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フリーホイールダイオード

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フリーホイールダイオード
[2]整流回路
●整流回路の種類
・電源の相数による→単相整流回路
三相整流回路
六相整流回路
・半波か全波か
→半波整流回路
全波整流回路
・半導体素子による→ダイオード整流回路(制御なし)
サイリスタ整流回路(制御あり)
●ダイオード整流回路(単相半波) 制御なし
・ダイオードの機能
pn 接合
アノード(anode 陽極)A、カソード(cathode 陰極)K
順電圧のとき→ オン
逆電圧のとき→ オフ
図記号
・純抵抗負荷の場合
波形 順電圧のときθ=0∼π→オン→ id=v/R→vd=Rid=v
逆電圧のときθ=π∼2π→オフ→ id=0→ vd=Rid=0
交流の実効値 V のときの出力直流電圧 vd の平均値 Vd
1 π
vdθ
2π ∫0
1 π
2V sin θdθ
2π ∫0
2V
[− cosθ ]π0
2π
2V
{− cos π − (− cos 0)}
2π
2 2V
= 0.45V
2π
Vd =
=
=
=
=
●サイリスタ整流回路(単相半波) 制御あり
○サイリスタの機能
・サイリスタ(Thyristor)と SCR(silicon controlled rectifier)
pn 接合を3つ以上有する電力用半導体素子の総称→サイリスタ
SCR はその代表,その他に GTO,SSS,TRIAC(トライアック)がある
・SCR 構造 pnpn 接合 pゲート SCR
・アノード,カソード,ゲート(門)
・図記号
・ターンオン 阻止状態から導通状態へ
順電圧でゲートパルス信号 vg が与えられたとき→ゲート電流 ig→オン
・ターンオフ 導通状態から阻止状態へ
(1)保持電流(20∼30mA)以下のとき、
(2)逆電圧が加わったとき
○純抵抗負荷の場合
制御角α
点弧(トリガーtrigger 引き金を引く)位相を制御する→位相制御
・波形
オン状態θ=α∼π
id =
v
v
, v d = Rid = R ⋅ = v
R
R
オフ状態θ=π∼2π
id = 0
∴ vd = 0
・出力直流電圧 vd の平均値 Vd
1
Vd =
2π
=
2π
π
1
2V
2V
π
∫0 vd dθ = 2π α∫ vdθ = 2π [− cosθ ]α = 2π {− cos π − (− cosα )}
2V
2V 1 + cos α
1 + cosα
(1 + cos α ) =
⋅
= 0.45V ⋅
2π
2
2
π
(数値例)
1 + cos 0
= 45 [V]
2
1 + cos π
= 0 [V]
α=πのとき,Vd= 0.45 × 100 ×
2
V=100[V],α=0 のとき,Vd= 0.45 × 100 ×
α=π/3(60deg)のとき,Vd= 45 ×
1 + cos
2
π
3 = 33.75 [V]
○誘導性負荷をもつ整流回路
サイリスタ整流回路
負荷インダクタンスのために電流の立ち上がりが遅れる
したがって,電流波形は次のようになる.
導通期間:θ=α∼π+β (負の半サイクルに入っても流れ続ける)
vd=eR+eL=v
出力電圧は負の部分も生じ,順抵抗負荷よりも減少する.
そこで,この出力電圧の負の部分をカットして出力電流の脈流を少なくする.
→フリーホイールダイオード(free wheel diode)の挿入
負荷と逆並列に Df を挿入
Df を挿入した図と波形
簡単な電子回路の電源の場合は,コンデンサCを負荷に並列に挿入
○センタータップ整流回路
回路図
SCR1
v
id
負荷
v
SCR2
波形とサイリスタのオン,オフ図
vd
v
vg
SCR1
SCR2
○ブリッジ回路(全波整流回路)
回路図
SCR1
SCR3
vd
SCR“
SCR4
波形とサイリスタのオン,オフ図
vd
vg
SCR1
SCR2
SCR3
SCR4
v
[例題 5.14] 全波整流回路で制御角αで位相制御したときの平均電力Pα[W]
・負荷Rで消費する平均電力Pd[W]
π
π
π
1 v2
1
Pd = ∫ id Rdθ = ∫ dθ =
πα
πα R
πR α∫
1
2
(
)
2
2V sin θ dθ
π
π
V2 
2V 2 1 − cos 2θ
1

=
⋅ θ − sin 2θ 
dθ =
∫
πR α
πR 
2
2
α
=
V2 
1
1

(π − sin 2π ) − (α − sin 2α )
πR 
2
2

=
1
V2 

 π − α + sin 2α 
πR 
2

(数値例)
100V,R=5
Pd =
α=0 のとき
1
100 

. − 0 + sin 0 = 2000 = 2 kW
 314

2
314
. ×5
2
α=π/3(60deg)のとき
.
100 2 
314
1

. −
Pd =
+ sin 120
 314

. ×5
314
3
2
100 2 
1

. − 1045
.
=
+ × 0.866 = 1610[W ]
 314

. ×5
314
2
α=πのとき
Pd = 0
問題1
サイリスタ全波整流回路で電源電圧 v を 100[V]、負荷抵抗 R を 5[Ω]、制御角αをπ/6
とするとき、次の諸量を求めよ。
(1) 直流出力電圧の平均値 Vd[V]
Vd = 0.9V
1 + cos α
1 + cos 30°
= 0.9 × 100 ×
= 84.0 [V]
2
2
(2) 直流出力電流の平均値 Id[A]
Id =
Vd 84.0
=
= 16.8 [A]
R
5
(3) 負荷で消費する平均電力 Pd[W]
Pd =
V2 1
1
100 2

(3.14 − 0.5236 + 0.433) = 1942.3 ≅ 1940 [W]
 π − α + sin 2α  =
R π
2
 5 × 3.14
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