平滑回路の特徴について（その２）

質問

以前、http://personal.okwave.jp/qa3650528.html
で質問させていただきました。基礎から勉強しないとだめですよいうことは
十分わかっておりますが、その点はご了承ねがいます。
前回も皆様にご説明いただいたのですが、まさ、コンデンサインプット形とチョークインプット形の違いがよく理解できません。
コンデンサインプットでは、まずコンデンサの充電放電により交流を平滑し、若干のリプル分が残りますが、これがチョークによりさらに平滑されほぼ直流になります。しかし、この直流電圧が理論的には交流電圧のピーク値になるのでしょうか？イメージ的には充電後、コンデンサ放電し次の充電が始まるときの電圧の大きさの直流になるような・・・（その電圧より高い部分がチョークによりカットされるのかなと）。
また、コンデンサインプットでは高電圧は得られるが、電圧の変動が大きいとあるのですが、なぜ電圧変動が大きくなるのでしょうか。

最もよくわからないのがチョークインプットです。まずチョークにより脈流を吸収するとのことですが、これによりどのような波形が出てくるのでしょうか？そもそもチョークで脈流がなくなれば、その後に並列に接続するコンデンサはなんのためにあり、どのような作用をしているのでしょうか。
また、チョークインプットでは電圧変動が少ないとあるのですが、なぜこの方がすくなくなるのでしょか。

前回「foobar様」のご回答で「コンデンサ入力では、交流一周期のうち、ダイオードが導通している時間は短くて、・・・チョーク入力では、ダイオードが連続して導通していて、・・・」とあるのですが、どうしてこのような導通時間の違いがでてくるのでしょうか。

調べてもわからず大変困っております。何卒宜しくお願いいたします。

回答No.5

foobar

#4お礼欄に関して
”「交流入力電圧と負荷電圧の差がコイルにかかる」という事項と、「コイルがその電圧差を支えるため電流が変化」するというところがよくわかりません。”

回路の動作を考える上で、（ダイオードが導通しているという条件の元では）最初に電圧が決まり、それとつじつまがあうような電流が流れる、と捉える方が適切かと思い、上記表現を出しました。

数式で表すと、
1. 整流器出力電圧v1(単相全波整流で、ダイオードに常時電流が流れている条件では交流電圧の絶対値と等しい）,コイル両端電圧vL,負荷電圧v2とすると、
v1=vL+v2　が成立し、vL=v1-v2になっています（キルヒホッフの第二法則そのもの）。これが「交流入力電圧と負荷電圧の差がコイルにかかる」です（電圧の式そのもの）
2.次にコイル自体に着目すると、コイル電流iLとすると、
vL=L*diL/dt になっています。「コイルがその電圧差を支えるため電流が変化」
となって、ごく当り前の表現になるのですが。

「電源による電流が０」はいただけない
「電源は普通の交流のため電圧が０になる」のですが、これはあくまでも「電圧」です。チョークインプット回路では、電流は（ちょっと荒っぽい表現をすると）コイルでほぼ一定値になっているので、「電源による電流」という表現（解釈）は適切では無いかと思います。

回答No.4

foobar

若干補足、コメント
「コンデンサ入力では、交流一周期のうち、ダイオードが導通している時間は短くて、・・・チョーク入力では、ダイオードが連続して導通しいて、・・・」
は全波整流、半波整流の差異ではありません。
（とりあえず、両方共、単相全波整流を念頭に置いてます。
単相半波整流＋チョークインプットはちょっと扱いが面倒（もう一本ダイオードを付加しないといけない）とか、
三相全波だと差異が少なくなる、とかありますので）

＃１お礼欄に関して
「電流が減少してくると自己誘導作用により減少を妨げる方向に起電力が発生し、この起電力により順方向に電流を流し続けようとする。このため電源による電流が０になってもこの自己誘導作用により電流が流れ続けるため、」
・電流が減少して誘導電圧が、という見方よりも、（電流が流れるために）ダイオードが導通しているので交流入力電圧と負荷電圧の差がコイルにかかり（コイルがその電圧差を支える必要がある）、電流が変化(di/dt=v/L)する、という見方の方がよいかもしれません。
・「電源による電流が０」はいただけないかと思います。

＃２さん回答の最後の2行が、本質をずばり言い切ってます。
一度、コンデンサインプットとチョークインプットの回路（と全波整流の組合せ）で、それぞれ各部の電圧、電流波形がどうなるか、（特に、ダイオードの両端にはどんな電圧が加わるか、かな）をグラフに描いて見られるのが良いかと思います。

個人的には、これくらいの規模の回路なら一度は回路シミュレータを使わずに、それぞれの部品の特性を考えながら、手で波形を描いておく方が良いかと思います。
回路シミュレータはこのあたりの処理を(半）自動でやってくれるので、非常に便利なのですが、反面、出てきた結果を判断評価するのに、ある種のセンスが必要（例えば、どの部分の電圧や電流に回路の特徴がもっとも表れるか（どの部分を表示させるか）、どの制約条件が一番効いているかの見極め）になるように思います。

