Electronic-circuits-full-wave-rectifier
電子回路-全波整流器
正と負の両方の半サイクルを整流する整流回路は、完全なサイクルを整流するため、全波整流器と呼ぶことができます。 全波整流器の構造は、2つのタイプで作成できます。 彼らです
- センタータップ全波整流器
- ブリッジ全波整流器
どちらにも長所と短所があります。 ここで、どちらの方が良いのか、そしてなぜなのかを知るために、両方の構成と波形を調べてみましょう。
センタータップ全波整流器
2次ダイオードを交互に使用して所望の出力電圧を得るためにトランスの2次側をタップして完全なサイクルを整流する整流回路は、*センタータップ全波整流回路*と呼ばれます。 トランスは、他の場合とは異なり、ここでセンタータップされます。
センタータッピングトランスの特徴は次のとおりです-
- タッピングは、二次巻線の中間点でリードを引くことによって行われます。 これにより、この巻線は2つの等しい半分に分割されます。
- タップされた中間点の電圧はゼロです。 これは中立点を形成します。
- 中央のタップは、大きさは等しいが極性が反対の2つの出力電圧を提供します。
- さまざまなレベルの電圧を取得するために、多数のテーピングを引き出すことができます。
2個の整流ダイオードを備えたセンタータップトランスは、*センタータップ全波整流器*の構築に使用されます。 センタータップ全波整流器の回路図は以下のとおりです。
CT- FWRの動作
センタータップ全波整流器の動作は、上の図から理解できます。 入力電圧の正の半サイクルが印加されると、トランスの2次側のポイントMは、ポイントNに対して正になります。 これにより、ダイオードが$ D_1 $順方向にバイアスされます。 したがって、電流$ i_1 $はAからBに負荷抵抗を流れます。 出力には正の半サイクルがあります
入力電圧の負の半サイクルが印加されると、トランスの2次側のポイントMは、ポイントNに対して負になります。 これにより、ダイオードが$ D_2 $順方向にバイアスされます。 したがって、電流$ i_2 $は負荷抵抗器をAからBに流れます。 入力の負の半サイクルの間でも、出力には正の半サイクルがあります。
CT FWRの波形
センタータップ全波整流器の入出力波形は次のとおりです。
上記の図から、正と負の両方の半サイクルで出力が得られることが明らかです。 また、負荷抵抗の両端の出力は、両方の半サイクルで*同じ方向*にあることが観察されます。
ピーク逆電圧
二次巻線の半分の両端の最大電圧は$ V_m $であるため、二次電圧全体が非導通ダイオードに現れます。 したがって、*ピーク逆電圧*は、半二次巻線の最大電圧の2倍です。
PIV = 2V_m
デメリット
次のようなセンタータップ全波整流器にはいくつかの欠点があります-
- センタータッピングの場所は難しい
- DC出力電圧が小さい
- ダイオードのPIVは高くなければなりません
次の種類の全波整流回路は、*ブリッジ全波整流回路*です。
ブリッジ全波整流器
これは、入力の全サイクル中に出力を生成するだけでなく、センタータップ全波整流回路の欠点をなくすために、ブリッジ形式で接続された4つのダイオードを利用する全波整流回路です。
この回路では、トランスのセンタータップの必要はありません。 入力電源の2つのダイオードが1つの半サイクルで導通し、2つのダイオードが他の半サイクルで導通するように、$ D_1 $、$ D_2 $、$ D_3 $、および$ D_4 $と呼ばれる4つのダイオードがブリッジ型ネットワークの構築に使用されます。 ブリッジ全波整流器の回路は、次の図に示すとおりです。
ブリッジ全波整流器の動作
ブリッジ回路に接続された4つのダイオードを備えた全波整流器は、より良い全波出力応答を得るために採用されています。 入力電源の正の半サイクルが与えられると、点Pは点 Q に対して正になります。 これにより、ダイオードは$ D_1 $と$ D_3 $が順方向にバイアスされ、$ D_2 $と$ D_4 $は逆方向にバイアスされます。 これで、これら2つのダイオードが負荷抵抗と直列になります。
次の図は、回路内の従来の電流の流れとともにこれを示しています。
したがって、ダイオード$ D_1 $および$ D_3 $は、入力電源の正の半サイクル中に導通し、負荷抵抗に沿って出力を生成します。 出力を生成するために2つのダイオードが機能するため、電圧は中央タップ全波整流器の出力電圧の2倍になります。
入力電源の負の半サイクルが与えられると、点Pは点 Q に対して負になります。 これにより、ダイオードは$ D_1 $と$ D_3 $に逆バイアスがかかり、$ D_2 $と$ D_4 $は順バイアスになります。 これで、これら2つのダイオードが負荷抵抗と直列になります。
次の図は、回路内の従来の電流の流れとともにこれを示しています。
したがって、ダイオード$ D _ \ {2} $および$ D _ \ {4} $は、入力電源の負の半サイクル中に導通し、負荷抵抗に沿って出力を生成します。 ここでも、2つのダイオードが動作して出力電圧を生成します。 電流は、入力の正の半サイクル中と同じ方向に流れます。
ブリッジFWRの波形
センタータップ全波整流器の入出力波形は次のとおりです。
上記の図から、正と負の両方の半サイクルで出力が得られることが明らかです。 また、負荷抵抗の両端の出力は、両方の半サイクルで*同じ方向*にあることが観察されます。
