Electronic-circuits-rectifiers
電子回路-整流器
ACをDC電力に変換する必要が生じたときはいつでも、整流回路が助けになります。 シンプルなPN接合ダイオードは整流器として機能します。 ダイオードの順バイアス条件と逆バイアス条件により、整流が行われます。
整流
交流には、その状態を連続的に変化させる特性があります。 これは、交流電流を示す正弦波を観察することで理解できます。 正の方向に上昇して正のピーク値に達し、そこから通常の値に減少し、再び負の部分に達して負のピークに達し、再び通常の値に戻って続きます。
波の形成の旅の間、波が正と負の方向に進むことがわかります。 実際には完全に変化するため、交流という名前が付けられます。
しかし、整流のプロセス中に、この交流電流は直流DCに変わります。 それまで正と負の両方の方向に流れる波は、DCに変換されると、その方向が正の方向のみに制限されます。 したがって、下図のように、電流は正の方向にのみ流れ、負の方向に抵抗します。
整流を行う回路は、*整流回路*と呼ばれます。 ダイオードは整流器として使用され、整流器回路を構築します。
整流回路の種類
整流回路には、出力に応じて2つの主なタイプがあります。 彼らです
- 半波整流器
- 全波整流器
半波整流回路は入力電源の正の半サイクルのみを整流しますが、全波整流回路は入力電源の正と負の両方の半サイクルを整流します。
半波整流器
半波整流器という名前自体は、*整流*がサイクルの半分だけで行われることを示しています。 AC信号は、用途に応じてステップアップまたはステップダウンする入力トランスを介して与えられます。 入力電圧を下げるために、主に降圧トランスが整流回路で使用されます。
トランスに与えられた入力信号は、整流器として機能するPN接合ダイオードを通過します。 このダイオードは、入力の正の半サイクルのみ、AC電圧を脈動DCに変換します。 負荷抵抗は、回路の最後に接続されています。 下の図は、半波整流器の回路を示しています。
HWRの働き
T入力信号は変圧器に与えられ、電圧レベルが低下します。 トランスからの出力は、整流器として機能するダイオードに与えられます。 このダイオードは、入力信号の正の半サイクルの間オン（導通）になります。 したがって、回路に電流が流れ、負荷抵抗の両端に電圧降下が生じます。 負の半サイクルではダイオードがオフになり（導通しません）、負の半サイクルの出力は$ i _ \ {D} = 0 $および$ V _ \ {o} = 0 $になります。
したがって、出力は入力電圧の正の半サイクルだけ存在します（逆方向漏れ電流は無視します）。 この出力は脈動し、負荷抵抗にかかる。
HWRの波形
入力および出力波形は、次の図に示すとおりです。
したがって、半波整流器の出力は脈動DCです。 半波整流器の出力から得られるいくつかの値を理解して、上記の回路を分析してみましょう。
半波整流器の分析
半波整流回路を解析するために、入力電圧の方程式を考えてみましょう。
v _ \ {i} = V _ \ {m} \ sin \ omega t
$ V _ \ {m} $は供給電圧の最大値です。
ダイオードが理想的であると仮定しましょう。
- 順方向の抵抗、つまりオン状態の抵抗は$ R_f $です。
- 逆方向の抵抗、つまりオフ状態の抵抗は$ R_r $です。
ダイオードまたは負荷抵抗$ R_L $の電流 i は、
$ i = I_m \ sin \ omega t \ quad for \ quad 0 \ leq \ omega t \ leq 2 \ pi $
$ i = 0 \ quad \ quad \ quad \ quad for \ quad \ pi \ leq \ omega t \ leq 2 \ pi $
どこで
I_m = \ frac \ {V_m} \ {R_f + R_L}
DC出力電流
現在の平均$ I _ \ {dc} $は、
I _ \ {dc} = \ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ int _ \ {0} ^ \ {2 \ pi} i \：d \ left（\ omega t \ right）
= \ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ left [\ int _ \ {0} ^ \ {\ pi} I_m \ sin \ omega t \：d \ left（\ omega t \ right）+ \ int _ \ {0} ^ \ {2 \ pi} 0 \：d \ left（\ omega t \ right）\ right]
= \ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ left [I_m \ left \\ {-\ cos \ omega t \ right \} _ \ {0} ^ \ {\ pi} \ right]
= \ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ left [I_m \ left \\ {+ 1- \ left（-1 \ right）\ right \} \ right] = \ frac \ {I_m} \ {\ pi} = 0.318 I_m
$ I_m $の値を代入すると、次のようになります
I _ \ {dc} = \ frac \ {V_m} \ {\ pi \ left（R_f + R_L \ right）}