お礼

補足説明ありがとうございます。
勉強不足で申し訳ございません。

ご回答の「（電流が流れるために）ダイオードが導通しているので交流入力電圧と負荷電圧の差がコイルにかかり（コイルがその電圧差を支える必要がある）、電流が変化(di/dt=v/L)する」という部分についてもう少しご説明いただけませんでしょうか？・・・交流入力電圧と負荷電圧の差がコイルにかかるという事項と、コイルがその電圧差を支えるため電流が変化するというところがよくわかりません。

また、「電源による電流が０」はいただけないかと思います。とのことですが、電源は普通の交流のため電圧が０になる時点があるのではないかと思ったのですが・・・私は何か認識違いをしているのでしょうか。

回答No.3

noname#101087

>コンデンサインプットでは、まずコンデンサの充電放電により交流を平滑し、若干のリプル分が残りますが、これがチョークによりさらに平滑されほぼ直流になります。しかし、この直流電圧が理論的には交流電圧のピーク値になるのでしょうか？

「平滑されほぼ直流」になったとき、その直流電圧は整流出力波形の直流成分ですから、「交流電圧のピーク値」よりも低いはずです。

>また、コンデンサインプットでは高電圧は得られるが、電圧の変動が大きいとあるのですが、なぜ電圧変動が大きくなるのでしょうか。

コンデンサインプットは半波整流回路のあとに使われることが多いようです。
ふつうの半波整流だと、スイッチングが半周期ずつオンオフを繰り返すので、コンデンサの両端電圧変動が大きくなるからでしょう。
コンデンサ容量をばかでかくすれば変動を減らせますが、「半波整流 + コンデンサインプット」の売りは「小型・安価」なので、なかなか....。

>また、チョークインプットでは電圧変動が少ないとあるのですが、なぜこの方がすくなくなるのでしょか。

チョークインプットは全波波整流のあとに使われることが多いようです。
電圧変動 (リップル？) が少ないのは、全波波整流のご利益だと思いますが。

>「コンデンサ入力では、交流一周期のうち、ダイオードが導通している時間は短くて、・・・チョーク入力では、ダイオードが連続して導通していて、・・・」とあるのですが、どうしてこのような導通時間の違いがでてくるのでしょうか。

これも平滑回路のせいじゃなくて、半波 / 全波整流の違いを言ってるみたいです。

お礼

順序立てたご説明ありがとうございます。
半波と全波の違いなのでしょうかね。

コンデンサインプット形の場合、コンデンサ通過後の電圧波形・・・のこぎり形・・・は記載されており、自分でも理解できているのですが、
チョークインプット形の場合、チョークコイル通過後の電圧波形についてはどこにも記載がなく、どのようになっているのか。。。。またそれに続くコンデンサでどのように平滑されるのか・・・がわからず疑問になっています。

回答No.2

tadys

無料で使用できる回路のシミュレーションソフトがありますのでシミュレーションで確認するのが良いと思います。

http://atmori.hp.infoseek.co.jp/cmaker/index.htm

何故かは自分で考えたほうが良いです。
ヒントだけ
コイルは両端の電圧は変化しやすいが流れる電流は変化しにくい。
コンデンサは流れる電流は変化しやすいが両端の電圧は変化しにくい。

お礼

ありがとうございました。
自分で考えるべきことなのでしょうが・・・どうしてもわからずに質問してしまいました。すみません。
ご回答の「コイルは両端の電圧は変化しやすいが流れる電流は変化しにくい。」というのは、自己誘導作用に起因するのでしょうか？
電圧が減少しても、電流を流し続けようとすると・・・

シュミレーションソフトのダウンロードができませんでした。

回答No.1

foobar

電源設計に関する書籍に記述があるような気がします。
「コンデンサ入力では、交流一周期のうち、ダイオードが導通している時間は短くて、・・・チョーク入力では、ダイオードが連続して導通していて、・・・」

（充分な容量のある）コンデンサ入力型では、
・入力交流電圧がピーク値になったとき、コンデンサはピーク値まで充電される。
・その後、入力電圧が下がると、コンデンサ電圧の方が高いため、整流用ダイオードが逆バイアスになって、ダイオードがOFF状態になる。
・結果、ダイオードには、交流電圧のピーク付近だけパルス的に電流が流れる
という挙動になります。

これに対して、（充分なインダクタンスを持った）チョーク入力では、
・コイルの特性から、「コイル電流が常に流れ」ている。
・結果、整流用ダイオードのうち、どれか（いちばん高い瞬時電圧が入力されている組み合わせ）は必ず導通状態になる。（順バイアスになるダイオードができるように、コイルにLdi/dtの電圧が発生する）
という挙動になります。

お礼

ありがとうございます。
あまり基礎知識もなく、細かいことにばかり気にして申し訳ございません。
ご回答の最後のチョーク入力については、
コイルの特定とありますが、これは、コイルには自己誘導作用があり
順方向のときは順方向電流より電流が流れ、電流が減少してくると自己誘導作用により減少を妨げる方向に起電力が発生し、この起電力により順方向に電流を流し続けようとする。このため電源による電流が０になってもこの自己誘導作用により電流が流れ続けるため、常にどこかのダイオードは導通状態になっていると考えて良いのでしょうか。