ピーク逆電圧
2つのダイオードがトランスの2次側に並列に接続されているときはいつでも、トランスの両端に最大の2次電圧が非導通ダイオードに現れ、整流回路のPIVになります。 したがって、*ピーク逆電圧*は、2次巻線の最大電圧です。
PIV = V_m
利点
ブリッジ全波整流器には、次のような多くの利点があります-
- センタータッピングの必要はありません。
- DC出力電圧は、センタータッパーFWRの2倍です。
- ダイオードのPIVは、センタータッパーFWRの半分の値です。
- 回路の設計は、出力が良くなるほど簡単になります。
次に、全波整流器の特性を分析します。
全波整流器の分析
全波整流回路を分析するために、入力電圧$ V _ \ {i} $を次のように仮定します。
V _ \ {i} = V_m \ sin \ omega t
負荷抵抗$ R_L $を通る現在の$ i_1 $は、
i_1 = I_m \ sin \ omega t \ quad for \ quad0 \ leq \ omega t \ leq \ pi
i_1 = \ quad0 \ quad \ quad \ quad for \ quad \ pi \ leq \ omega t \ leq 2 \ pi
どこで
I_m = \ frac \ {V_m} \ {R_f + R_L}
$ R_f $は、オン状態のダイオード抵抗です。
同様に、ダイオード$ D_2 $と負荷抵抗RLを流れる電流$ i_2 $は、
i_2 = \ quad \：0 \ quad \ quad \ quad for \ quad 0 \ leq \ omega t \ leq \ pi
i_2 = I_m \ sin \ omega t \ quad for \ quad \ pi \ leq \ omega t \ leq 2 \ pi
$ R_L $を流れる合計電流は、2つの電流$ i_1 $と$ i_2 $の合計です。
i = i_1 + i_2
D.C. または平均電流
D.C.が出力する出力電流の平均値 電流計は、
I _ \ {dc} = \ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ int _ \ {0} ^ \ {2 \ pi} i_1 \：d \ left（\ omega t \ right）+ \ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ int _ \ {0} ^ \ {2 \ pi} i_2 \：d \ left（\ omega t \ right）
= \ frac \ {1} \ {2 \ pi \ int _ \ {0} ^ \ {\ pi}} I_m \ sin \ omega t \：d \ left（\ omega t \ right）+ 0 + 0 +
\ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ int _ \ {0} ^ \ {2 \ pi} I_m \ sin \ omega t \：d \ left（\ omega t \ right）
= \ frac \ {I_m} \ {\ pi} + \ frac \ {I_m} \ {\ pi} = \ frac \ {2I_m} \ {\ pi} = 0.636I_m
これは、半波整流器の値の2倍です。
D.C. 出力電圧
負荷全体のDC出力電圧は、
V _ \ {dc} = I _ \ {dc} \ times R_L = \ frac \ {2I_mR_L} \ {\ pi} = 0.636I_mR_L
したがって、DC出力電圧は半波整流器の2倍になります。
RMS電流
電流のRMS値は次の式で与えられます
I _ \ {rms} = \ left [\ frac \ {1} \ {\ pi} \ int _ \ {0} ^ \ {\ pi} t ^ 2 \：d \ left（\ omega t \ right）\右] ^ \ {\ frac \ {1} \ {2}}
電流は2つの半分で2つの同じ形式であるため
= \ left [\ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {\ pi} \ int _ \ {0} ^ \ {\ pi} \ sin ^ 2 \ omega t \：d \ left （\ omega t \ right）\ right] ^ \ {\ frac \ {1} \ {2}}
= \ frac \ {I_m} \ {\ sqrt \ {2}}
整流器の効率
整流器の効率は次のように定義されます
\ eta = \ frac \ {P _ \ {dc}} \ {P _ \ {ac}}
Now,
P _ \ {dc} = \ left（V _ \ {dc} \ right）^ 2/R_L = \ left（2V_m/\ pi \ right）^ 2
And,
P _ \ {ac} = \ left（V _ \ {rms} \ right）^ 2/R_L = \ left（V_m/\ sqrt \ {2} \ right）^ 2
したがって、
