整流回路

学習指導要領： Sek II, electronics courses

目的¶

ブリッジ全波整流回路と、コンデンサによるリップルの平滑化を調べます。

実験装置¶

電圧源は正弦波、振幅 10 V、50 Hz です。4個のダイオードのブリッジと 1 kΩ の負荷があります。100 µF の平滑コンデンサはスイッチを通して負荷につながっていて、スイッチは開いています。オシロスコープは負荷の両端につながっていて、CH1、5 V/div、5 ms/div です。

手順¶

負荷の電圧の波形を見て、リップルの周期を求めます。
コンデンサのスイッチを閉じます。リップルを見るため、オシロスコープのメニューで CH1 をAC結合に切り替え、つまみで 0.2 V/div、トリガレベル 0 にして、リップルのピークツーピーク値を見積もります。
コンデンサのパラメータカードで 1000 µF にし、CH1 を 20 mV/div に切り替えます。
スイッチを開き、いちばん左のダイオードを取り外すと、半波整流回路になります。

予想される結果

負荷には正の半波が現れ、0 より下に落ちこむ部分はありません。ピークは約 8.9 V で、導通している2個のダイオードで約 1.1 V が失われます（実際のシリコン整流ダイオードでは約 1.3 V が失われ、ピークはもっと低い約 8.7 V になります）。リップルの周波数は 100 Hz（2目盛り）です。100 µF のコンデンサがあると電圧はほぼ一定の約 8.5 V になり、リップルは約 0.67 V、AC結合で3.4目盛りです。1000 µF では約 0.07 V です。ダイオードを1個取り外すと、1周期に半波が1つだけ残り、50 Hz になります。

問題¶

全波整流回路のリップルの周波数が、商用電源の周波数の2倍になるのはなぜですか。
リップルのピークツーピーク値は、負荷電流によってどう変わりますか。

解答

ブリッジは負の半波を反転させるので、負荷には各周期の2つの半波が同じ向きに加わります。電圧源の1周期（50 Hz で 20 ms）で同じ形の山が2つでき、リップルは 10 ms ごと、つまり 100 Hz でくり返します。
リップルは負荷電流にほぼ比例します。ピークとピークのあいだはコンデンサだけが負荷に電流を供給して電荷 \(I \cdot \Delta t\) を失うので、その電圧は \(\Delta U \approx I \cdot \Delta t / C\) だけ下がります。ここで \(\Delta t\) は最大でもピーク間の 10 ms です。8.5 V / 1 kΩ = 8.5 mA と 100 µF では最大で 8.5 mA · 10 ms / 100 µF = 0.85 V になりますが、実験装置では 0.67 V です。次のピークの前に、コンデンサの再充電が始まるからです。