$ R_L >> R_f $の場合、
I _ \ {dc} = \ frac \ {V_m} \ {\ pi R_L} = 0.318 \ frac \ {V_m} \ {R_L}
DC出力電圧
DC出力電圧は
V _ \ {dc} = I _ \ {dc} \ times R_L = \ frac \ {I_m} \ {\ pi} \ times R_L
= \ frac \ {V_m \ times R_L} \ {\ pi \ left（R_f + R_L \ right）} = \ frac \ {V_m} \ {\ pi \ left \\ {1+ \ left（R_f/R_L \ right）\ right \}}
$ R_L >> R_f $の場合、
V _ \ {dc} = \ frac \ {V_m} \ {\ pi} = 0.318 V_m
RMS電流と電圧
RMS電流の値は
I _ \ {rms} = \ left [\ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ int _ \ {0} ^ \ {2 \ pi} i ^ \ {2} d \ left（\ omega t \ right）\ right] ^ \ {\ frac \ {1} \ {2}}
I _ \ {rms} = \ left [\ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ int _ \ {0} ^ \ {2 \ pi} I _ \ {m} ^ \ {2} \ sin ^ \ {2} \ omega t \：d \ left（\ omega t \ right）+ \ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ int _ \ {\ pi} ^ \ {2 \ pi} 0 \：d \左（\ omega t \ right）\ right] ^ \ {\ frac \ {1} \ {2}}
= \ left [\ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {2 \ pi} \ int _ \ {0} ^ \ {\ pi} \ left（\ frac \ {1- \ cos 2 \ omega t} \ {2} \ right）d \ left（\ omega t \ right）\ right] ^ \ {\ frac \ {1} \ {2}}
= \ left [\ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {4 \ pi} \ left \\ {\ left（\ omega t \ right）-\ frac \ {\ sin 2 \ omega t} \ {2} \ right \} _ \ {0} ^ \ {\ pi} \ right] ^ \ {\ frac \ {1} \ {2}}
= \ left [\ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {4 \ pi} \ left \\ {\ pi-0-\ frac \ {\ sin 2 \ pi} \ {2 } + \ sin 0 \ right \} \ right] ^ \ {\ frac \ {1} \ {2}}
= \ left [\ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {4 \ pi} \ right] ^ \ {\ frac \ {1} \ {2}} = \ frac \ {I_m } \ {2}
= \ frac \ {V_m} \ {2 \ left（R_f + R_L \ right）}
負荷両端のRMS電圧は
V _ \ {rms} = I _ \ {rms} \ times R_L = \ frac \ {V_m \ times R_L} \ {2 \ left（R_f + R_L \ right）}
= \ frac \ {V_m} \ {2 \ left \\ {1+ \ left（R_f/R_L \ right）\ right \}}
$ R_L >> R_f $の場合、
V _ \ {rms} = \ frac \ {V_m} \ {2}
整流器の効率
より良い出力を得るためには、どの回路もその動作において効率的である必要があります。 半波整流器の効率を計算するには、出力電力と入力電力の比を考慮する必要があります。
整流器の効率は次のように定義されます
\ eta = \ frac \ {dcpower \：\：配信済み\：\：to \：\：\：\：load} \ {acinput \：\：power \：\：from \：\： Transformer \：\：secondary} = \ frac \ {P _ \ {ac}} \ {P _ \ {dc}}
Now
P _ \ {dc} = \ left（\ {I _ \ {dc}} \ right）^ 2 \ times R_L = \ frac \ {I_m R_L} \ {\ pi ^ 2}
さらに
P _ \ {ac} = P_a + P_r
どこで
$ P_a = power \：dissipated \：at \：the \：junction \：of \：diode $
