整流器＋キャパシタ
みなさま、前回の整流器の動きは理解できましたでしょうか？
今日は整流器の後段にキャパシタを挿入したときに、回路動作がどうなるのか考えてみましょう。
キャパシタの特徴と言えば？そうです、キャパシタは電圧の変化を嫌がるでした。まず、それを思い出してくださいね。
図1 に整流器の後段にキャパシタを挿入した回路図を、図2 にキャパシタ挿入後の出力抵抗の両端電圧を示します。黄色は整流器の後段にキャパシタなしがないグラフで、赤色が整流器の後段にキャパシタがあるグラフです。この2 つのグラフを比較してみると、赤色のグラフで示した通り、整流された電圧のピークを維持しようとキャパシタが頑張っているため、なだらかに電圧が落ちています。この落ち方は出力抵抗の大きさで決まります。
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それではキャパシタが大きい場合と小さい場合ではこの波形がどうなると思いますか？
答えは図3です。何が違うかわかりますでしょうか？キャパシタが小さい場合は電圧の維持する能力が低いので、細かい破線の通り、傾斜が急峻になっています。一方で、キャパシタが大きい場合は電圧を維持する能力が高いので、長い破線の通り、傾斜がなだらかになり、直流に近い波形となります。となると、まっすぐな直流にするには大きな値をもつキャパシタを挿入すればいいですね。だから、アダプタなどの出力側には大きなキャパシタが入っています。今一度、前回の資料を確認してみてください。
ただし、あまり大きなキャパシタを挿入すると、コストや体積も比例して増加しますので、規格（パワエレ業界のルール）に適応できるある程度の値を使います。
ではキャパシタが入ったことにより、整流器の動作はどうなったと思いますか？考えてみましょう。
早速ですが、この動作は図4 の通りとなります。前回と比べてモードが2 つ増えました。電源回路は周期的に動作しますので、図4 の通り、 Mode1→Mode2→Mode3→Mode4→Mode1→・・・となるように、周期的に動作していますよ 。そのため、図4も回転するように描いています。
この図を見ただけで、「なんだ、簡単ですね」って思ったあなた。
これで終わりではありません。ここで電流波形をみてみましょうか。
図5の通り、入力電圧より出力電圧が大きい場合、キャパシタにエネルギーが充電されるため、入力側に急峻な電流が流れています。これは50Hzあるいは60Hzの高調波で、50Hzや60Hzの何倍かの周波数にあたります。これにより、以下の影響がでます[1]。
・受動素子 の振動 、 うなり，異常過熱
・電力ヒューズの加熱溶断
・通信機器の雑音，映像の乱れ
・電力量計の計量誤差発生・継電器の誤動作
・家電製品の誤作動、 不動作、 エラー表示などの不具合
厄介ですよね。
実際の回路ではある程度の電力になるとこの電流を抑制するためにさまざまな工夫がされています。
ちなみに恩師から聞いた話ですが、一昔前にポルターガイストで、テレビが自動的に点いたとか、変な音が聞こえたとか話題になりましたが、と実はこの高調波が原因らしいです。私も子供の頃、ブラウン管テレビが夜中に急に点いたりして非常にビビってました。今ではそうだったんだなぁって感じです。
高調波規制は聞きなれない言葉なので簡単に説明したいと思います 。
電源は単に作ればいいわけでなく、世の中で販売するためにはいろいろなルールを守る必要があります。
その中の一つが高調波規制です。そもそも高調波とはなんなのでしょうか？
高調波はJIS Z 9212エネルギー管理用語によると「基本波の整数倍の周波数をもつ正弦波 」と定義されています[1] 。
例えば、系統の周波数が50Hzだとすると、その高調波は100Hz、150Hz 、200Hzの正弦波成分というわけです。現在では高調波規制の高調波と言われれば、高調波電流を指しています。
先ほど述べました通り、この高調波電流がいろいろ悪事を働くのです。そのため、これらの高調波を抑制するように電源製作時には経済産業省から業界に対して遵守要請が出されています。
他にも高調波だけでなく、電源には対象機器がどのくらい電磁妨害をだしているかというエミッション(emission)問題と、どのくらい妨害を受けても正常に動作し続けられるというイミュニティ(immunity)問題があります。これらエミッションとイミュニティは電磁障害(electromagnetic interference:EMI)と電磁感受性(electromagnetic susceptibility:EMS)という言葉でも表現されます。
つまり、電源は外部に影響を与えないために、電源からのノイズ放出はあるルールの限度値以下で、外部からのノイズにはあるルールの限度値内では耐えうることができるように造られているのです。私たちの身の周りにある電源ですが、実はこの難関試験をクリアして、世の中で販売されているのです。電気機器が何の問題もなく身の周りで正常に動いているのはこれらのおかげなのです。
今回はここまで。ありがとうございました。
参考・引用文献
[1] 一般社団法人日本照明工業会
https://www.jlma.or.jp/index.htm
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