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■問題 馬場 清太郎 Seitaro Baba 図1 の回路は,商用トランス(T 1)を使用した全波整流回路です.T 1 は,定格が100V:24V/3A,巻き線比が「N 1:N 2 =100:25. 7」,巻き線抵抗が一次3. 16Ω,二次0. 24Ωです.この場合,入力周波数(fs)が50Hz,入力電圧(Vin)が100Vrmsで,出力直流電圧(Vout)が約30Vのとき,一次側入力電流(Iin)は次の(A)~(D)のうちどれでしょうか? 図1 全波整流回路 商用トランスを使用した全波整流回路. (A) 約0. 6Arms,(B) 約0. 8Arms,(C) 約1. 0Arms,(D) 約1. 2Arms ■ヒント 出力直流電流(Iout)は,一次側から供給されます.平滑コンデンサ(C 1)に流れるリプル電流(Ir)も一次側から供給されます.解答のポイントは,リプル電流をどの程度見込むかと言うことになります. (C) 約1. 0Arms トランス二次側出力電流(I 2)は,C 1 に流れるリプル電流(Ir)と出力電流(Iout)のベクトル和で表され下記の式1となります. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(1) また,Irは,近似的に式2で表されます. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(2) 式1と式2に数値を代入すると「Vout≒30V」から「Iout≒2A」,「Ir≒3. 63A」となって,「I 2 ≒4. 全波整流回路. 14A」となります.IinとI 2 の比は,式3のように巻き線比に反比例することから, ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(3) Iin≒1. 06Aとなり,回答は(C)となります. ■解説 ●整流回路は非線形回路 一般に電子回路は,直流電源で動作するため,100Vから200Vの商用交流電源を降圧・整流して直流電源に変換することが必要になってきます.最近ではこの用途にスイッチング電源(AC-DCコンバータ)を使用することがほとんどですが,ここでは,以前よく使われていた商用トランスの全波整流回路を紹介します. 整流回路の特徴で注意すべき点は,非線形回路であると言うことです.一般的に非線形回路は代数式で電圧・電流を求めることができず,実測もしくはシミュレーションで求めます.式2は,特定の条件で成立する近似式です.シミュレーションで正確な電圧・電流を求めるために必要なことは,部品のある程度正確なモデリングです.トランスの正確なモデリングは非常に難しいのですが,ここでは手元にあった 写真1 のトランスを 図2 のようにモデリングしました.インダクタンスは,LCRメータ(1kHz)で測定した値を10倍しました.これはトランスの鉄芯は磁束密度により透磁率が大幅に変化するのを考慮したためです.
写真1 使用した商用トランス 図2 トランス内部定数 シミュレーションで正確な電圧・電流を求めるためには部品の正確なモデリングが重要. ●LTspiceで確認する全波整流回路の動作 図3 は, 図1 をシミュレーションする回路図です.トランスは 図2 の値を入れ,整流ダイオードはLTspiceにモデルがあったローム製「RBR5L60A(60V・5A)」としました. 図3 図1のシミュレーション回路図 電圧と電流のシミュレーション結果を 図4 に示します.シミュレーションは[Transient]で行い,電源投入100秒後から40msの値を取っています.定常状態ではトランス一次側に直流電流(Average)は流れませんが,結果からは0. 3%以下の直流分があります.データ取得までの時間を長くするとシミュレーション時間が長くなるので,誤差も1%以下であることからこのようにしています. 図4 電圧と電流のミュレーション結果 ミュレーション結果は,次のようになりました. ◎ Vout= 30. 726V ◎ Pout= 62. 939W ◎ Iout= 2. 0484A ◎ Vr = 2. 967Vp-p ◎ Ir = 3. 2907Arms ◎ I 2 = 3. 8692Arms ◎ Iin = 0. 99082Arms Iinは,概算の1. 06Armsに対し,0. 99Armsと少し小さくなりましたが,近似式は十分な精度を持っていることが分かりました. 交流電力には,有効電力(W)や無効電力(var),皮相電力(VA)があります.シミュレーションで瞬時電力を求めた結果は 図5 になりました. 全波整流に関して - 全波整流は図のような回路ですが、電流が矢印の... - Yahoo!知恵袋. 図5 瞬時電力のシミュレーション結果 シミュレーション結果は,次のようになりました. ◎ 有効電力:71. 422W ◎ 無効電力:68. 674var ◎ 皮相電力:99. 082VA ◎ 力 率:0. 721 ◎ 効 率:88. 12% ◎ 内部損失:8. 483W 整流ダイオードに低損失のショットキ・バリア・ダイオードを使用したにもかかわらず効率が90%以下になっています.現在では,効率90%以上なので小型・高効率のスイッチング電源の使用がほとんどになっている事情が分かります. ●整流回路は交流定格電流に対し直流出力電流を半分程度で使用する コンデンサ入力の整流回路を実際に製作する場合には,トランス二次電流(I 2)が定格の3Armsを超えて3.
2V のときには出力電圧が 0Vより大きくなり電流が流れ出すことが分かる。 出力電圧波形 上記で導き出した関係をグラフにすると、次のようになる。 言葉にすると、 電源電圧が+/-に関わらず、出力電圧は+電圧 出力電圧は|電源電圧|-1. 2V |電源電圧|<=1. 2V のときは、出力電圧=0V これが全波整流回路の動作原理である。 AC100V、AC200Vを全波整流したとき 上で見たように、出力電圧は|電源電圧|-1. 2V で、|電源電圧|<=1. 【電気電子回路】全波整流回路(ダイオードブリッジ回路)が交流を直流に変換する仕組み・動作原理 - ふくラボ電気工事士. 2V のときは出力電圧=0V。 この出力電圧が 0V は、電源電圧が 10V程度では非常に気になる存在である。 しかし、AC100V(実効値で 100V)、つまり瞬時値の最大電圧 144V(=100×√2) の場合は 1. 2V は最大電圧の 1%程度に相当し、ほとんど気にならなくなる。ましてや AC200V では、グラフを書いてもほとんど見えない。 (注)144V の逆電圧に耐える整流タイプのダイオードだと順方向電圧は 1V程度になるので、出力 0V になるのは |電源電圧|< 2V。 というわけで、電源電圧が高くなると、出力電圧は|電源電圧|に等しいと考えてもほぼ間違いはない。 まとめ 全波整流回路の動作は、次の原理に従う。 ダイオードに電流が流れるときの大原則 は 順方向電圧降下 V F (0. 6Vの電位差)が生じる その結果、 電源電圧と出力電圧の関係 は次のようにまとめられる。 出力電圧は|電源電圧|-(V F ×2) [V] |電源電圧|<=(V F ×2) のときは、出力電圧=0V 関連記事 ・ ダイオードの回路を理解・設計する最重要ポイントは電位差0. 6V ・ クランプ回路はダイオードを利用して過電圧や静電気からArduinoを守る
~電子と正孔について ◎ダイオードの動作原理 ◎理想ダイオードの特性とダイオードの近似回路 ◎ダイオードのクリッピング作用 ~ダイオードで波形をカットする ◎ダイオードと並列に繋がれた回路の考え方 ◎トランジスタの動作原理 ◎バイポーラトランジスタとユニポーラトランジスタの違い ◎トランジスタの増幅作用 ◎ダイオードとトランジスタの関係
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