エレクトロニクスの入門: 整流器

Elektor の 5/6 月号では、半導体ファミリーの最初の代表としてダイオードを歓迎しました。ダイオードなしでは今日のエレクトロニクスを考えることはできません。 次に整流器を使って計算してみます。 結局のところ、単に部品をはんだ付けして機能することを期待することはできません。まず、半波整流器を見てみましょう (図1）。

電解コンデンサの静電容量が大きいほど、AC電圧の負の半周期中の電圧降下は少なくなります。 また、抵抗が小さくなるにつれて (したがって、負荷によって引き出される電流が大きくなります)、負の半周期中の電圧はさらに低下します (電子技術者は「崩壊」します)。 これを式に当てはめることができます。

電流は一定であると仮定しました。 ここで、15 V の変圧器、半波整流器、および 1 A の電流が流れる負荷があるとします。整流器によって供給される電圧は、レギュレータ IC によって安定化する必要があります。レギュレータ IC は、必要な電圧を供給するために 18 V の最小入力電圧を必要とします。安定した出力電圧は 15 V です。(この IC については今後の号で説明します。)その場合、コンデンサはどのくらいの大きさにすべきでしょうか?まず、AC 電圧のピーク値を計算する必要があります。 このシリーズの前の記事で、ピーク値が適用されることを確認しました。

便宜上、そのピーク電圧 (整流器として使用されるシリコン ダイオードの順方向電圧) から 0.7 V を差し引きます。

皆さんの中の完璧主義者については、結果を小数第 1 位に四捨五入しました。この場合、これで十分正確です。 IC は少なくとも 18 V の入力電圧を必要とするため (この最小入力電圧は IC のデータシートで確認できます)、電圧は 1 周期で最大 2.5 V 降下することが許容されます。 コンデンサにかかる電圧の式を書き直し、電流、電圧、周波数の値を加算します。

次に大きい標準値は 10,000 µF で、電流がわずか 1 A の場合、これは非常に「かさばる」コンデンサになります。 理論的には、より低い値を達成する (つまり、より小型で安価な電解コンデンサを実現する) には 2 つの方法があります。

この全波整流については後で説明します。 以下では、まず「変圧器電圧の増加」について説明します。 この例で 15 V バージョンの代わりに 18 V トランスを使用すると、ダイオードで約 24.7 V のピーク電圧が測定されます。これは、最大許容電圧差が 6.7 V であることを意味します。したがって、コンデンサの選択は次のようになります。相応に小さくなる。 計算値は約 3000 μF で、次に大きい標準値は 3300 μF または 4700 μF です。有名なオランダのサッカー哲学者 (ヨハン・クライフ) がかつて言ったように、すべての利点には欠点があります。この解決策には、より高い電力消費と、より高い電力消費が伴います。電圧レギュレータの熱放散。 これについては、次のことを見ていきます。図2。

部品番号 7815 のコンポーネントは固定電圧レギュレータです。 当面は、これがどのように機能するかには興味がありません。 ここで重要なのは、この IC が (一定の制限内で) 変動する DC 入力電圧を (ほぼ) 一定の DC 出力電圧に変換するということです。以下は両方の場合の出力電力に当てはまります (15 V トランスを使用した例と 15 V トランスを使用した例)。 18 V 変圧器):

IC 内での消費 (IC 内で熱に変換される電力) は、入力電圧と出力電圧の差と電流の積に等しい (多くの場合、ここでも、IC 自体の電力消費は無視できます)。

確かに、IC の入力電圧は一定ではありません。 この場合、最小入力電圧と最大入力電圧の算術平均を使用します (これは目的にとって十分に正確です)。その結果、電圧レギュレータでの電力損失は約 50% 増加します。これは、大量の過剰な熱が発生することになります。消散すること。 変圧器が 20 W ではなく 22 W を供給する必要があるという事実 (つまり、ダイオードと電圧レギュレーターでの損失を含む) は、サイズが少し大きい変圧器の使用を余儀なくされない限り、あまり問題にはなりません。

全波整流器を図式的に示しました。図3。

4 つのダイオードを備えた独創的な回路 (ブリッジ整流器またはグレーツ回路とも呼ばれます) のおかげで、入力における正弦波 AC 電圧の両方の半周期が使用されるようになりました。 電解コンデンサの充電電流は、正の半期間では右上と左下のダイオードを流れ、負の半期間では右下と左上のダイオードを流れます。 利点は、電解コンデンサが 2 倍の頻度で充電されるため、(概算で) 「厚さ」が約半分だけで済むことです。 この結果、図4電圧曲線: 入力電圧より上、中間はコンデンサなしの負荷両端の電圧、コンデンサ両端の電圧より下。

全波整流器のバッファ コンデンサの両端の電圧変動については、以下が適用されます。

次に、全波整流器を使用した前の例 (15 V 変圧器を使用) を計算してみましょう。 2 番目のダイオードでの余分な電圧降下により、ピーク電圧は次のようになります。

これにより、電解コンデンサの値は次のようになります。

次に大きい標準値は 6800 µF ですが、これが (広く) 利用できるかどうかは疑問です。 そうでない場合は、10,000 μF の電解コンデンサを使用する必要があります。 変圧器電圧が 18 V の場合、計算値は 1700 μF、標準値は少なくとも 1 サイズ小さい 2200 μF になります。 バッファコンデンサのサイズが半分だけであるべきであるという当初の予想については、整流ダイオードの順方向電圧がこれを打ち消します。負荷を流れる電流が決定的な役割を果たすことは明らかです。電流が大きいほど、コンデンサも大きくなります。 これが、大出力アンプの電源に大きな電解コンデンサが多数使われている理由です。

オペアンプ (「オペアンプ」) を備えた回路では、対称的な電源電圧が必要になることがよくあります。つまり、共通グランドに対して正と負の等しい電圧が必要です。 原理的には、これは 2 つの変圧器、または 2 つの二次巻線を備えた変圧器とその後に 2 つの整流器を使用することで実現できます。また、簡略化することもできます。次のように、単一の AC 電圧から正と負の DC 電圧を得ることができます。に示されている図5 。 実際、2 つの半波整流器を使用します。1 つは正弦波入力 AC 電圧の正の半周期を利用し、もう 1 つは負の半周期を利用します。 電解コンデンサの計算には、「通常の」半波整流器の場合と同じ方程式が適用されます。

ただし、トランスのサイズにはもう少し注意が必要です。 1 A の電流に対して ±15 V の対称電源電圧が必要だとします。これらの電圧は電圧レギュレータによって安定化されます。 変圧器は少なくとも 20 W (約 20 V のピーク電圧で 1 A) を供給できなければなりませんが、それは半周期ごとの話です。 合計で、変圧器は少なくとも 40 W を供給できなければなりません。今回はここまでです。 次のエピソードでは、電圧を逓倍します。

編集者注: 一連の記事「Starting Out in Electronics」は、Elektor からドイツ語とオランダ語で出版された Michael Ebner 著の書籍 Basiskurs Elektronik に基づいています。

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