【電気電子回路】全波整流回路(ブリッジ回路)はダイオードの動作原理を上手に利用した回路

前回の記事「ダイオードの回路を理解・設計する最重要ポイントは電位差0.6V」で、ダイオードの回路を理解・設計するときの最重要ポイントは

ダイオードに(順方向に)電流が流れるときには、ダイオード両端の電圧(電位差)は必ず 0.6~0.7V

であることをお伝えした。

この記事では最重要ポイントをもっと理解してもらうために、全波整流回路・ダイオードブリッジ回路の動作原理をあなたと一緒に考えてみたいと思う。

全波整流回路

交流から直流へ変換

全波整流回路、またの名をダイオードブリッジ回路は、あなたもよくご存じだろう。

この回路に交流電力を入力すれば、直流電力に変換される。

それでは、「なぜ」ダイオード4つで交流を直流に変換できるのだろうか?

電位の高いほうから

前回の記事で説明したように、5Vと10V電源がダイオードを通じて並列接続されているとき、電流は10V電源ラインから流れ出し、5V電源からは流れない。

この動作を別の言葉を使うと、

「電源+ダイオード」が並列接続されているときは電流は電位の高いほうから流れ出す

と説明することができる。

電位の低いほうから

次に、下の回路図ように、ダイオードのアノード側を共通にして「ダイオード+電源」が並列接続されているときの電流の流れはどうなるか?

ダイオード回路を深く理解するために、あなた自身で考えてみて欲しい。考え方のヒントは前回の記事に書いてあるので、思いつかないときにはそちらを参考に考えてみて欲しい。

電流の流れは

各点の電位が分かりやすいように、2つの電源の共通ラインを接地(電位 0V)にしたときの各点の電位と電流の流れを下図に示す。

電流は10V電源に流れ込み、5V電源からは電流は流れない。

言葉を変えて表現すると、

ダイオードの「アノード側を共通」にして「ダイオード+電源」の並列接続の場合、

電位の低いほうへ流れ込む

あなたの考えと同じだっただろうか?

全波整流回路の電流の流れと出力電圧

これまでの2つの回路における電流の流れ方は理解できただろうか?

それではこの記事の本番である全波整流回路の電流の流れを理解してみよう。

電源が±10Vの正弦波としたとき、+5V と -5V の場合の電流の流れと、そのときの出力電圧(抵抗両端にかかる電圧)はどうなるだろうか?

+電位のとき

+5Vのときの電位を回路図に記入した。なお、グランドを交流電源の Nラインに接続した。

この状態では、電源より右側の2つのダイオードのどちらを電流が流れるか?そして、電源より左側のダイオードはどちらに電流が流れるだろうか?

電流の流れ

答えは下の図のようになる。

右側のダイオードでは、アノード側の電位の高いほう(+5V)に電流が流れる。
左側のダイオードでは、カソード側の電位の低いほう(0V) に電流が流れる。そして、出力電圧は 3.8V = 5-(0.6×2) V となる。

-電位のとき

-5Vのときの電位と電流、出力電圧は下図のようになる。

交流電源を流れる電流の向きは逆になるが、抵抗にかかる電圧は右のほうが高く 3.8V。+5Vのときと同じである。

+1.2V未満のとき

それでは次に+1.2V未満として、+1.0Vのときはどうなるか?考えてみて欲しい。

電流は…流れる?

「ダイオードと電源」セットが並列に接続されたときの原則:

  1. 「電源+ダイオード(カソード共通)」のときは電位の高いほうから流れ出す
  2. 「(アノード共通)ダイオード+電源」のときは電位の低いほうへ流れ出す

と、ダイオードに電流が流れると0.6V電位差が生じる原則を回路に当てはめると、次の図のようになる。

抵抗の左側の電位が+0.6V、右側の電位が +0.4V となり電流は左から右へ流れる…のは電源からの電流の流れと矛盾してしまう。

というわけで、電源が +1.0V のときには電流は流れないことになる。

同じように-電圧のときも考えてみると、結果、|電源電圧|<=1.2V (| |記号は絶対値記号)のときには電流が流れず、|電源電圧|>1.2V のときには出力電圧が 0Vより大きくなり電流が流れ出すことが分かる。

出力電圧波形

上記で導き出した関係をグラフにすると、次のようになる。

言葉にすると、

  • 電源電圧が+/-に関わらず、出力電圧は+電圧
  • 出力電圧は|電源電圧|-1.2V
  • |電源電圧|<=1.2V のときは、出力電圧=0V

これが全波整流回路の動作原理である。

AC100V、AC200Vを全波整流したとき

上で見たように、出力電圧は|電源電圧|-1.2V で、|電源電圧|<=1.2V のときは出力電圧=0V。

この出力電圧が 0V は、電源電圧が 10V程度では非常に気になる存在である。

しかし、AC100V(実効値で 100V)、つまり瞬時値の最大電圧 144V(=100×√2) の場合は 1.2V は最大電圧の 1%程度に相当し、ほとんど気にならなくなる。ましてや AC200V では、グラフを書いてもほとんど見えない。

(注)144V の逆電圧に耐える整流タイプのダイオードだと順方向電圧は 1V程度になるので、出力 0V になるのは |電源電圧|< 2V。

というわけで、電源電圧が高くなると、出力電圧は|電源電圧|に等しいと考えてもほぼ間違いはない。

まとめ

全波整流回路の動作は、次の原理に従う。

ダイオードに電流が流れるときの大原則

  • 順方向電圧降下 VF (0.6Vの電位差)が生じる

「ダイオードと電源」セットが並列に接続されたときの原則:

  • 「電源+ダイオード(カソード共通)」のときは電位の高いほうから流れ出す
  • 「(アノード共通)ダイオード+電源」のときは電位の低いほうへ流れ出す

その結果、電源電圧と出力電圧の関係は次のようにまとめられる。

  • 電源電圧が+/-に関わらず、出力電圧は+電圧
  • 出力電圧は|電源電圧|-(VF×2) [V]
  • |電源電圧|<=(VF×2) のときは、出力電圧=0V

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