電圧ダブラー:トランス整流回路の安価で軽量な代替手段
高DC電圧試験装置の構築をお考えですか?このようなデバイスは、電子レンジや陰極線管など、高い DC 電圧を必要とする電子機器や電化製品をテストまたは構築するために必要です。このタスクに昇圧トランスと整流器を使用することは可能ですが、トランスは重くて高価な部品です。そのため、最適なソリューションは提供されません。電圧倍増は、組み立てに少数のコンポーネントしか必要としない、より優れた代替手段です。プロジェクト用にビルドしたい場合は、すべての詳細をレイアウトしました。しかし、最初に、電圧ダブラーの定義と種類を見てみましょう.
電圧ダブラーとは?
電圧ダブラーは、倍率が 2 倍の電圧増倍回路です。 AC 電圧を入力として取り込み、ピーク入力電圧の 2 倍に相当する DC 電圧を生成します。
そうすることで、回路は 2 つのことを行います。 AC を DC に変換するため、ピーク AC 電圧と整流器を上げることで昇圧トランスの役割を果たします。
電圧ダブラー設計
出典:ウィキメディア コモンズ
それらは電圧増倍器であるため、ダブラーは基本的なビルディング ブロックまたは高次回路の単一ステージを構成します。
電圧 4 倍 (4 つのダイオードとコンデンサに注意してください)
出典:ウィキメディア コモンズ
同様のステージをカスケード接続して、電圧 3 倍、4 倍などを作成できます。 3 倍電圧には 3 つのダイオードとコンデンサがあり、4 倍電圧にはそれぞれ 4 つのダイオードとコンデンサがあります。回路は、プロジェクトに必要な電圧に到達するようにスケールアップできます。
倍電圧回路はどのように機能しますか?
電圧ダブラーは、電圧を増幅して電流を一方向に流す 4 つのディスクリート コンポーネントを備えています。これらは 2 つのダイオードと 2 つのコンデンサです。
倍電圧回路
出典:ウィキメディア コモンズ
この回路は、各 AC 電圧サイクル中にダイオードの 1 つが導体になるようにコンポーネントを配置します。正の半サイクルでは、ダイオード 2 がオフのままであるため、1 つのコンデンサのみが AC ピーク入力電圧まで充電されます。
ダイオード 1 は負のピーク時にオフになりますが、ダイオード 2 が導通して 2 番目のコンデンサを充電します。ただし、回路は前のサイクルで既にコンデンサ 1 を充電していました。したがって、この電圧は入力 AC 電圧に加算されます。
その結果、2 番目のコンデンサでピーク AC 電圧源が 2 倍になりますが、電流が一方向に流れるため、今回は DC になります。
そのため、ダブラーはチャージ ポンプとして機能し、2Vin を供給します。
電圧ダブラーの種類
- 半波電圧ダブラー
- 全波電圧ダブラー
電圧ダブラーの利点
- 変圧器の安価で軽量な代替品。
- 接続されたダイオードとコンデンサの極性を逆にすることで、負の電圧を生成できます。
- 回路内で同一の電圧ダブラーをカスケード接続することにより、電圧増倍率を簡単に増加できます。
DC 倍電圧回路
ここが最高の部分です。 DC 倍電圧回路 (半波または全波) を構築する場合は、次のコンポーネントが必要です。
- プリント回路基板 (またはブレッドボードと接続ワイヤ)
- 2 つのダイオード
- 2 つのコンデンサ
では、回路はどのように機能するのでしょうか。詳細に、半波と全波の両方の DC 倍電圧回路を見てみましょう。しかし、まず、入力の流れは次のとおりです。
AC 入力電圧
AC 波形には正と負の半サイクルがあるため、以下の説明ではこれら 2 つのサイクルでのみ何が起こるかを説明します。電力が回路に流れ込むと、倍増が繰り返し発生します。
連続する正と負の半サイクルを示す AC 波形
Vm はピーク電圧、Vin は入力電圧です。 Vm =ピーク電圧での Vin であるため、式で Vm を使用します。
半波電圧ダブラー
極性が下図のようになると、入力電圧はダイオード D2 に逆バイアスをかけます。その N 側はプラス端子に接続し、P 側は AC 電源のマイナス端子に接続します。
正の半サイクル中の半波 DC 倍電圧回路の極性
