半波整流器とは:回路とその特性

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1880年代自体に、整流器の識別と一意性が開始されました。整流器の進歩により、パワーエレクトロニクスの分野でさまざまなアプローチが発明されました。整流器に採用された最初のダイオードは1883年に設計されました。1900年代の初期に開拓された真空ダイオードの進化に伴い、整流器に制限が生じました。一方、水銀アーク管の変更により、整流器の使用はさまざまなメガワット範囲に拡大されました。そして、整流器の1つのタイプは半波整流器です。

真空ダイオードの強化により、水銀アーク管の進化が示され、これらの水銀アーク管は整流管と呼ばれていました。整流器の開発に伴い、他の多くの材料が開拓されました。したがって、これは整流器がどのように進化し、どのように開発されたかについての簡単な説明です。半波整流器とは何か、その回路、動作原理、および特性を知るための明確で詳細な説明があります。




半波整流器とは何ですか?

整流器は、AC電圧をDC電圧に変換する電子機器です。つまり、交流を直流に変換します。整流器は、ほとんどすべての電子機器で使用されています。主に、主電源電圧をDC電圧に変換するために使用されます 電源 セクション。 DC電圧供給を使用することにより、電子機器が機能します。導通期間に応じて、整流器は2つのカテゴリに分類されます。半波整流器と 全波整流器

建設

全波整流器と比較すると、HWRは最も簡単に構築できる整流器です。単一のダイオードでのみ、デバイスの構築を行うことができます。



HWR建設

HWR建設

半波整流器は、以下のコンポーネントで構成されています。

  • 交流電源
  • 負荷部の抵抗
  • ダイオード
  • 降圧トランス

ACソース


この電流源は、回路全体に交流電流を供給します。このAC電流は、通常、正弦波信号として表されます。

ステップダウントランス

AC電圧を増減するために、通常、変圧器が使用されます。ここでは降圧トランスを使用しているため、AC電圧を下げ、昇圧トランスを使用すると、AC電圧を最小レベルから高レベルに上げます。 HWRでは、ダイオードに必要な電圧が非常に小さいため、ほとんどが降圧トランスが使用されます。トランスを使用しない場合、AC電圧が高いとダイオードが損傷します。一方、いくつかの状況では、昇圧トランスを使用することもできます。

降圧装置では、二次巻線の巻数は一次巻線の巻数よりも最小です。このため、降圧トランスは一次巻線から二次巻線への電圧レベルを下げます。

ダイオード

半波整流器でダイオードを使用すると、一方向にのみ電流が流れますが、別の経路では電流が流れなくなります。

抵抗器

これは、指定されたレベルにのみ電流の流れを遮断するデバイスです。

これは 半波整流器の構築

半波整流器の動作

正の半サイクルの間、ダイオードは順方向バイアス状態にあり、RL(負荷抵抗)に電流を流します。負荷の両端に電圧が発生します。これは、正の半サイクルの入力AC信号と同じです。

あるいは、負の半サイクルの間、ダイオードは逆バイアス状態にあり、ダイオードを流れる電流はありません。 AC入力電圧のみが負荷の両端に現れ、正の半サイクル中に可能な最終結果です。出力電圧はDC電圧を脈動させます。

整流回路

単相回路または多相回路は、 整流回路 。家庭用アプリケーションでは、単相低電力整流回路が使用され、産業用HVDCアプリケーションでは三相整流が必要です。の最も重要なアプリケーション PN接合ダイオード は整流であり、ACをDCに変換するプロセスです。

半波整流

単相半波整流器では、AC電圧の負または正の半分が流れ、AC電圧の残りの半分がブロックされます。したがって、出力はAC波の半分しか受信しません。単相半波整流には単一のダイオードが必要であり、 3つのダイオード 三相電源の場合。半波整流器は、全波整流器よりも多くのリップルコンテンツを生成し、高調波を除去するには、はるかに多くのフィルタリングが必要です。

単相半波整流器

単相半波整流器

正弦波入力電圧の場合、理想的な半波整流器の無負荷出力DC電圧は次のようになります。

Vrms = Vpeak / 2

Vdc = Vpeak /

どこ

  • Vdc、Vav –DC出力電圧または平均出力電圧
  • Vpeak –入力相電圧のピーク値
  • Vrms –二乗平均平方根値の出力電圧

半波整流器の操作

PN接合ダイオードは、順方向バイアス状態の間のみ導通します。半波整流器は PN接合ダイオードと同じ原理 したがって、ACをDCに変換します。半波整流回路では、負荷抵抗はPN接合ダイオードと直列に接続されています。交流は半波整流器の入力です。降圧トランスは、入力電圧とその結果の出力を受け取ります。 トランスフォーマー 負荷抵抗とダイオードに与えられます。

