交流（AC）電力は、多くの種類の電気機器を動かす役割を果たします。しかし、コンピューターやLEDを動作させるために直流 (DC) 電源が必要な場合はどうすればよいでしょうか?ACからDCへの変換には、 ダイオード場合によっては変圧器も含まれ、リニア整流器または単に整流器と呼ばれます。
整流器とは何ですか?
整流器 基本的に全波と半波の2つのタイプがあります。全波整流器は、AC波形全体を一連の単極性DCパルスに変換しますが、半波整流器は、AC信号の電気出力の半分を単純にカットして、DCパルスを残します。歴史的には、電圧整流を実現する他の興味深いデバイスもいくつか見られましたが、これについてはこの記事の後半で触れます。
半波整流器
AC回路は電圧を正と負の値の間で変化させるため (この例では、米国で使用されている60 Hz 120 VAC値を使用します)、この電気波の負または正の半分を除去すると、DC電源のやや不安定なソースが残ります。この転送方法は、電流が一方向にのみ流れる単一のダイオードを使用して実現できます。
ACからDCへの変換についてさらに詳しく見てみましょう。
- 「120VAC」は二乗平均平方根 (RMS) 電力値であり、正弦波状に変化する主電源の170ボルトと -170ボルトのピークのより実用的な読み取り値であることに注意してください。
- 波形の最大 -170V部分をカットすると、+170VDCまで上昇し、0Vまで低下し、1/120秒間その状態が続いた後 (完全なAC電源サイクルには1/60秒かかるため)、再び170まで上昇する電力が残ります。
このタイプの変換により、電力出力が大幅に減少します。理論的には、これはAC入力の40.6パーセントになります。実際には、変換に伴う効率の低下は避けられないため、この数値は低くなります。
平均電力が低いことに加え、このタイプの変換の潜在的な欠点は、変換された電気が断続的なパルスで発生することです。この変換方法の興味深い応用例の1つは、この制限を利用した単純なAC電球調光器です。光は点灯したままになりますが、電気が流れる短い間隔のため、人間の目には暗く見えます。
全波ブリッジ整流器はどのように動作するのでしょうか?
1つのダイオードでAC電力を断続的なDCフローに変換できますが、ブリッジ整流器では4つのダイオードを使用してACパルスの両側の方向を反転します。ブリッジ整流器を使用すると、DCは依然としてゼロからピーク値まで振動しますが、半分の時間で遮断されることはありません。この方法では、DC出力に半波として2倍の電力を供給し、理論上の電力変換率は81.2パーセントになります (現実世界ではこれより低くなります)。
この種の整流された電力はフィルタリングも容易で、許容できるほどクリーンなDC出力が得られます。出力が正弦波パターンでゼロから最大値まで変化する場合でも、半波整流DCに典型的な非瞬間的なギャップは存在しません。
上の回路図で全波ブリッジ整流器がどのように動作するかがわかります。
- ACラインのどちらの側も、1つのダイオードの非導電側と別のダイオードの導電側の間のノードに接続します。
- 各ダイオードは、ACラインが正の状態にあるときに、負荷の正の側に電流を流します。
- 負荷の負側は4つのダイオード チェーンの反対側のノードに接続され、正しい位相にあるときに電流がどちらの端にも流れるようになり、適切に整流された電流が流れます。
センタータップトランスとブリッジ整流器
3番目の整流回路のバリエーションでは、ダイオードを2つだけ使用しますが、センタータップ付きトランスを使用して完全に整流されたDC信号を生成します。上の画像に変換プロセスを示しました。
- 両方のトランス出力はダイオードを通過し、正電流のみが負荷の正側に通過できるようになります。
- DC負荷のマイナス側はトランスの二次巻線のセンタータップに接続され、ゼロ電圧基準を形成します。
- その結果、AC波の各側は正のDCとして出力されます。
- 必要に応じて、ダイオードを逆にして（または2つ以上並列に追加して）、この波形の負のバージョンを形成することもできます。
ブリッジ整流器と同様に、DCは依然として正弦波パターンで振動し、ほとんどの場合フィルタリングが必要です。このタイプのセットアップの欠点の1つは、この変換のために変圧器を調達する必要があることです。他の2つの方法で使用したダイオード設定は、はるかにコスト効率の高いソリューションになる可能性があります。
3相電力とその先を理解する
状況によっては、3相電力 (またはそれ以上) をDC回路に変換する必要がある場合があります。幸いなことに、ダイオードを追加することでブリッジ整流器の機能を簡単に拡張できます。ダイオードの数を増やすと、負荷の正と負の入力にさらに多くのパルス電力が送られます。3相電源には6個のダイオードが必要で、6相電流電源には12個のダイオードが必要です。多相電源の利点の1つは、AC位相が重なり合うため、比較的滑らかなDC出力が得られることです。
その他のACからDCへの変換方法
人々は電流を整流してきた ACからDCへ 半導体材料で作られたダイオードが市場に登場してくるずっと前から。昔の興味深い方法をいくつか紹介します。
- 水銀アーク整流器は、ガスを充填した管を使用して電力を直流に変換します。
- アン ACモーター 直流発電機を駆動し、電気機械的に電力を分解します。
- 初期の実践の1つでは、スイッチング モード電源が使用されていましたが、この方法は今でも使用されています。
コンポーネントを指定する場合、何が利用可能かを知ることが大きな課題となることがあります。ユニークなアプリケーションのアイデアが必要な場合は、歴史上のメーカーや発明家に頼ると、創造的な解決策が見つかります。AC-DCフライホイールを再発明する必要さえなくなるかもしれません。