学生時代物理を専攻したのに基礎も理解してないと悲しい思いをしています.

交流をダイオード等で半波整流すると脈流?という上半分のサイン波が得られます.この波は当然直流成分を含むためこれをきれいな直流エネルギーに変換するためローパスフィルタを含む回路的な工夫が多く考案されています。

この時変換効率が重要ですが
直流以外のスペクトル成分が線形回路でエネルギー変換できるとも思えません。いったいどういう原理で半波整流された交流成分またはその高調波成分が直流に変換していくのでしょうか?
お答え頂ければ幸せです。

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A 回答 (5件)

波の面白い現象です。



船が走っている際、水面に波が出ますね。 その船の先頭に何か別な物を付けて現在発生している波と逆位相の波が発生する装置を付けた場合、エネルギーはどうなるでしょうか? わざわざ別な波を作る装置を取り付ける訳ですからその装置自体は水の抵抗を受けます。よって船自体の抵抗とあわせて2倍のエネルギーが消費されるとも考えられますよね。 しかし正解はお互いの波が打ち消しあって波が消えます(小さくなります)。波が出ないと言う事は波を発生するエネルギーを消費しなくなります。スクリューで発生した推進エネルギーは全て船を進める力になり燃料効率がアップします。大型船の先端の船底に付いている半円球の装置が波を打ち消す為の装置です。

電気回路でも同じで、高調波を通さなければ高調波のエネルギーは消費されません。yyz1974さんの頭の中で想像されている半波整流後の波形はあくまでも電圧波形であって電流波形ではありません。 電流波形はもっと流通角の狭い尖った波形です。ご存知の通り電力は電圧*電流*CosΘです。交流成分(高調波成分)に対する回路には大きな電解コンデンサーが接続されている訳ですからその電解コンデンサーに電流(交流電流)が流れたとしてもコンデンサーの性質から電圧に対する電流の位相が90度(近く)ずれているわけですからその電解コンデンサーでの消費電力は理想回路ではゼロとなります。
高調波成分は消費されるのではなく消費されないと考えるべきではないでしょうか?
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この回答へのお礼

実に分かりやすいたとえ話を用いてご説明いただきありがとうございました。逆相の波を強制的に発生させて結果とtして推進効率を向上させる話は非常に示唆的に受け取りました.私も手抜きせずもう少し手と頭を使ってきちんと計算して定量的な考察をしてみたいと思います。今後ともご指導お願いいたします。

お礼日時:2001/07/04 23:39

交直変換のメカニズムと変換効率の話を分離しましょう。


交直変換の際には2つの理解の仕方があります。
1)フーリエ級数的に考え、交流分がフィルタで消えてしまうという理解。
2)図形学的に考え、コンデンサが電気を蓄えたり、放出したりするという理解

実はどちらも間違っていません。少なくとも矛盾はないのです。どちらを信じようと、現実に、交流が直流に変換して使われています。

最後に変換効率の問題です。フーリエ級数で判るとおり、交流分を捨てれば、変換効率が落ちるのは当たり前です。ただ気になるのはロスがどこに消えたのかという事です。
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単なる交直変換回路(ダイオードと平滑コンデンサーだけの全波整流回路)ではf(t)=2H/πです。



一般的な交直変換回路では変換ロスは熱エネルギーに変換されている訳ですから熱が発生する部品を考えて見ましょう。
低電圧に変換するのであればトランス、ダイオード、平滑コンデンサー、スイッチング方式であれば制御用トランジスター、駆動回路等があります。

トランスには一次・二次巻線抵抗(銅損)と磁気回路のヒステリシス損失(鉄損)があります。
ダイオードには順方向電圧降下による損失とスイッチングによる損失。
一般の平滑電解コンデンサーには等価直流抵抗による損失があります。

これらの損失を全く無視し、単なる高調波成分のフィルタリングだけだと損失は発生しません。(Sin wtを0から2πで積分すると結果はゼロになりますよね。)
但し、実際の回路の例では直流抵抗成分によりロスが発生します。

言うまでもなく、変換効率とは出力電力/入力電力を%表示したものですが、他に交流回路の電圧・電流位相差による損失があります。

エネルギー損失を考える場合は、高調波成分を考えるのでは無く、他の損失を考えるべきと考えます。
(高調波成分が磁気回路やダイオード、コンデンサーに与える影響は考慮すべきです。)

この回答への補足

大変現実的な問題として教えて頂いたと感謝します。しかし理想的な無損失回路でエネルギー収支をやはり理解しておきたいと思っています。

高調波成分の持つエネルギーは要するに直流エネルギーに変換する事は工夫せず現実の損失を含む回路で自然に消えていくという理解でよろしいのでしょうか。理解が悪くてスミマセン。

補足日時:2001/07/03 00:29
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フーリエ級数展開を学んでおられれば比較的簡単なのですが、、、。