HWRの動作は、次の2つのフェーズで説明されます。

  • 正の半波プロセス
  • 負の半波プロセス

正の半波

入力AC電圧として60Hzの周波数の場合、降圧トランスはこれを最小電圧に下げます。そのため、トランスの2次巻線で最小電圧が生成されます。二次巻線のこの電圧は、二次電圧(Vs)と呼ばれます。最小電圧は、ダイオードへの入力電圧として供給されます。

入力電圧がダイオードに達すると、正の半サイクル時にダイオードは順方向バイアス状態に移行し、電流が流れますが、負の半サイクル時にはダイオードは負のバイアス状態に移行します。電流の流れを妨げます。ダイオードに印加される入力信号の正側は、P-Nダイオードに印加される順方向DC電圧と同じです。同様に、ダイオードに印加される入力信号の負側は、P-Nダイオードに印加される逆DC電圧と同じです。

そのため、ダイオードは順方向バイアス状態で電流を伝導し、逆バイアス状態で電流の流れを妨げることが知られていました。同様に、AC回路では、ダイオードは+ veサイクルの間電流の流れを許可し、-veサイクルの時間に電流の流れをブロックします。 + ve HWRになると、-ve半サイクルを完全に妨害することはなく、-ve半サイクルのセグメントをほとんど許可しないか、負の電流を最小限に抑えることができます。これは、ダイオード内に少数の電荷キャリアがあるため、現在の世代です。

この少数の電荷キャリアを通る電流の生成は非常に最小限であるため、無視することができます。 -ve半サイクルのこの最小部分は、負荷セクションでは観察できません。実際のダイオードでは、負の電流は「0」と見なされます。

負荷部の抵抗は、ダイオードから発生する直流電流を利用しています。したがって、抵抗は電気負荷抵抗と呼ばれ、DC電圧/電流はこの抵抗の両端で計算されます(RL)。電気出力は、電流を利用する回路の電気的要因と見なされます。 HWRでは、抵抗はダイオードで生成された電流を利用します。このため、抵抗は負荷抵抗と呼ばれます。 RLin HWRは、ダイオードによって生成される追加のDC電流の制限または制限に使用されます。

したがって、半波整流器の出力信号は、正弦波の形をした連続+ ve半サイクルであると結論付けられました。

負の半波

負の方法での半波整流器の操作と構造は、正の半波整流器とほとんど同じです。ここで変更される唯一のシナリオは、ダイオードの方向です。

入力AC電圧として60Hzの周波数の場合、降圧トランスはこれを最小電圧に下げます。そのため、トランスの2次巻線で最小の電圧が生成されます。二次巻線のこの電圧は、二次電圧(Vs)と呼ばれます。最小電圧は、入力電圧としてダイオードに供給されます。

入力電圧がダイオードに達すると、負の半サイクル時にダイオードが順方向バイアス状態に移行して電流が流れますが、正の半サイクル時にダイオードが負のバイアス状態に移行します。電流の流れを妨げます。ダイオードに印加される入力信号の負側は、P-Nダイオードに印加される順方向DC電圧と同じです。同様に、ダイオードに印加される入力信号の正側は、P-Nダイオードに印加される逆DC電圧と同じです。

そのため、ダイオードは逆バイアス状態で電流を伝導し、順バイアス状態で電流の流れを妨げることが知られていました。同様に、AC回路では、ダイオードは-veサイクルの間電流の流れを許可し、+ veサイクルの時間に電流の流れをブロックします。 -ve HWRになると、+ ve半サイクルを完全に妨害することはなく、+ ve半サイクルのいくつかのセグメントを許可するか、最小の正電流を許可します。これは、ダイオード内に少数の電荷キャリアがあるため、現在の世代です。

この少数の電荷キャリアを通る電流の生成は非常に最小限であるため、無視することができます。 + ve半サイクルのこの最小部分は、負荷セクションでは観察できません。実際のダイオードでは、正の電流は「0」であると見なされます。

負荷部の抵抗は、ダイオードから発生する直流電流を利用しています。したがって、抵抗は電気負荷抵抗と呼ばれ、DC電圧/電流はこの抵抗の両端で計算されます(RL)。電気出力は、電流を利用する回路の電気的要因と見なされます。 HWRでは、抵抗はダイオードで生成された電流を利用します。このため、抵抗は負荷抵抗と呼ばれます。 RLin HWRは、ダイオードによって生成される追加のDC電流の制限または制限に使用されます。

理想的なダイオードでは、出力セクションの+ veと-veの半サイクルは+ veと-veの半サイクルに似ているように見えますが、実際のシナリオでは、+ veと-veの半サイクルは入力サイクルとは多少異なります。そしてこれはごくわずかです。