= I _ \ {rms} ^ \ {2} \ times R_f = \ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {4} \ times R_f
And
P_r =電力\：消散\：in \：the \：load \：resistance
= I _ \ {rms} ^ \ {2} \ times R_L = \ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {4} \ times R_L
P _ \ {ac} = \ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {4} \ times R_f + \ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {4} \回R_L = \ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2}} \ {4} \ left（R_f + R_L \ right）
$ P _ \ {ac} $と$ P _ \ {dc} $の両方の式から、次のように記述できます。
\ eta = \ frac \ {I _ \ {m} ^ \ {2} R_L/\ pi ^ 2} \ {I _ \ {m} ^ \ {2} \ left（R_f + R_L \ right）/4} = \ frac \ {4} \ {\ pi ^ 2} \ frac \ {R_L} \ {\ left（R_f + R_L \ right）}
= \ frac \ {4} \ {\ pi ^ 2} \ frac \ {1} \ {\ left \\ {1+ \ left（R_f/R_L \ right）\ right \}} = \ frac \ { 0.406} \ {\ left \\ {1+ \ left（R_f/R_L \ right）\ right \}}
整流器効率の割合
\ eta = \ frac \ {40.6} \ {\ lbrace1 + \ lgroup \：R _ \ {f}/R _ \ {L} \ rgroup \ rbrace}
理論的には、半波整流器の整流器効率の最大値は、$ R _ \ {f}/R _ \ {L} = 0 $のとき40.6％です。
さらに、効率は次の方法で計算できます。
\ eta = \ frac \ {P _ \ {dc}} \ {P _ \ {ac}} = \ frac \ {\ left（I _ \ {dc} \ right）^ 2R_L} \ {\ left（I _ \ { rms} \ right）^ 2R_L} = \ frac \ {\ left（V _ \ {dc}/R_L \ right）^ 2R_L} \ {\ left（V _ \ {rms}/R_L \ right）^ 2R_L} = \ frac \ {\ left（V _ \ {dc} \ right）^ 2} \ {\ left（V _ \ {rms} \ right）^ 2}
= \ frac \ {\ left（V_m/\ pi \ right）^ 2} \ {\ left（V_m/2 \ right）^ 2} = \ frac \ {4} \ {\ pi ^ 2} = 0.406
= 40.6 \％
リップル係数
整流された出力には、リップルの形でいくらかのAC成分が含まれています。 これは、半波整流器の出力波形を観察することで理解できます。 純粋なDCを取得するには、このコンポーネントについてのアイデアが必要です。
リップル係数は、整流された出力のうねりを与えます。 y で示されます。 これは、電圧または電流の交流成分の実効値と直接値または平均値の比として定義できます。
\ gamma = \ frac \ {リップル\：電圧} \ {dc \：電圧} = \ frac \ {rms \：value \：of \：accomponent} \ {dcvalue \：of \：wave} = \ frac \ {\ left（V_r \ right）_ \ {rms}} \ {v _ \ {dc}}
ここに、
\ left（V_r \ right）_ \ {rms} = \ sqrt \ {V _ \ {rms} ^ \ {2} -V _ \ {dc} ^ \ {2}}
したがって、
\ gamma = \ frac \ {\ sqrt \ {V _ \ {rms} ^ \ {2} -V _ \ {dc} ^ \ {2}}} \ {V _ \ {dc}} = \ sqrt \ {\左（\ frac \ {V _ \ {rms}} \ {V _ \ {dc}} \ right）^ 2-1}
Now,
V _ \ {rms} = \ left [\ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ int _ \ {0} ^ \ {2 \ pi} V _ \ {m} ^ \ {2} \ sin ^ 2 \ omega t \：d \ left（\ omega t \ right）\ right] ^ \ {\ frac \ {1} \ {2}}
= V_m \ left [\ frac \ {1} \ {4 \ pi} \ int _ \ {0} ^ \ {\ pi} \ left（1- \ cos2 \：\ omega t \ right）d \ left（ \ omega t \ right）\ right] ^ \ {\ frac \ {1} \ {2}} = \ frac \ {V_m} \ {2}
