スイッチング電源のコイルの振る舞いについて

質問

似たような質問がありましたが、知りたいと思ったところが、理解しにくくて質問させていただきました。

現在、スイッチング電源の勉強をしていますが、コイルの前後で電圧波形が変化する原理が理解できません。レギュレータから方形波が出力されて、コイルを通過したあとには直流の出力になっているということです。
出力電圧の大きさはデューティ比から求める事が出来るのは、数学的には理解できるのですが、電気学的に理解できません。どなたかお教え願えませんか？

回答No.4

himara-hus · ベストアンサー

＞レギュレータから方形波が出力されて、コイルを通過したあとには直流の出力になっているということです。
出力電圧の大きさはデューティ比から求める事が出来るのは、数学的には理解できるのですが、電気学的に理解できません。どなたかお教え願えませんか？

　本当に、数学的に理解できていますか？

　回路構成が良くわかりませんが、コイルの前はＤＣをＯＮ／ＯＦＦした波形でしょうか？
　厳密に言えば（言わなくても）、コイルの前で既に直流です。
　＃３さんが言われるように、その波形をフーリエ展開すると、直流成分＋基本スイッチング周波数のｎ次成分（ｎ＝１，２，・・・）＋矩形波の狭い周波数のｎ次成分（ｎ＝１，２，・・・）＋広い周波数のｎ次成分（ｎ＝１，２，・・・）が出ます。
　つまり、直流成分に交流成分が重畳された形であり、中心はその直流電圧レベルです。（直流と言う）
　その直流電圧レベルは、その矩形波の積分した値をその区間で平均したものです。つまり、プラス電圧の区間が長くなるほど、電圧が上がることになります。
　コイル後は、他の方が言われているように、平滑回路（原理はローパスフィルタと同じ）で、上記の全ての交流成分が除去された波形が観測されます。

お礼

わかりやすいご指導ありがとうございました。
自分の理解不足に気付けました。

回答No.5

goofeegooo

コイルの場合、電気的に...よりは磁気的に理解したほうがよろしいかと思います。
コイルに電圧をかけて電流が流れているとき、コイルには磁気エネルギーが蓄積され、電圧がかからなくなったときはそれまで流れていた電流を保持しようとするため、蓄えていた磁気エネルギーを放出する。
スイッチング電源はこの動作を繰り返し行っています。

あまり良い資料が見つからなかったのですが、下記URLのP.39、図10-11あたりは参考になりませんかね。

ピンと来ない様なら物体の運動を引き合いに出してコイル動作を説明することも出来ますが.....。
必要であればリクエストしてください。

参考URL：

http://www.tdk.co.jp/tjbcd01/bcd23_26.pdf

回答No.3

outerlimit

＞低周波の成分が直流分としてでているのですか？
＞波形が鈍るとはどういうことですか？

数学的には理解できるとの事なので

繰り返しの矩形波をフーリエ変換してください
直流から矩形波の立ち上がり/立下り時間分の１の周波数の100倍以上までの周波数成分に分解されます（その大きさはそれぞれですが)
平滑用リアクタンス(インダクタンス)を通すとこのうちの周波数の高い成分が減衰させられます
直流分以外を全て完全に減衰させられれば、完全な直流が得られます
通常は、ある程度の周波数の成分は残ります、この場合脈動のある直流になります
キャパシタンス・アクティブ素子を加えれば、脈動の非常に少ない直流を得ることができます

イメージとしては
電圧が高い時コンデンサで吸収し、電圧が低くなった時に放出する
コイルで電流の急激な変動を抑えゆっくりした変動にする

お礼

フーリエ変換したところ、おっしゃるとおりになりました。ありがとうございます。

回答No.2

noname#101087

>低周波の成分が直流分としてでているのですか？
>波形が鈍るとはどういうことですか？

平滑用のコイル(L)のあとに負荷(R)をつないだ回路を想定してください。
整流回路からコイルへ、直流(Vdc)と交流(スイッチ周波数fs成分 とその高調波成分)との重畳波形が入ってきます。
負荷(R)への分圧は(コイルの抵抗分を無視すれば)
　　直流(Vdc)はそのまま。
　　交流(周波数fs)は R/sqrt(R^2+X^2) 倍になる。(X=2πfsL)
ということで、平滑コイル(L)のリアクタンス(X)が十分に大きければ、負荷(R)へ入る交流分を小さく(平滑)できるわけです。

回答No.1

outerlimit

平滑用リアクタンスとしてのコイルのことですか　？

回路に直列にコイルが入っていれば、ローパスフィルタとして作動します

矩形波がコイルを通過すれば、そのリアクタンスによって高周波分が除去され直流に重畳した波形の鈍った矩形波となります
コイルのリアクタンス、回路のキャパシタンスで鈍り方が異なります

補足

早速のご回答ありがとうございます。
平滑用のコイルです。
再び質問ですが
低周波の成分が直流分としてでているのですか？
波形が鈍るとはどういうことですか？

お願いいたします。