方形波を直流に変換する方法を教えてください

質問

周波数50KHz、振幅24V（0Vを基準にして）、デューティサイクル50%、
電流容量3Aの方形波発振器から、10V前後の直流電圧（直流電流は3A）
に変換して電子回路の電源にしたいのですが、オペアンプでアクティブ
フィルタを組むわけにもいかず、参考書に載っていたパッシブフィルタ
の計算式ではうまくいきませんでした。

方形波発振器は二台持っていますが、一台の出力回路はエミッタ出力で
もう一台はコレクタ出力です。

どなたかフィルタの計算式をご存じの方は教えていただけないでしょうか。
フィルタの計算式が載っている電子回路の初心者向け参考書などでも
かまいません。

よろしくお願いします。

回答No.4

mdmp2 · ベストアンサー

0-1V 方形波の成分は、
0.5 + (2/π)*{Sin(ωt) + (1/3)* Sin(3*ωt) + (1/5)* Sin(5*ωt) + (1/7)* Sin(7*ωt) + ・・・・
50kHz, 0-24V の方形波なら、
直流分: 12V
交流分:
50kHzの振幅 : 波高値: 24V*2/π = 15.3V 実効値: 10.8V
150kHzの振幅 : 波高値: 50kHzの振幅/3 = 5.8V 実効値: 4.1V
250kHzの振幅 : 波高値: 50kHzの振幅/5 = 3.1V 実効値: 2.4V
やったことがないので、机上の空？論かもしれませんが、LPF で交流分を120mVp-p 程度に低減させてやれば、実用的には直流電源になると思います。
インダクタ、キャパシタを各1個使用したLPF なら、インダクタのインダクタンスを10mH, キャパシタの容量を1μF とすると、50kHzにおけるインダクタのリアクタンスは約3kΩ、キャパシタのリアクタンスは約3Ωになりますので、50kHz の成分は1/1000 に低減され、10.8mV になります。
リップル（残留雑音）の許容値により選定するインダクタまたはキャパシタの値は変わってきます。例えば、残留雑音100mV 程度許容するなら、インダクタを1mH ,キャパシタはそのままで1μFにすることができます。3mH, 0.33μF でもOKです。高周波回路のLPF とちがって、インピーダンスの整合を考慮する必要がありませんので、調達しやすい部品の中から適当に組み合わせることができます。
問題は、方形波発振器の出力回路が、エミッタ出力またはコレクタ出力の場合は、出力電圧がゼロになったとき負荷側の電圧のほうが高い場合、電流を吸い込む力がありませんので、負荷が軽い場合、LPF 出力が上昇します。無負荷の場合は24Vまで上昇します。

参考書に載っていたパッシブフィルタの計算式で（インダクタおよびキャパシタの値を求め、LPF を組み立て、使用してみたが）はうまくいきませんでした。
．．．．．ということですが、計算で求めたインダクタおよびキャパシタの値ならびにどのようにうまく行かなかったか教えていただけませんか？

お礼

具体的な数値を挙げてのご丁寧な回答をいただき、ほんとうにありがとうございました。
参考にした書籍は「D級デジタルアンプ云々」に記載されている正規化バタワース特性LCフィルタの素子値」の4次の数値で計算しましたが、インダクタおよびキャパシタの値は失念してしまいました。
しかし、回答していただいた内容で再検討してみます。
ありがとうございました。
失礼します。

回答No.3

teppou

私も No.2 fjnobu さんと同じようにすると思います。
　少し補足しますと、下記参考サイトを見ていただいて、
　http://www.mizunaga.jp/rectify.html
　正電圧出力のパルスなら基本回路の(1)半波整流回路の図のトランスとパルス出力を置き換え、OUTの個所にレギュレーターを接続します。
　パルス出力が正負交流出力であれば(3)ブリッジ整流回路のトランスとパルス出力を置き換えます。
　コンデンサの耐圧に気を付けてください。コンデンサの容量はカットアンドトライで決めてください。
　レギュレーターは三端子レギュレータを使うのが簡単でよいと思いますが、10V出力はないと思いますので、9Vか12Vになると思います。
　三端子レギュレーターの使い方は下記サイトをご覧ください。
　コンデンサの取り付け方に気を付けてください。
　https://radio1ban.com/bb_regu/
　http://www.riric.jp/electronics/design/power/regu3pin_usage.html
　三端子レギュレーターのなかには電圧を可変できるものもあります。
　https://www.marutsu.co.jp/contents/shop/marutsu/mame/163.html
　疑問点は補足コメントでお願いします。

お礼

早速の回答をありがとうございました。
たいへん参考になりました。
よく検討してみます

回答No.2

fjnobu

ブリッジダイオードで整流して、シリーズレギュレータで電圧を下げると簡単です。効率は良くはないです。効率を良くするなら、スイッチングレギュレータを使えば可能です。

お礼

早速の回答をありがとうございました。
とても参考になりました。
よく考え直してみます。

回答No.1

aokii

直流電圧に変換する目的が解りませんが、反転加算してはいかがでしょう。

お礼

早速の回答をありがとうございました。
波形には立ち上がり、立下りに若干の遅れがあるため
反転加算すると、その遅れ時間が加算されて方形波間に
深いディップが生じると思います。
それをどのように処理するかですが
もういちど考えてみます。