一方、D1 は、その P 側と N 側がそれぞれ正と負の端子に接続されているため、順方向にバイアスされます。
したがって、ダイオード D1 が短絡 (導電性接合) を形成し、D2 が開回路であると図を再考することができます。 Kirchhoff の電圧法則を使用して、コンデンサ C1 の両端の電圧 (Vc1) を取得できます。
Vm – Vc1 =0
したがって、Vc1 =Vm
負の半サイクルの間、以下に示すように極性が変化します。
負の半サイクル中の半波 DC 倍電圧回路の極性
この波の間、Vin はダイオード D2 を順方向にバイアスします。その N 側と P 側は、それぞれマイナス端子とプラス端子に接続します。ただし、D1 は逆バイアスになります。
そのため、D1 が開回路を形成し、D2 が短絡回路を形成するように図を書き直すことができます。
キルヒホッフの電圧法則を使用すると、この式を使用してコンデンサ C2 の両端の電圧を決定できます。
-Vm – Vm + Vc2 =0
-Vm は入力電圧 (負極性)
2 番目の Vm は、前のサイクルで充電された C1 の両端の電圧です。
したがって、Vc2 =Vm + Vm となり、これは 2Vm に相当します。
コンデンサ C2 の両端に負荷を接続すると、ピーク入力電圧の 2 倍になり、倍増効果が生じます。
C1 は、放電へのリターン パスがないため、ストレージ デバイスとして機能します。しかし、負の半サイクルの間、直列の電圧源とリンクするため、2 つの電源の電圧が加算されます。
全波電圧ダブラー
全波ダブラを扱う場合、コンデンサ C1 と C2 の両方の電圧を測定します。正のサイクルの間、Vin は D1 を順方向にバイアスしますが、D2 は逆方向にバイアスします。
正の半サイクル中の全波 DC 倍電圧回路の極性
この期間中、D1 の両端には抵抗がないため、コンデンサ C1 を短絡して充電します。ただし、D2 は抵抗が高いため、開回路として機能します。したがって、C2 は課金されません。
キルヒホッフの法則を使用して、
Vm – Vc1 =0
したがって、Vc1 =Vm
負の半サイクルでは、D1 は逆バイアスになりますが、極性は D2 を順バイアスします。
負の半サイクル中の全波 DC 倍電圧回路の極性
キルヒホッフの法則を適用すると、
-Vm + Vc2 =0
したがって、Vc2 =Vm
C1 は前のサイクルで充電されたので、両方ともピーク電圧 Vm にあることを思い出してください。したがって、両方のコンデンサに負荷を接続すると、2Vm になります。
違いは何ですか?
方程式を見ると、それらは幾分似ているので、半波電圧ダブラーと全波電圧ダブラーの違いは何ですか?
前者は、最初のサイクルでコンデンサ C1 を充電し、2 番目のサイクルで放電します。これにより、電源周波数に等しいリップル電圧が発生するという問題が生じ、リップル周波数を平滑化することが困難になります。したがって、出力電圧曲線はあまり滑らかではありません。
平滑化前後のリップル電圧図
出典:ウィキペディア
ただし、全波電圧ダブラーは、2 つの半波整流器のように機能します。したがって、出力電圧曲線はより滑らかになります。
半波回路と全波回路の両方で、最初はコンデンサ C1 と C2 に電荷がないと仮定する必要があることに注意してください。
電圧ダブラーの応用
- イオンポンプ
- テレビのブラウン管
- X 線システム
- コピー機
- レーダー装置
- 進行波管
- 電子レンジ
- バグザッパー
まとめ
結論として、電圧ダブラーは安価に製造でき、変圧器ほど重くないため、多くのデバイスで重要な回路になっています。
とはいえ、トランス整流器回路はより滑らかな DC 出力電圧曲線を生成しますが、それぞれの長所と短所を考慮すると、電圧ダブラーには利点があります。
さらに、フィルター回路をダブラーに追加して出力を平滑化し、変圧器と整流器の組み合わせに一致させることができます。
これらの回路を作成するためのコンポーネントが必要な場合は、お問い合わせください。他社の追随を許さない手頃な価格で入手できます。
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