電圧倍増回路: トランス・整流回路に代わる軽量・低コストソリューション

高DC電圧試験装置の構築を考えていますか？ このようなデバイスは、マイクロ波オーブンやブラウン管など、高DC電圧を必要とするエレクトロニクスや家電のテストや構築に必要です。ステップアップトランスと整流器を使用することも可能ですが、トランスは重く高価なコンポーネントです。そのため、最良のソリューションとは言えません。電圧倍増回路は、わずかなコンポーネントで組み立てられるより良い代替案です。プロジェクトで構築したい場合はすべての詳細を記載しました。まず、電圧倍増回路の定義とタイプを見てみましょう。

電圧倍増回路とは？

電圧倍増回路は、乗算係数が2の電圧乗算回路です。AC電圧を入力として受け取り、入力ピーク電圧の2倍に相当するDC電圧を出力します。

これにより、回路は2つの役割を果たします。ピークAC電圧を昇圧するステップアップトランスの役割と、ACをDCに変換する整流器の役割です。

電圧乗算回路であるため、倍増回路は高次回路の基本構成ブロックまたは単一段階を構成します。

類似の段をカスケード接続することで、電圧3倍、4倍、それ以上の回路を作成できます。3倍電圧には3つのダイオードとコンデンサ、4倍にはそれぞれ4つずつあります。プロジェクトに必要な電圧に達するまで回路を拡張できます。

電圧倍増回路はどのように動作するか？

電圧倍増回路は、電圧を増幅し、電流を一方向に流す4つの離散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。

回路は、各AC電圧サイクルでダイオードの一方が導通す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がオフのままなので、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。

負のピークではダイオード1がオフになりますが、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。しかし、前のサイクルでコンデンサ1がすでに充電されています。したがって、この電圧が着信AC電圧に加算されます。

結果として、第2コンデンサでピークAC電圧の2倍が得られますが、このとき電流が一方向に流れるためDCとなります。

したがって、倍増回路はチャージポンプとして機能し、2Vinを供給します。

電圧倍増回路のタイプ

• 半波電圧倍増回路
• 全波電圧倍増回路

電圧倍増回路の利点

• トランスよりも安価で軽量な代替案。
• 接続ダイオードとコンデンサの極性を反転させることで負電圧を生成可能。
• 同一の電圧倍増回路をカスケード接続することで、電圧乗算係数を簡単に増やせます。

DC電圧倍増回路

ここからが本題です。DC電圧倍増回路（半波または全波）を構築したい場合、以下のコンポーネントが必要です：

• プリント基板（またはブレッドボードとジャンパーワイヤー）
• ダイオード2個
• コンデンサ2個

では、回路はどのように動作するのでしょうか？ 詳細に、半波と全波のDC電圧倍増回路の両方を見てみましょう。まず、入力がどのように流れるかを説明します。

AC入力電圧

AC波形には正と負の半サイクルがあるため、以下の説明ではこの2つのサイクルで何が起こるかのみを説明します。倍増は電力が回路に流れ込むにつれて繰り返し発生します。

Vmはピーク電圧、Vinは入力電圧です。ピーク電圧ではVm = Vinなので、式ではVmを使用します。

半波電圧倍増回路

以下の図に示す極性では、入力電圧がダイオードD2を逆バイアスします。D2のN側がプラス端子に、P側がACソースのマイナス端子に接続されます。

一方、D1はP側とN側がそれぞれプラスとマイナス端子に接続されるため、順方向バイアスされます。

したがって、ダイオードD1が短絡（導通状態）を形成し、D2が開放回路を形成するとして図を再考できます。キルヒホッフの電圧法則を使用して、コンデンサC1両端の電圧（Vc1）を求めます。

Vm – Vc1 = 0

したがって、Vc1 = Vm

負の半サイクルでは、極性が以下のように変化します。

この波では、VinがダイオードD2を順方向バイアスします。D2のN側とP側がそれぞれマイナスとプラス端子に接続されます。しかし、D1は逆バイアスされます。

したがって、D1が開放回路を形成し、D2が短絡を形成するとして図を再描画できます。

キルヒホッフの電圧法則を使用して、以下の式でコンデンサC2両端の電圧を決定できます。

-Vm – Vm + Vc2 = 0

-Vmは入力電圧（負極性時）

2番目のVmは、前のサイクルで充電されたC1両端の電圧です。

したがって、Vc2 = Vm + Vm、これは2Vmに相当します。

コンデンサC2に負荷を接続すると、ピーク入力電圧の2倍が得られ、倍増効果が生まれます。

C1は放電する帰還経路がないため蓄積デバイスとして機能します。しかし、負の半サイクルでは電圧源と直列に接続されるため、2つの電源の電圧が加算されます。

全波電圧倍増回路

全波倍増回路を扱う場合、両方のコンデンサC1とC2両端の電圧を測定します。正のサイクルでは、VinがD1を順方向バイアスしますが、D2を逆バイアスします。

この期間、D1には抵抗がないため短絡し、コンデンサC1を充電します。しかし、D2は高抵抗のため開放回路として機能します。したがって、C2は充電されません。

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が逆バイアスされますが、極性がD2を順方向バイアスします。

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

前のサイクルでC1が充電されていることを思い出してください。したがって、両方ともピーク電圧Vmにあります。したがって、両方のコンデンサに負荷を接続すると、2Vmが得られます。

違いは何ですか？

式を見ると、それらはある程度似ています。では、半波と全波電圧倍増回路の違いは何でしょうか？

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し、リップル周波数を平滑化するのが困難になります。したがって、出力電圧曲線はそれほど滑らかではありません。

しかし、全波電圧倍増回路は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です。

半波および全波回路の両方で、コンデンサC1とC2が最初は無電荷であると仮定する必要があることに注意してください。

電圧倍増回路の応用

• イオンポンプ
• テレビCRT
• X線システム
• 複写機
• レーダー装置
• 進行波管
• マイクロ波オーブン
• 虫除けザッパー

まとめ

結論として、電圧倍増回路はトランスほど重くなく、安価に作れるため、多くのデバイスで重要な回路です。

トランス・整流回路の方がより滑らかなDC出力電圧曲線を生成しますが、それぞれの長短を考慮すると、電圧倍増回路に利点があります。

また、フィルタ回路を倍増回路に追加して、出力をトランス・整流器の組み合わせに匹敵するように平滑化できます。

これらの回路を作るためのコンポーネントが必要な場合、お問い合わせください。手頃な価格で本物の部品を提供します。