4種類の整流回路、5種類のフィルタ回路

参考：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzA5ODE5NDM1Ng==&mid=2652179881&idx=1&sn=c1820070b985469c2eb3513bb3ae734f&chksm=8b74eb72bc03626473db9091970574fb8e4e7ae0b6fe76898888170012d722a2a9fcbd60a82a&scene=27

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基本回路

基本回路：一般に直流安定化電源は220ボルトの商用電源を電源とし、変圧、整流、フィルタリングを経て電圧安定化回路に送られて電圧が安定し、最終的に安定した直流電源となります。ここでの変圧、整流、フィルタなどの回路は直流安定化電源の基本回路とも言え、これらの回路が主電源の前処理として存在しなければ、安定化電圧回路は正常に動作しません。

変圧回路

通常、直流安定化電源は電源トランスを用いて後段回路への入力電圧を変化させます。電源トランスは、一次巻線、二次巻線、鉄心で構成されています。一次巻線は電源の交流電圧の入力に使用され、二次巻線は必要な交流電圧を出力します。平たく言えば、電源トランスは電気→磁気→電気の変換装置です。つまり、一次交流が鉄心の閉交流磁界に変換され、その磁界の磁力線が二次コイルを切断して交流起電力が発生します。二次側が負荷に接続されている場合、回路は閉じられ、二次側回路には交流電流が流れます。トランスの回路図記号を図2-3-1に示します。

整流回路

トランスで変圧された後も交流なので、後段の回路に供給するためには直流に変換する必要があり、この変換回路が整流回路です。直流安定化電源では、ダイオードの一方向導通特性を利用して、向きを変えながら交流を直流に整流します。

半波整流回路

半波整流回路を図2-3-2に示します。このうち、B1は電源トランス、D1は整流ダイオード、R1は負荷です。B1 二次側は時間とともに方向と大きさが変化する正弦波電圧で、その波形は図 2-3-3(a) に示されています。0 から π までの期間は、この電圧の正の半サイクルであり、このとき、B1 二次側の上端は正、下端は負となり、ダイオード D1 は順方向に導通し、電源電圧が二次側に印加されます。負荷R1に電流が流れ、πから2πまでの期間が電圧の負の半周期で、このときB1の2次側の上端がマイナス、下端がプラスになりますの場合、ダイオード D1 は逆に遮断され、負荷 R1 には電圧が印加されなくなり、負荷 R1 には電流が流れなくなります。これを2π～3π、3π～4πと繰り返していくと、電源の負の半周期の波形がカットされ、一方向の電圧が得られます。図2-3-3(b)。このようにして得られた電圧波形の大きさは時間とともに変化するため、これを脈動直流と呼びます。

B1 の二次電圧を E とすると、理想状態における負荷 R1 の両端電圧は次の式で求められます。

整流ダイオード D1 が負担する逆ピーク電圧は次のとおりです。

半波整流回路は電源の正の半周期のみを使用するため、電源の利用効率が非常に低く、高電圧、低電流などの限られた場合にのみ使用されます。 , 一般的な電源回路ではほとんど使用されません。

全波整流回路

半波整流回路は効率が低いため、電源の負の半サイクルを利用することを考えるのが自然であり、全波整流回路が存在します。全波整流の回路図は図2-3-6を参照してください。全波整流回路は半波整流回路と比較して、整流ダイオードD2を追加し、トランスB1の2次側にセンタータップを追加しています。この回路は基本的に 2 つの半波整流回路を組み合わせたものです。0～πの期間、B1の2次側の上端がプラス、下端がマイナス、D1は順導通、R1に電源電圧が加算され、R1の両端の電圧はプラスになります。上端と下端がマイナスとなり、その波形は図2-3-7(b)に示すように、電流の流れは図2-3-8のようになり、πから2πの期間では、 B1 二次側の上端は負、下端は正で、D2 は順方向に導通し、電源電圧が R1 に追加されますが、R1 の両端の電圧は依然として上端にあります。負の場合の波形を図2-3-7(c)に、電流の流れを図2-3-9に示します。これを2π～3π、3π～4πと繰り返し、電源の正負2半周期の電圧をD1、D2で整流してR1の両端に加算し、 R1に得られる電圧は常に正負であり、その波形を図2-3-7(d)に示します。

B1 の二次電圧を E とすると、理想状態における負荷 R1 の両端電圧は次の式で求められます。

整流ダイオード D1 および D2 が負担する逆ピーク電圧は次のとおりです。

全波整流回路の各整流ダイオードに流れる電流は負荷電流の半分であり、半波整流の2倍になります。

ブリッジ整流回路

全波整流回路は専用のトランスが必要で作るのが面倒なのでブリッジ整流回路が登場しました。この整流回路は通常のトランスを使用しますが、全波整流よりも2個多くの整流ダイオードを使用します。４つの整流ダイオードがブリッジ状に接続されているため、この整流回路はブリッジ整流回路と呼ばれます。

図2-3-13からわかるように、電源の正の半サイクルでは、B1二次側の上端が正、下端が負となり、整流ダイオードD4とD2がオンになり、電流が流れます。は、トランス B1 の 2 次上端から D4、R1、D2 を通ってトランス B1 の 2 次下端に戻ります; 図 2-3-14 から、電源の負の半サイクルでは、トランス B1 の 2 次下端が、 B1 の二次側が正、上端が負の場合、整流ダイオード D1 と D3 が導通し、電流は変圧器 B1 の二次側の下端から D1、R1、D3 を通って流れ、変圧器 B1 の二次側の上端に戻ります。R1の両端の電圧は常に上が正、下が負であり、その波形は全波整流の波形と一致します。