したがって、半波整流器の出力信号は、正弦波の形をした連続的な-ve半サイクルであると結論付けられました。したがって、半波整流器の出力は、連続的な+ veおよび-ve正弦波信号ですが、純粋なDC信号ではなく、脈動形式です。

半波整流器の動作

半波整流器の動作

この脈動するDC値は、短時間で変化します。

半波整流器の動作

正の半サイクル中、上端の二次巻線が下端に対して正の場合、ダイオードは順方向バイアス状態にあり、電流を流します。正の半サイクルの間、ダイオードの順方向抵抗がゼロであると想定される場合、入力電圧は負荷抵抗に直接印加されます。出力電圧と出力電流の波形は、AC入力電圧の波形と同じです。

負の半サイクルの間、下端の二次巻線が上端に対して正である場合、ダイオードは逆バイアス状態にあり、電流を流しません。負の半サイクルの間、負荷の両端の電圧と電流はゼロのままです。逆電流の大きさは非常に小さく、無視されます。したがって、負の半サイクルの間は電力が供給されません。

一連の正の半サイクルは、負荷抵抗の両端に発生する出力電圧です。出力は脈動するDC波であり、負荷を横切るはずの滑らかな出力波フィルターを使用します。入力波が半サイクルの場合、それは半波整流器として知られています。

三相半波整流回路

三相半波非制御整流器には、それぞれが相に接続された3つのダイオードが必要です。三相整流回路は、DC接続とAC接続の両方で大量の高調波歪みの影響を受けます。 DC側の出力電圧には、サイクルごとに3つの異なるパルスがあります。

三相HWRは、主に三相AC電力を三相DC電力に変換するために使用されます。この場合、ダイオードの代わりに、非制御スイッチと呼ばれるスイッチが使用されます。ここで、制御されていないスイッチは、スイッチのオン時間とオフ時間を調整するアプローチが存在しないことに対応します。このデバイスは、変圧器の2次巻線が常にスター接続されている3相変圧器に接続されている3相電源を使用して構築されています。

ここでは、変圧器の二次巻線に負荷を再び接続するために中性点が必要であるため、スター接続のみが続き、電力の流れの戻り方向が提供されます。

純粋な抵抗性負荷を提供する3相HWRの一般的な構造を次の図に示します。構造設計では、変圧器の各相は個別のAC電源と呼ばれます。

三相変圧器によって得られる効率はほぼ96.8%です。 3相HWRの効率は単相HWR以上ですが、3相全波整流器の性能よりも劣ります。

三相HWR

三相HWR

半波整流器の特性

以下のパラメータに対する半波整流器の特性

PIV(ピーク逆電圧)

逆バイアス状態の間、ダイオードはその最大電圧のために耐えなければなりません。負の半サイクルの間、負荷に電流は流れません。したがって、負荷抵抗による電圧降下がないため、ダイオードの両端に電圧全体が現れます。

半波整流器のPIV = VSMAX

これは 半波整流器のPIV

ダイオードの平均電流とピーク電流

変圧器の2次側の両端の電圧が正弦波であり、そのピーク値がVであると仮定します。SMAX。半波整流器に与えられる瞬時電圧は

Vs = VSMAXwtなし

負荷抵抗を流れる電流は

MAX= VSMAX/(RF+ RL

規制

レギュレーションは、全負荷電圧に対する無負荷電圧と全負荷電圧の差であり、電圧レギュレーションのパーセンテージは次のように与えられます。

%Regulation = {(Vno-load – Vfull-load)/ Vfull-load} * 100

効率

入力ACと出力DCの比率は、効率(?)として知られています。

?= Pdc / Pac

負荷に供給されるDC電力は

Pdc = IDCRL=(IMAX/ᴨ)RL

変圧器への入力AC電源、

Pac =負荷抵抗の電力損失+接合ダイオードの電力損失

=私rmsRF+私rmsRL= {IMAX/ 4} [RF+ RL]

?= Pdc / Pac = 0.406 / {1 + RF/ RL}

半波整流器の効率は、Rの場合40.6%です。F無視されます。

リップルファクター(γ)

リップルコンテンツは、出力DCに存在するACコンテンツの量として定義されます。リップル係数が小さい場合、整流器の性能は高くなります。半波整流器のリップル係数値は1.21です。

HWRによって生成されるDC電力は、正確なDC信号ではなく、脈流DC信号であり、脈流DC形式ではリップルが存在します。これらのリップルは、インダクタやコンデンサなどのフィルタデバイスを使用することで減らすことができます。

DC信号のリップル数​​を計算するために、係数が使用され、リップル係数と呼ばれ、γとして表されます。 リップル係数が高い場合、それは拡張された脈動DC波を示しますが、最小リップル係数は最小の脈動DC波を示します。