V _ \ {dc} = V _ \ {av} = \ frac \ {1} \ {2 \ pi} \ left [\ int _ \ {0} ^ \ {\ pi} V_m \ sin \ omega t \：d \ left（\ omega t \ right）+ \ int _ \ {0} ^ \ {2 \ pi} 0.d \ left（\ omega t \ right）\ right]
= \ frac \ {V_m} \ {2 \ pi} \ left [-\ cos \ omega t \ right] _ \ {0} ^ \ {\ pi} = \ frac \ {V_m} \ {\ pi}
\ gamma = \ sqrt \ {\ left [\ left \\ {\ frac \ {\ left（V_m/2 \ right）} \ {\ left（V_m/\ pi \ right）} \ right \} ^ 2 -1 \ right]} = \ sqrt \ {\ left \\ {\ left（\ frac \ {\ pi} \ {2} \ right）^ 2-1 \ right \}} = 1.21
リップル係数も次のように定義されます
\ gamma = \ frac \ {\ left（I_r \ right）_ \ {rms}} \ {I _ \ {dc}}
半波整流器に存在するリップル係数の値は1.21なので、a.c。の量が 出力に存在するのは、DCの$ 121 \％$です。 電圧
規制
負荷を流れる電流は、負荷抵抗によって異なる場合があります。 しかし、そのような状態であっても、その負荷抵抗にかかる出力電圧は一定であると予想されます。 したがって、異なる負荷条件の下でも電圧を調整する必要があります。
D.C.のバリエーション DCの変化に伴う出力電圧 負荷電流は*規制*として定義されます。 割合規制は次のように計算されます。
Percentage \：regulation = \ frac \ {V _ \ {no \：load} -V _ \ {full \：load}} \ {V _ \ {full \：load}} \ times 100 \％
規制の割合が低いほど、電源は良くなります。 理想的な電源には、ゼロパーセントの規制があります。
トランス使用率
D.C. 整流回路で負荷に供給される電力は、回路で使用されるトランスの定格を決定します。
したがって、変圧器の利用率は次のように定義されます
TUF = \ frac \ {d.c.power \：to \：be \：delivered \：to \：the \：load} \ {a.c.rating \：of \：the \：transformer \：secondary}
= \ frac \ {P _ \ {d.c}} \ {P _ \ {a.c \ left（定格\ right）}}
トランスの理論によると、二次側の定格電圧は
V_m/\ sqrt \ {2}
実際のR.M.S. それを流れる電圧は
I_m/2
だから
TUF = \ frac \ {\ left（I_m/\ pi \ right）^ 2 \ times R_L} \ {\ left（V_m/\ sqrt \ {2} \ right）\ times \ left（I_m/2 \ right ）}
But
V_m = I_m \ left（R_f + R_L \ right）
だから
TUF = \ frac \ {\ left（I_m/\ pi \ right）^ 2 \ times R_L} \ {\ left \\ {I_m \ left（R_f + R_L \ right）/\ sqrt \ {2} \ right \} \ times \ left（I_m/2 \ right）}
= \ frac \ {2 \ sqrt \ {2}} \ {\ pi ^ 2} \ times \ frac \ {R_L} \ {\ left（R_f + R_L \ right）}
= \ frac \ {2 \ sqrt \ {2}} \ {\ pi ^ 2} = 0.287
ピーク逆電圧
逆バイアスで接続されている場合、ダイオードは制御された電圧レベルで動作する必要があります。 その安全な電圧を超えると、ダイオードが損傷します。 したがって、その最大電圧を知ることは非常に重要です。
ダイオードが破壊されることなく耐えることができる最大逆電圧は、ピーク逆電圧*と呼ばれます。 要するに、 *PIV 。
ここでは、PIVはVmにすぎません
フォームファクタ
これは、波形上のすべてのポイントの絶対値の数学的平均として理解できます。 フォームファクター*は、R.M.S。 値を平均値に。 *F で示されます。
F = \ frac \ {rms \：value} \ {average \：value} = \ frac \ {I_m/2} \ {I_m/\ pi} = \ frac \ {0.5I_m} \ {0.318I_m} = 1.57
ピークファクター
リップルのピーク値は、整流の効果を知るために考慮する必要があります。 ピーク係数の値も重要な考慮事項です。 *ピーク係数*は、ピーク値とR.M.S.の比として定義されます。 値。
だから
Peak Factor = \ frac \ {Peak \：value} \ {r.m.s \：value} = \ frac \ {V_m} \ {V_m/2} = 2
これらはすべて、整流器について検討する際に考慮すべき重要なパラメーターです。
