電圧3倍回路（ボルテージトリプラー）の作り方：ステップバイステップガイド

電圧3倍回路（ボルテージトリプラー）の回路図と動作

電圧3倍回路とは？

電圧3倍回路（ボルテージトリプラー）は、入力電圧を3倍にする回路、すなわち出力電圧が入力ピーク電圧の3倍になる回路です。ダイオードとコンデンサをいくつか使用して、電圧3倍回路を非常に簡単に構築できます。電圧3倍回路は実際には倍圧回路の一種で、入力ピーク電圧の2倍、3倍、4倍の出力電圧を供給する回路群です。

電圧倍増回路は、高電圧・低電流が必要な場合に使用されます。また、トランスの小型化や、場合によってはトランス不要化にも利用できます。低交流電圧を高直流電圧に変換し、低電流で済む用途に非常に有用です。

関連記事：

• クロバーサーキットとは？ 設計と動作
• 12V→5Vコンバーター回路

必要部品

• 1N4007 ダイオード × 3個
• 22μF コンデンサ × 3個
• 9-0-9 降圧トランス
• デジタルマルチメーター

ダイオード (1N4007)

ダイオードは単方向デバイス、すなわち一方向のみ電流を通します。整流、信号処理、信号のクリッピング/クランピング、検波、ミキシング、多くの電子システムで使用。アノードとカソードの2端子を持ち、電流はアノードからカソードへ流れる必要があります。

実際、ダイオードは半導体の原理で動作。自由電子に基づく半導体にはN型とP型の2種類があります。

N型半導体は自由電子が多く、正孔（ホール）が非常に少ない。電子が多数キャリア、正孔が少数キャリア。P型半導体は正孔濃度が高く、電子濃度が非常に低い。多数キャリアは正孔、少数キャリアは電子。

P型とN型領域が接触すると、多数キャリアが一方から他方へ拡散。N型側に正孔が少なく、P型側に電子が少ないため、濃度差により電子がP型領域へ、正孔がN型領域へ移動。N型領域からの電子がP型領域の正孔と、P型領域からの正孔がN型領域の電子と再結合すると、N側に正イオン層、P側に負イオン層が出現。

これら2層のイオンは、2領域/半導体の接合線に沿って出現。この2層イオン領域を、電荷がすべて再結合して電荷がないため、空乏層（デプレッション層/領域）と呼びます。

空乏層が形成されると、この層から生じる電界により、両領域からのキャリア拡散はそれ以上起こらなくなります。

ダイオードのP側を電池の正極、N側を負極に接続すると順バイアス。電圧をゼロから増やすと、最初は電流が流れません。空乏層のポテンシャル障壁を越えるのに十分な電圧がないため。ダイオード印加電圧が順方向電圧（シリコンで約0.7V）を超えると電流が流れ始めます。

ダイオードのN側を電池の負極、P側を正極に接続すると逆バイアス。このバイアス印加時、P側の負電子が負極へ、N側の正孔が正極へ引き寄せられます。結果として空乏層が広がり、ダイオードは電流を遮断。これがダイオードが単方向デバイスである理由です。

コンデンサ

コンデンサは電荷の形でエネルギーを蓄えるデバイス。多くの電子用途で広く使用。2枚の金属板と、その間に充填された誘電体材料で構成。これら2板に電位差を印加すると、板間に電界が生成。正電荷が負極側に、負電荷が正極側に集積。

このプロセスは、両板が十分な電荷を持つまで続き、その時コンデンサは完全充電状態。両板は異極性の同量電荷を保持。板間に電界が発生。これがコンデンサが電荷を保持する仕組み。なぜ2板間に誘電体が充填されるのか？

誘電体の分子は極性を持ち、板に印加された電荷に基づいていずれかの板側へ移動可能。したがって分子は、より多くの電子が負極板へ引き寄せられ、より多くの電子が正極板から反発されるよう整列。充電完了後に電池を取り外しても、コンデンサは長時間この電荷を保持可能。こうしてエネルギー貯蔵素子として機能。負荷をコンデンサの2端子間に接続すると放電開始、接続負荷に電流が流れます。

コンデンサは多くの場面で使用可能。本プロジェクトでの応用もその一つ。バイパスコンデンサとしても使用可能。バイパスコンデンサはICと共に電源ノイズ除去、スイッチングによるリップル・変動対策に使用。電源遮断瞬間にコンデンサが一時的電源として機能。整流回路でも重要な役割。整流器はダイオードで構成されるが、コンデンサの役割も重要。整流器出力は連続波形だが、コンデンサ通過で充放電により滑らかなDC信号に変換。信号フィルタリング用途でも使用。ラジオで周波数調整し、希望チャンネル選局に使用。最後に、エネルギー貯蔵用途。寿命は通常電池より長く、充放電時間が非常に短いため高速電力供給可能。

電圧3倍回路図

回路は非常にシンプル。ブレッドボード上でも、パーフボードへハンダ付けでも構築可能。回路図に従うだけで完成。まず、トランスの9V端子をコンデンサの正極に接続。このコンデンサの負極をダイオードの正極に接続し、このダイオードの負極をトランスの0V端子に接続。次に、別のダイオードの負極をこのダイオードの正極に、正極を別のコンデンサの負極に接続し、このコンデンサの正極をトランスの0V端子に接続。

さらに、第3のコンデンサの正極を前のダイオードの負極に、負極を第3ダイオードの正極に接続し、このダイオードの負極をトランスの0V端子に接続。

220V商用電源を降圧するため9-0-9トランスを使用。最初の正半サイクルで、ダイオードD1が順バイアスとなり、コンデンサC1がD1経由で電圧ピーク値（Vpeak）まで充電。負半サイクルでは、ダイオードD2が順バイアス、D1が逆バイアス。D1がC1の放電を防止。コンデンサC2が、C1の電圧（Vpeak）と交流負ピーク電圧の合成電圧で充電され、2Vpeakまで充電。

第2正半サイクルでは、ダイオードD1とD3が導通、D2が逆バイアス。コンデンサC3がC2と同電圧（2Vpeak）まで充電。C1とC3が直列接続されているため、これら両コンデンサ間の総電圧はVpeak + 2Vpeak = 3Vpeak。これが印加電圧の3倍値を出力として得られる仕組み。解析的には上記計算が正しい。しかし実用面も考慮必要。実際にはダイオードでも電圧降下があるため、出力電圧は入力電圧のちょうど3倍にはならず、以下のようになる：

Vout = 3 × Vpeak − ダイオード間の電圧降下

関連記事：

• 降圧チョッパー（バックコンバーター）─ 回路、設計、動作、例
• 昇圧チョッパー（ブーストコンバーター）とは？ 回路図と動作

電圧3倍回路の動作

入力側電圧はトランスから、出力側電圧は第3ダイオードから測定。デジタルマルチメーターのツマミを20Vレンジに設定し、入力電圧測定後、レンジ変更で出力側電圧測定。本プロジェクトでは入力に9Vトランス使用。この値は実効値（RMS）なので、ピークツーピーク電圧を求めるには√2を乗じる：Vpeak = 9 × √2 = 12.7V

解析的に出力は 12.7 × 3 = 38.1V となるはず。

実際には約37.3V。ダイオードでの電圧降下は 38.1 − 37.3 = 0.8V となります。