γの値が非常に小さい場合、出力DC電流が純粋なDC信号とほぼ同じであることを表します。したがって、リップル係数が低いほど、DC信号は滑らかであると言えます。

数学的な形式では、このリップル係数は、出力電圧のDCセクションに対するACセクションのRMS値の比率として表されます。

リップル係数= ACセクションのRMS値/ DCセクションのRMS値

=私DC+私1+私+私4=私DC+私そして

γ=そして/ 私DC=(I- 私DC) / 私DC= {(Irms/ 私DC)/ Idc = {(Irms/私DC)-1} = kf-1)

ここで、kf –フォームファクター

kf = Irms / Iavg =(Imax / 2)/(Imax /ᴨ)=ᴨ/ 2 = 1.57

そう、 c =(1.572-1)= 1.21

変圧器利用率(TUF)

これは、負荷に供給されるAC電力と変圧器の2次AC定格の比率として定義されます。半波整流器のTUFは約0.287です。

コンデンサフィルター付きHWR

半波整流器の出力について上で説明した一般的な理論によると、脈動するDC信号です。これは、HWRがフィルターを実装せずに動作したときに得られる出力です。フィルタは、脈動するDC信号を安定したDC信号に変換するために使用されるデバイスです。つまり、(脈動する信号を滑らかな信号に変換する)ことを意味します。これは、信号で発生する直流リップルを抑制することで実現できます。

これらのデバイスは、理論的にはフィルターなしで使用できますが、実際のアプリケーションに実装されることになっています。 DC装置は安定した信号を必要とするため、実際のアプリケーションで使用するには、脈動信号を滑らかな信号に変換する必要があります。これが、実際のシナリオでHWRがフィルターとともに使用される理由です。フィルタの代わりにインダクタまたはコンデンサのいずれかを使用できますが、コンデンサ付きのHWRが最も一般的に使用されるデバイスです。

下の写真は、の構造の回路図を説明しています コンデンサーフィルター付き半波整流器 そしてそれが脈動するDC信号をどのように滑らかにするか。

長所と短所

全波整流器と比較すると、半波整流器はアプリケーションであまり使用されていません。このデバイスにはほとんど利点がありませんが。ザ・ 半波整流器の利点は次のとおりです。

  • 安価–最小限のコンポーネントが使用されているため
  • シンプル–回路の設計が完全に単純であるという理由による
  • 使いやすさ–構造が簡単なため、デバイスの使用率も大幅に合理化されます
  • コンポーネントの数が少ない

ザ・ 半波整流器の欠点 は:

  • 負荷セクションでは、出力電力はDCコンポーネントとACコンポーネントの両方に含まれ、基本周波数レベルは入力電圧の周波数レベルと同様です。また、リップル係数が増加するため、ノイズが高くなり、一定のDC出力を提供するには拡張フィルタリングが必要になります。
  • 入力AC電圧の半サイクル時にのみ電力が供給されるため、整流性能が最小限に抑えられ、出力電力も低下します。
  • 半波整流器のトランス使用率は最小限です
  • トランスコアでは、DC飽和が発生し、磁化電流、ヒステリシス損失、および高調波の発生が発生します。
  • 半波整流器から供給されるDC電力の量は、一般的な量の電源を生成するのに十分ではありません。これは、バッテリー充電などのいくつかのアプリケーションに利用できます。

アプリケーション

メイン 半波整流器の応用 DC電源からAC電源を取得することです。整流器は、ほとんどすべての電子機器の電源の内部回路で主に使用されています。電源では、整流器は一般に直列に配置されているため、変圧器、平滑化フィルター、および電圧レギュレーターで構成されます。 HWRの他のアプリケーションのいくつかは次のとおりです。

  • 電源に整流器を実装すると、ACからDCへの変換が可能になります。ブリッジ整流器は、高レベルのAC電圧を最小のDC電圧に変換する機能を備えた巨大なアプリケーションに広く利用されています。
  • HWRの実装は、降圧または昇圧変圧器を介して必要なレベルのDC電圧を得るのに役立ちます。
  • この装置は、鉄の溶接にも使用されます 回路の種類 また、蚊よけ剤にも使用され、蒸気の鉛を押し出します。
  • 検出目的でAM無線デバイスで使用されます
  • 発火およびパルス生成回路として使用
  • 電圧増幅器および変調装置に実装されています。

これはすべてについてです 半波整流回路 そしてその特性を使って作業します。この記事に記載されている情報は、このプロジェクトをよりよく理解するのに役立つと信じています。さらに、この記事に関する質問や実装のヘルプについては 電気および電子プロジェクト 、下のコメントセクションにコメントして、お気軽にご連絡ください。ここにあなたへの質問があります、半波整流器の主な機能は何ですか?