよ、レポート課題の出題文にせよ
文章で省略しても大意は変わらない部分と、省略するとダメな部分があります
ただ、
省略するとダメな重要ポイントが適切に判断できる=理由が解っている。
と言って良いので仕方の無い面もあります。

例えば、
(この)トランスの短絡時最大電流、半波通過時の(この)トランスおよび(この)シリコンダイオードの許容損失の条件が一定の条件を満たしているので、保護抵抗が必要ない。
ということかも知れません。

たぶん、基本的な勘違いをされて居られます。

>交流電源、シリコンダイオードだけで構成される単相半波整流回路で保護抵抗が必要ない

について、

(この世に存在しえる、いかなる)交流電源、シリコンダイオードだけで構成される単相半波整流回路で保護抵抗が必要ない。なんてことは有得ません。

それは
(コレコレの機材の組み合わせ&使用条件に限定して言えば)交流電源、シリコンダイオードだけで構成される単相半波整流回路で保護抵抗が必要ない
でしかないはずです。

たぶん、eques130さんが、...続きを読む

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バイパスコンデンサのインピーダンスを無視し、簡略化したトランジスタ等価回路で考えていいのなら、ここ(http://www.omega-denshi.com/text/ampcircuit.pdf)の4ページに入力インピーダンス、5ページに出力インピーダンスの式が出ています。

バイパスコンデンサのインピーダンスを無視しない場合は、過去の質問(http://sanwa.okwave.jp/qa2982241.html)の回答ANo.3に計算方法が書かれています。

ANo.3で考えている交流増幅回路は、ご質問の回路の v2 のところに、負荷抵抗 RL を加えたものです。その場合のトランジスタの交流等価回路は、ANo.3の図1のようになりますが、hパラメータのうち hre と hoe が非常に小さくて、これが無視できる場合の等価回路が図2になります。ご質問の交流増幅回路全体の交流等価回路を、図2の等価回路を使って表したのが図3です。図3の回路から、各素子に流れる電流と電圧の関係が求められます(ANo.3の最初のほうの8個の式)。それを連立方程式として i0, i1, i2, i3, v1, v2, v2, v4 について解いたとき、入力インピーダンス Zin と出力インピーダンス Zout の周波数依存は
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バイパスコンデンサのインピーダンスを無視し、簡略化したトランジスタ等価回路で考えていいのなら、ここ(http://www.omega-denshi.com/text/ampcircuit.pdf)の4ページに入力インピーダンス、5ページに出力インピーダンスの式が出ています。

バイパスコンデンサのインピーダンスを無視しない場合は、過去の質問(http://sanwa.okwave.jp/qa2982241.html)の回答ANo.3に計算方法が書かれています。

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                 ↓
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  cos(x) ≒ 1 - (1/2)*x^2
  e^(ax) ≒ 1 + ax + (1/2)*(ax)^2
を使用。

・低リップルに見合う時定数なら、導通がオフになるのは整流波形のピーク時とみなせる。
・次に導通オンとなるタイミングの近似値 xa は、二次方程式:
  Ax^2 + Bx + C = 0,  : A = (1+a^2)/2, B = a(2πa-1), C = 2a(πa-1)
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・xa が「導通角」。
・(規準化した)リップル幅は
  1 - cos(xa)
 に近似。

スプレッドシート(EXCEL など)で簡単にグラフを描けます。
(二次)近似誤差の感じもつかめますよ。
  

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