『倍電圧整流回路』や『コッククロフト・ウォルトン回路』の特徴まとめ！

入力交流電圧v_INに対して電圧を上げようとする場合、一般的には、トランスを用いて電圧を上げますが、常に昇圧トランスを利用できるとは限りません。

そこで、トランスを用いずに電圧を上げる方法として、ダイオードとコンデンサをうまく組み合わせて使用する方法があります。

ダイオードとコンデンサを組み合わせることで、入力交流電圧v_INのピーク値V_Pよりも出力電圧V_OUTが高くなる回路を構成することが可能となります。なお、出力電圧V_OUTは入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの整数倍となります。

この回路のことを電圧逓倍回路、電圧増倍回路と呼びます。英語では「Voltage Multiplier Circuit」と呼ばれています。

有名なものとしては、コンデンサとダイオードを多段式に組み合わせて構成されたコッククロフト・ウォルトン回路(Cockcroft–Walton Circuit)などがあります。

この記事ではダイオードとコンデンサを組み合わせることで昇圧を行う様々な回路を紹介します。
 

入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの『1倍』を出力する整流回路

半波整流回路

ダイオード1個、コンデンサ1個で構成された最も簡単な回路です。

ダイオードの順方向電圧を無視した場合、出力電圧V_OUTは入力交流電圧v_INのピーク値V_Pと等しくなります。また、出力電圧V_OUTのリプル周波数は入力交流電圧v_INの周波数と等しくなります。

入力交流電圧v_INがプラスの時のみダイオードD₁で整流されます。

両波整流回路

センタタップのトランスを使用して、入力交流電圧v_INがプラスの時もマイナス時も整流を行う回路です。ダイオード2個、コンデンサ1個で構成されています。

ダイオードの順方向電圧を無視した場合、出力電圧V_OUTは入力交流電圧v_INのピーク値V_Pと等しくなります。また、出力電圧V_OUTのリプル周波数は入力交流電圧v_INの周波数の2倍になります。

入力交流電圧v_INがプラスの時にダイオードD₁で整流され、マイナスの時にダイオードD₂で整流されます。

ブリッジ整流回路

ダイオード4個、コンデンサ1個で構成された回路です。

センタタップのトランスを使用しない代わりに、ダイオードを4個使うことで、入力交流電圧v_INがプラスの時もマイナス時も整流を行っています。整流時に2つのダイオードを導通するため、両波整流回路と比較して、ダイオードの順方向電圧による損失が大きくなります。

ダイオードの順方向電圧を無視した場合、出力電圧V_OUTは入力交流電圧v_INのピーク値V_Pと等しくなります。また、出力電圧V_OUTのリプル周波数は入力交流電圧v_INの周波数の2倍になります。

入力交流電圧v_INがプラスの時にダイオードD₁とダイオードD₂で整流され、マイナスの時にダイオードD₃とダイオードD₄で整流されます。

【応用回路】ブリッジ整流回路を用いた正負電源回路

入力部をトランスのセンタタップとし、コンデンサC₁とコンデンサC₂をセンタタップ部に接続した回路です。正の電圧V_Pと負の電圧－V_Pのリプル周波数は入力交流電圧v_INの周波数の2倍になります。
 

入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの『2倍』を出力する整流回路

両波倍電圧整流回路

半波整流回路に対して、ダイオードD₂とコンデンサC₂を追加した回路です。全波倍電圧整流回路とも呼ばれています。

ダイオードの順方向電圧を無視した場合、出力電圧V_OUTは入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの2倍となります。また、出力電圧V_OUTのリプル周波数は入力交流電圧v_INの周波数の2倍になります。

入力交流電圧v_INがプラスの時にダイオードD₁で整流され、マイナスの時にダイオードD₂で整流されます。入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの『2倍』にする整流回路は英語では『Voltage Doubler』と呼ばれ、様々な種類があります(この後説明します)。

【応用回路】両波倍電圧整流回路を用いた正負電源回路

コンデンサC₁とコンデンサC₂の中間電位をGNDにすれば、正負の電圧(V_Pと－V_P)を出力することができるようになります。

正の電圧V_Pと負の電圧－V_Pのリプル周波数は入力交流電圧v_INの周波数と等しくなります。

【応用回路】両波倍電圧整流回路とブリッジ整流回路の切り替え

ブリッジ整流回路に対して、スイッチSとコンデンサC₂を追加しています。スイッチSがオンの時は両波倍電圧整流回路となり、スイッチSがオフの時はブリッジ整流回路となります。

スイッチSがオンの時、入力交流電圧v_INがプラスの時にダイオードD₁で整流されてコンデンサC₁を充電し、マイナスの時にダイオードD₄で整流されてコンデンサC₂を充電します。ダイオードD₂とダイオードD₃は未使用となります。

半波倍電圧整流回路(Half Wave Voltage Doubler)

ダイオード2個、コンデンサ2個で構成された回路です。

ダイオードの順方向電圧を無視した場合、出力電圧V_OUTは入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの2倍となります。また、出力電圧V_OUTのリプル周波数は入力交流電圧v_INの周波数と等しくなります。

入力電圧がマイナスの時、ダイオードD₁を介してコンデンサC₁を充電するため、コンデンサC₁にかかる電圧はV_Pとなります。コンデンサC₁は放電ルートがないため、充電された状態が維持されます。また、コンデンサC₁の両端電圧はV_Pに等しくなります。

入力電圧がプラスの時、入力交流電圧v_INのピーク値V_PにコンデンサC₁の両端電圧V_Pが加わるため、コンデンサC₂は入力電圧のピーク値の2倍に充電されます。

入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの『3倍』を出力する整流回路

3倍整流回路

半波整流回路に対して、ダイオードを2個、コンデンサを2個を追加した回路です。

ダイオードの順方向電圧を無視した場合、出力電圧V_OUTは入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの3倍となります。

入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの『4倍』を出力する整流回路

4倍整流回路

半波倍電圧整流回路に対して、ダイオードを2個、コンデンサを2個を追加した回路です。

ダイオードの順方向電圧を無視した場合、出力電圧V_OUTは入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの4倍となります。

入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの『5倍』を出力する整流回路

5倍整流回路

3倍整流回路に対して、ダイオードを2個、コンデンサを2個を追加した回路です。

ダイオードの順方向電圧を無視した場合、出力電圧V_OUTは入力交流電圧v_INのピーク値V_Pの5倍となります。

コッククロフト・ウォルトン回路

ダイオードとコンデンサを追加していけば、理論上はいくらでも昇圧することができます。このようにコンデンサとダイオードを多段式に組み合わせて構成したものを『コッククロフト・ウォルトン回路』と呼びます。

まとめ

この記事では『倍電圧整流回路』や『コッククロフト・ウォルトン回路』などの電圧逓倍回路について、以下の内容を説明しました。

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