\ eta = \ frac \ {P _ \ {dc}} \ {P _ \ {ac}} = \ frac \ {\ left（2V_m/\ pi \ right）^ 2} \ {\ left（V_m/\ sqrt \ {2} \ right）^ 2} = \ frac \ {8} \ {\ pi ^ 2}
= 0.812 = 81.2 \％
整流器の効率は次のように計算できます-
DC出力電力、
P _ \ {dc} = I _ \ {dc} ^ \ {2} R_L = \ frac \ {4I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {\ pi ^ 2} \ times R_L
AC入力電力、
P _ \ {ac} = I _ \ {rms} ^ \ {2} \ left（R_f + R_L \ right）= \ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {2} \ left（ R_f + R_L \ right）
したがって、
\ eta = \ frac \ {4I _ \ {m} ^ \ {2} R_L/\ pi ^ 2} \ {I _ \ {m} ^ \ {2} \ left（R_f + R_L \ right）/2} = \ frac \ {8} \ {\ pi ^ 2} \ frac \ {R_L} \ {\ left（R_f + R_L \ right）}
= \ frac \ {0.812} \ {\ left \\ {1+ \ left（R_f/R_L \ right）\ right \}}
したがって、パーセント効率は
= \ frac \ {0.812} \ {1+ \ left（R_f + R_L \ right）}
= 81.2 \％\ quad if \：R_f = 0
したがって、全波整流器の効率は半波整流器の2倍です。
リップル係数
全波整流器の整流出力電圧のフォームファクターは、
F = \ frac \ {I _ \ {rms}} \ {I _ \ {dc}} = \ frac \ {I_m/\ sqrt \ {2}} \ {2I_m/\ pi} = 1.11
リップル係数$ \ gamma $は次のように定義されます（AC回路理論を使用）
\ gamma = \ left [\ left（\ frac \ {I _ \ {rms}} \ {I _ \ {dc}} \ right）-1 \ right] ^ \ {\ frac \ {1} \ {2} } = \ left（F ^ 2 -1 \ right）^ \ {\ frac \ {1} \ {2}}
= \ left [\ left（1.11 \ right）^ 2 -1 \ right] ^ \ frac \ {1} \ {2} = 0.48
これは、1.21であった半波整流器のリップル係数に対する大きな改善です。
規制
DC出力電圧は
V _ \ {dc} = \ frac \ {2I_mR_L} \ {\ pi} = \ frac \ {2V_mR_L} \ {\ pi \ left（R_f + R_L \ right）}
= \ frac \ {2V_m} \ {\ pi} \ left [1- \ frac \ {R_f} \ {R_f + R_L} \ right] = \ frac \ {2V_m} \ {\ pi} -I _ \ { dc} R_f
トランス使用率
半波整流器のTUFは0.287です
センタータップ整流器には2つの二次巻線があるため、センタータップ全波整流器のTUFは
\ left（TUF \ right）_ \ {avg} = \ frac \ {P _ \ {dc}} \ {V-A \：rating \：of \：a \：transformer}
= \ frac \ {\ left（TUF \ right）_p + \ left（TUF \ right）_s + \ left（TUF \ right）_s} \ {3}
= \ frac \ {0.812 + 0.287 + 0.287} \ {3} = 0.693
半波対 全波整流器
全波整流器のさまざまなパラメータのすべての値を調べた後、半波整流器と全波整流器の機能を比較して対比してみましょう。
| Terms | Half Wave Rectifier | Center Tapped FWR | Bridge FWR |
|---|---|---|---|
| Number of Diodes | $1$ | $2$ | $4$ |
| Transformer tapping | $No$ | $Yes$ | $No$ |
| Peak Inverse Voltage | $V_m$ | $2V_m$ | $V_m$ |
| Maximum Efficiency | $40.6\%$ | $81.2\%$ | $81.2\%$ |
| Average/dc current | $I_m/\pi$ | $2I_m/\pi$ | $2I_m/\pi$ |
| DC voltage | $V_m/\pi$ | $2V_m/\pi$ | $2V_m/\pi$ |
| RMS current | $I_m/2$ | $I_m/\sqrt{2}$ | $I_m/\sqrt{2}$ |
| Ripple Factor | $1.21$ | $0.48$ | $0.48$ |
| Output frequency | $f_{in}$ | $2f_{in}$ | $2f_{in}$ |