B1 の二次電圧を E とすると、理想状態における負荷 R1 の両端電圧は次の式で求められます。

整流ダイオード D1 および D2 が負担する逆ピーク電圧は次のとおりです。

ブリッジ整流回路の各整流ダイオードに流れる電流は負荷電流の半分であり、全波整流と同じです。通常、ブリッジ整流回路は図2-3-17の形に簡略化されます。

倍電圧整流回路

上で紹介した 3 つの整流回路の出力電圧はいずれも入力 AC 電圧の実効値よりも低いですが、出力電圧を入力 AC 電圧の実効値よりも大きくしたい場合は、倍電圧回路を使用できます。図2-3-18に示すように。図2-3-19からわかるように、電源の正の半サイクルでは、トランスB1の2次側の上端が正、下端が負となり、D1がオン、D2がオフになり、 C1はD1を通じて充電され、C1の両端の電圧は充電後のB1二次電圧のピーク値に近く、方向は左端が正、右端が負です;図2からわかります。 3-20 電源の負の半サイクルでは、変圧器 B1 の 2 次側の上端が負、下端が正となり、D1 が遮断され、D2 がオンになり、C2 は D1 を介して充電され、C2 が充電されます。充電後の電圧は2倍で、端子電圧はC1の両端電圧とB1の2次電圧のピーク値の和に近く、方向は下端がプラス、上端がマイナスになります。負荷 R1 は C1 と並列に接続されているため、R1 が十分に大きい場合、R1 の両端の電圧は B1 の二次電圧の 2 倍に近くなります。

倍電圧整流回路の描き方には、図2-3-21のような描き方もありますが、原理は図2-3-18と全く同じですが、表現が異なります。

倍電圧回路はn倍電圧回路にも簡単に拡張できます。具体的な回路を図2-3-22に示します。

フィルタ回路

交流を整流すると脈動する直流が得られますが、このような直流電源は交流リップルが大きいため、そのまま電子回路の電源として使用することはできません。フィルタ回路はこのACリップル成分を大幅に低減し、整流後の電圧波形を滑らかにします。

コンデンサフィルター回路

コンデンサフィルタ回路図を図2-3-23に示しますが、コンデンサフィルタ回路はコンデンサの充放電原理を利用してフィルタ効果を実現します。脈動直流波形の立ち上がり部分ではコンデンサC1が充電され、充電時定数が小さいため充電速度が非常に速く、脈動直流波形の立ち下がり部分ではコンデンサC1が放電され、放電時定数が大きいため、速度が非常に遅くなります。C1 が完全に放電されていない場合、充電が再び開始されます。このように、コンデンサＣ１が充放電を繰り返すことによりフィルタ効果が得られる。フィルタコンデンサC1の両端の電圧波形を図2-3-24(b)に示します。

フィルタコンデンサを選択するときは、次の条件を満たす必要があります。

誘導型フィルター回路

インダクタンスフィルタの回路図を図2-3-26に示します。インダクタンスフィルタ回路は、脈動する直流にかかるインダクタンスの逆起電力を利用してフィルタ効果を得る回路であり、インダクタンスが大きいほどフィルタ効果が高くなります。インダクタンスフィルタ回路は負荷容量に優れており、負荷電流が大きい場合に主に使用されます。

RCフィルター回路

2 つのコンデンサと 1 つの抵抗を使用して、π 型 RC フィルター回路とも呼ばれる RC フィルター回路を形成します。図2-3-27を参照してください。このフィルタ回路には抵抗 R1 が追加されているため、AC リップルは R1 で共有されます。R1、C2は大きいほどフィルタ効果が高くなりますが、R1が大きすぎると電圧降下が大きくなり出力電圧が低下します。一般に、R1 は R2 よりもはるかに小さい必要があります。

LCフィルター回路

RC フィルタ回路と比較して、コンデンサ フィルタ回路の小さいリップルとインダクタンス フィルタ回路の強い負荷容量の利点を組み合わせた LC フィルタ回路もあります。その回路図を図2-3-28に示します。

アクティブフィルター回路

高いフィルタ効果が必要な場合、フィルタコンデンサの容量を大きくすることでフィルタ効果を向上させることができます。ただし、コンデンサの体積の制限により、フィルタコンデンサの容量を無制限に大きくすることはできず、現時点ではアクティブフィルタ回路を使用することができます。その回路形式は図2-3-29に示されており、抵抗R1はトランジスタT1のベースバイアス抵抗、コンデンサC1はトランジスタT1のベースフィルタコンデンサ、抵抗R2は負荷です。この回路は実際には三極管 T1 の増幅効果により C1 の容量を β 倍に増幅しており、フィルタ用に (β+1) 個の C1 コンデンサを接続しているのと等価です。

図2-3-29において、C1は数十μFから数百​​μFまで、R1は数百Ωから数千Ωまで選択でき、具体的な値はT1のβ値に応じて決定できます。 β 値が高い場合は R が望ましいですが、T1 のコレクタ - エミッタ間電圧 (UCE) が 1.5V より大きい限り、値は若干大きくなります。T1 を選択する場合は、消費電力 PCM が UCEI より​​大きい必要があることに注意してください。動作中に発熱が大きい場合は、ヒートシンクを追加する必要があります。

アクティブフィルタ回路は二次フィルタ回路に属し、前段にはコンデンサフィルタなどのフィルタ回路がないと正常に動作しません。

整流フィルタ回路の概要

一般的に使用される整流回路の性能比較

注: U は負荷の両端の電圧値、I は負荷の電流値、e は整流ダイオードの電圧降下で、通常は 0.7V です。

一般的に使用されるパッシブフィルター回路の性能比較

コンデンサフィルタ回路の出力電流とフィルタ容量の関係

共通整流フィルタ回路計算表