結論から言うと半波整流回路の出力(平滑回路を含んでいないもの)は
0≦t≦T/2 では f(t)=H Sin wt
T/2 ≦t≦ T では f(t)=0
これをフーリエ級数展開すると、
f(t)=H/2 Sin wt + H/π - 2H/π(1/3Cos 2wt + 1/15Cos 4wt + 1/35Cos 6wt + ・・・・)
となります。

これをpoleが十分低いLPFを通しますと交流成分が減衰されて直流成分の H/π が残ります。

これが、半波整流回路+平滑回路で直流が取り出せる原理です。

理想的なLPFで交流成分をフィルタリングすると言う事はそこで交流エネルギーを消費する訳ではありませんからご質問の「線形回路でエネルギー変換できるとも思えません。」と言うのは正解です。交流エネルギーを変換しているのでは無く交流エネルギーを通過させない様にしているだけです。

例えば、サイン波を0≦2πで積分すると結果はゼロになり、電流は流れているのだけどエネルギーは消費しないと言う現象が発生します。(実際にはその回路に存在する抵抗成分でエネルギーが消費されますが、、、。)

ちょっと専門的な回答になってしまいました。

この回答への補足

早速のご回答ありがとうございます。ご説明によれば単に
直流成分を取り出しているに過ぎないという事ですね。その場合理論効率はどれぐらい得られるのでしょうか。

95%くらいのDC電源が市販されていると聞きましたが、それでも大電力を使う装置では省エネ時代にはもったいない話ですね.やっぱり交流成分は捨てているのか気にかかります。さらにコメント頂ければ幸せです。

追伸 フーリエ級数展開の意味は完全に理解しています。

補足日時:2001/06/30 22:27
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ACアタブタを分解すると、大容量の電解コンデンサが出力端子と並列に入っています。


脈流の電圧がかかった部分で充電され、電圧の無い部分ではコンデンサの電圧が出ます。
負荷に対してコンデンサの容量が十分で有れば波形は直流に近ずきます。
50V、4000μFのコンデンサに電圧を加えた後ショートさせると派手に火花が飛び散ります。
エネルギーは十分です。

もう少し上等のACアタブタを分解すると電解コンデンサに加えて3端子レギュレーターが入っています。
入力電圧がいくらでも(もちろん、入力>出力)出力電圧は一定に保たれる定電圧素子です。
例えば5V用3端子レギュレータは入力に出力より充分大きな電圧(8~16V)を与えて、出力から+5Vを取り出します。
入力電圧が出力電圧よりかなり大きいため負荷による電圧変動が無視出来ます。
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Aベストアンサー

半端整流の特徴、活用例:
電球、ヒーター等の出力切り替えが身近な器具内に実装されています。
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Q半波整流回路について

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傾きが違うのですが、これには時定数が絡んでいるのは分かりますが、式に表せないのです。なるべく詳しく解説して欲しいです。お願いします。

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。

(2)立ち下がりの1/4サイクルが、ここでの考察の主眼となります。
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(そのようになる時刻tを求める方程式は解析的に解けません。出すとすれば数値的に解くことになります)
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それがあまりに早く点滅しているが故に点灯しているように見えるのでしょうか?

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>仮にランプをつないだ場合、一秒間に120回点滅しているのでしょうか?
>それがあまりに早く点滅しているが故に点灯しているように見えるのでしょうか?

 蛍光灯やLEDの場合は、その通りです。
 電球の場合は、フィラメントに電流が流れて高温になる事で発光しており、電流が少なくなってからフィラメントの温度が下がるまでには、僅かながら時間が掛かるため、毎秒100~120回もの電流の変動には追従出来ず、殆ど同じ明るさで光り続けています。
 尚、複数のダイオードとコンデンサーという素子を組合せた回路を使えば、交流を直流に変換する事が出来ますから、コンセントを電源として、LED等には直流を流す事で、連続して光らせる事も出来ますが、メリットが少ないため、大抵の照明器具では行われていません。(超高速でON・OFFを繰り返す事で、チラツキを感じさせなくさせる、インバーター式の照明器具はあります)
 電子レンジはマグネトロンという真空管の一種から発生させたマイクロ波を使って、食品に含まれている水分を加熱しています。
 真空管の多くは直流しか流す事が出来ません。
 それはマグネトロンも同じですから、電子レンジでは交流を直流に変換してから、マグネトロンに電力を供給する様になっています。
 ですから、電子レンジは点滅はしていないのではないかと思います。
 尚、交流は+100Vの電圧が、一瞬で0Vになってから、次の瞬間に-100Vになる訳ではありません。
 日本のコンセントに供給されている100V単相交流の場合、最高電圧+141Vから始まって、滑らかに電圧が下がって行き、途中で0Vの所を通り過ぎてマイナスになり、電圧が最低の-141Vまでなってから上昇に転じ、再度0Vの所を通り過ぎてプラスになり、+141Vに戻る、という事が繰り返されていて、平均すると100Vになっています。
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 ブラシレスモーターの場合も、慣性の働きがあるため、電圧が瞬間的に0Vになっても、急停止する事はなく、そのまま回り続けます。

>仮にランプをつないだ場合、一秒間に120回点滅しているのでしょうか?
>それがあまりに早く点滅しているが故に点灯しているように見えるのでしょうか?

