半波整流器実験：シンプルなAC-DCモーター回路の構築・測定・シミュレーション

概要

このハンズオンラボでは、低電圧AC電源をDCバイアス信号に変換する半波整流器を構築し、小型永久磁石モーターを駆動します。その結果生じるDCバイアスとリップル電圧の測定、オーディオ検出器でのリップル聴取、SPICEシミュレーションによる検証を行います。

部品と材料

• 低電圧AC電源（6V出力）
• 6V電池
• 1N4001整流ダイオード 1個（または任意の1N400Xシリーズ）
• 小型ホビーモーター、永久磁石タイプ（例：Radio Shack #273-223）
• ヘッドホン付きオーディオ検出器
• 0.1µF結合コンデンサ（例：Radio Shack #272-135）

0.1µFコンデンサはオーディオ検出器を回路に結合し、ACのみが検出器に到達するようにします。正確な値はクリティカルではありません；0.27µF〜0.015µFでも成功しています。値が低いと低周波成分が減衰しヘッドホン音量が下がるため、音が小さい場合はより大きな値を選んでください。

参考文献

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, chapter 3: “Diodes and Rectifiers（ダイオードと整流器）”。

学習目標

• ダイオードの整流器としての役割を理解する
• AC電源とDC電源でのモーター動作を比較する
• デジタル電圧計でリップル電圧を測定する

回路図

 

 

イラスト

 

 

手順

1. 回路図通りに、整流ダイオードを介してモーターを6V AC電源に接続。ダイオードは正の半サイクルのみ電流を通すため、パルセーティングDCが生成され、モーターが一方向に駆動されます。

2. ジャンパーワイヤーでモーター端子を一時的に短絡し、完全なAC波形がモーターに到達する場合の効果を観察。モーターはストールするか、不調に回転します。

3. ジャンパーを外し、ダイオードの向きを反転。モーター動作の変化を観察；今度は反対方向にスムーズに回転するはずです。

4. 電圧計をDCモードに設定し、モーター端子間のDC電圧を測定。この読み取り値は半波整流信号の平均バイアスを反映します。

5. メータをACモードに切り替えてリップル電圧を測定。この読み取り値はDCバイアスに重畳したAC成分を表します。10kΩ負荷での6V電源の典型値は、ピークツーピークで3〜4V程度です。

6. これらの読み取り値を、モーターを6V電池で駆動した場合と比較。電池はほぼ純粋なDC電圧を生成し、リップルは無視できるレベル；測定されるACはモーターの整流子作用によるものです。

オーディオ検出器でリップルを聴く

検出器感度を低設定にし、0.1µFコンデンサを介してモーター端子間に接続。コンデンサはハイパスフィルタとして働き、DCを遮断してACリップルのみを聴取可能にします。

電池駆動時、検出器から高音のブーン音が出ます。電池をAC電源＋整流器に置き換えると音程が下がり、半波整流信号の性質を反映します。

コンピュータシミュレーション

ノード番号付きSPICE回路図：

 

 

ネットリスト（以下をテキストファイルにコピー）：

 Halfwave rectifier
v1 1 0 sin(0 8.485 60 0 0)
rload 2 0 10k
d1 1 2 mod1
.model mod1 d
.tran .5m 25m
.plot tran v(1,0) v(2,0)
.end 

シミュレーションは入力正弦波と、正の「ハンプ」の系列としての出力を示します。AC電源は6V RMS正弦波に合わせて8.485Vピークで指定されています。

関連ワークシート

• Precise Diode Circuits Worksheet