| □ R02年09月期 A-16 Code:[HG0205] : 整流回路＋平滑回路で無負荷時のダイオードの逆耐電圧を計算 |
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いろいろな整流回路がありますが、今回（R02年9月期）初めてと思われる出題は、単相の半端整流を2回路組合せた全波整流回路です。考え方は従来出題された半波整流回路と変わりませんが、逆電圧は倍になるので、要注意です。［１］交流電圧の表示の仕方まずはじめに、交流電圧の表記の仕方を復習しましょう。電源を扱っている問題は、特に断りがない限り、一時側の入力波形は正弦波です。 | |
 Fig.HG0205_a 半波整流回路と各部の電圧 |
まずはFig.HG0205_aの左下を見て下さい。 ・最大値…これは単純に正弦波の（片側の）「山の高さ」の電圧を示します。つまり、基準電位（通常GND）からピークまでの電圧です。 ・実効値…これは、「その値の直流電圧を抵抗負荷に接続した場合と、消費する電力が同じ交流電圧」です。分かりにくいですが、直流100 [V]と交流（実効値）100 [V]の電源を持ってきて、同じ抵抗に接続すると、発生する熱量が同じ、という意味です。 |
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この他にも、交流の電圧を表す値として、平均値がありますが、この問題では使わないので省略します。 正弦波交流では、普通その値を実効値で表記します。また、最大値Vpと実効値Vrにはよく知られた次の関係があります。 Vr＝Vp/√2 （又はVp＝√2Vr） …(1) つまり、正弦波では、実効値の√2倍が最大値、というわけです。この関係は電源や交流回路の問題のみならず、AMの変調度と電力、給電線に通せる最大電力の問題などにも出てきますので、覚えておきましょう。 早い話が、我々が普段使っている100 [V]の交流と単純に言っても、山と谷では280 [V]近い差がある、ということなのです。 ［２］無負荷の平滑出力は最大値では、無負荷の時、単相半波整流回路の出力電圧はどうなるでしょうか。Fig.HG0205_aの右上を見て下さい。平滑用のコンデンサは、整流後の脈流電圧がピーク（＝最大値）になるまで充電され、負荷がなければその電圧を保ち続けます。つまり、平滑出力電圧は交流電圧の最大値と同じです。 ［３］ダイオードにかかる逆電圧（半波整流の場合）Fig.HG0205_aに示す単相半波整流回路の場合の、ダイオードにかかる逆電圧を調べてみます。まず、基準電位はこの図の左上の回路図で、出力の下側の端子に取ります。また、入力交流の実効値をＶiとします。ダイオードのカソード側の電位は上で見たように、＋√2Ｖiでほぼ一定の電位です。アノード側は交流電源に繋がっているので、時間的に変化しますが、最もマイナス側に振れる瞬間で、−√2Ｖiです。ダイオードにかかる逆電圧は、カソード電位−アノード電位で、これをグラフにしたのが、Fig.HG0205_aの右下のグラフです。 これを見ると、逆電圧の最小は交流電圧のプラス側の最大時でゼロ。最大は交流電圧のマイナス側の最大時で、2√2Ｖiとなります。 ［４］ダイオードにかかる逆電圧（全波整流の場合）今度は、Fig.HG0205_b左上のようなブリッジダイオードを用いた単相全波整流回路の場合について、同様にダイオードにかかる逆電圧を考えてみます。 | |
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まず、この図で、ブリッジの右上のダイオードをD1、その対辺のダイオードをD2とします。入力電圧は半波整流の時と同様に実効値Vi [V]（最大値Vmax [V]）の正弦波だとすると、無負荷時の平滑出力はこの図の右上のようになり、Vmax [V]の（ほぼ）直流です。ここまでは、半波整流の設定と何も変わっていません。 ここで、入力電圧が負の側に振れている半周期（この図左下の入力電圧が青の部分）について考えてみます。この時は、逆方向の電圧がかかるダイオードはD1とD2です。（緑の点線で示されたダイオード2本は、順方向バイアスがかかるため、ここでの考察の対象外です。） |
 Fig.HG0205_b 全波整流回路と各部の電圧 |
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つまり、D1とD2の2本で、最大2Vmax（＝2√2Vi） [V]の電圧を受け止めているわけです。通常、ブリッジダイオードを構成する各ダイオードは特性が揃ったものですから、これら2本のダイオードで逆電圧を等分に分担している、と考えるのが自然です。 従って、D1では、最大でVmax（＝√2Vi） [V]の逆電圧がかかることになります。 それでは、解答に移ります。 この問題の回路は、Fig.HG0205_aの半波整流回路が2回路組み合わさった形になっています。二次側の基準電位（トランスの中点）に対して、上側のダイオードがON（下側がOFF）になる半周期と、下側のダイオードがON（上側がOFF）になる半周期で、結果的に整流出力は全波整流と同じ形になります。 今、上側のダイオードがONで、二次側電圧が最大値になった瞬間を考えます。無負荷ですから、平滑コンデンサには基準電位に対して100×√2≒141 [V]が掛かります。同時に、下側のダイオードのアノード側は基準電位に対して、約-141 [V]が掛かりますから、下側のダイオードの両端には、約282 [V]が掛かります。 逆のケース（下側のダイオードがONで最大値になった瞬間）も全く同様に、上側のダイオードの逆方向電圧は約282 [V]となります。 というわけで、４が正解と分かります。 | |
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