 蛍光灯やLEDの場合は、その通りです。
 電球の場合は、フィラメントに電流が流れて高温になる事で発光しており、電流が少なくなってからフィラメントの温度が下がるまでには、僅かながら時間が掛かるため、毎秒100~120回もの電流の変動には追従出来ず、殆ど同じ明るさで光り続けています。
 尚、複数のダイオードとコンデンサーという素子を組合せ...続きを読む

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降圧DCDCコンバータの同期整流と非同期整流の違いが分かりません。
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よろしくお願い致します。

Aベストアンサー

違いは,
> 同期整流
パワーMOSFET(アクティブなスイッチング素子)を使用した整流回路

> 非同期整流
「非同期整流」とは一般に言わず,「ダイオード整流」と言っている.
ダイオード(パッシブなスイッチング素子)を使用した整流回路

です.

> 同期整流のメリット
ダイオードよりも電流を流すときの電圧降下が低いので高効率
ただし,MOSFETはオンさせると電流を双方向に流すことが可能で,
電流が流れていないときにオンさせると,出力のコンデンサから
電流が逆流するので要注意
また,MOSFETのオン抵抗が高くなる百数十V以上では,効率は悪化

> ダイオード整流のメリット
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また,同期整流の軽負荷では,ゲートドライブの損失が大きく,
ダイオード整流のほうが効率はよい.

この本の第13章(p.221~)に説明があります.
http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/42/42051.htm

違いは,
> 同期整流
パワーMOSFET(アクティブなスイッチング素子)を使用した整流回路

> 非同期整流
「非同期整流」とは一般に言わず,「ダイオード整流」と言っている.
ダイオード(パッシブなスイッチング素子)を使用した整流回路

です.

> 同期整流のメリット
ダイオードよりも電流を流すときの電圧降下が低いので高効率
ただし,MOSFETはオンさせると電流を双方向に流すことが可能で,
電流が流れていないときにオンさせると,出力のコンデンサから
電流が逆流するので要注意
また,MOS...続きを読む

Q3相交流を全波整流すると電流値はどうなる?

3相交流をサイリスタで電力制御して、全波整流している回路を持つ、ヒーターがあります。
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かな?と想像しているのですが、本当のところ(理論的には)はどうなのでしょうか?

また、このような問題を調べるにはどういった本を当たれば良いでしょうか?電気について素人なのでよろしくお願いいたします。

Aベストアンサー

まず最初に
このような正弦波でない交流電流や交流電圧を測定したときには、測定に使った計器がどのタイプかによって測定値が変わってきます。(だもんで,交流電流→直流電流の換算も変わってくる)
(直流電流も、断続したりリプルが含まれているときには、少々問題がある(電流計や電圧計の読みから単純に 電圧*電流 で計算した消費電力と、実際の消費電力に違いが出てくる)のですが、こちらはひとまず置いておきます)

多分、使われている交流電流計は「整流器型」だと思いますし、直流電流計は通常の「可動コイル型(デジタルだと平均値型)」だと思いますので、これを前提にさせていただきます。

負荷を流れている電流は、一周期の間に、 U-V,U-W,V-W,V-U,W-U,W-V,,と三相の各相を流れます。これを見ると、6こある組み合わせのうち、UVWそれぞれ、+側で2回、-側で2回、合計4回流れます。

従って、交流には、直流電流の2/3 の電流がパルス的に流れていることになります。
このパルス電流を整流型(平均値型)の交流電流計で測ると、メータは直流電流の2/3を示します。
ところが、通常の交流電流計では、正弦波を測定したときに実効値を表示するように換算(π/2√2倍)した目盛りが振ってあります。
このため、指示値は 直流電流の2/3* π/2√2=π/3√2 になります。

ということから、直流電流(平均値)は交流電流計指示値の
3√2/π になるかと。

交流電流計が実効値型の場合や計算した直流電流から発熱量を出したい場合には、もう少し違った換算が必要になるかと思います。

このあたりを調べるには、「電力制御」「パワーエレクトロニクス」関連の書籍で、回路の動作を、「電気計測」の書籍で電流系や電圧計がどのような指示をするか を調べることになるかと思います。

まず最初に
このような正弦波でない交流電流や交流電圧を測定したときには、測定に使った計器がどのタイプかによって測定値が変わってきます。(だもんで,交流電流→直流電流の換算も変わってくる)
(直流電流も、断続したりリプルが含まれているときには、少々問題がある(電流計や電圧計の読みから単純に 電圧*電流 で計算した消費電力と、実際の消費電力に違いが出てくる)のですが、こちらはひとまず置いておきます)

多分、使われている交流電流計は「整流器型」だと思いますし、直流電流計は通常の「可...続きを読む


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