【基礎から学ぶダイオード】倍電圧整流回路とは？～トランスを使わずに入力電圧を2倍に昇圧する整流回路～

ダイオードは電流を決められた方向にのみ流すことができる部品です。
なのですが、回路図を眺めていると電流の流れに対して逆方向に接続していることもあります。
ダイオードの基本部分しか知らない場合、この辺りで結構な疑問符が浮かぶと思うんですよね。
ということで、ダイオードの動作原理や種類などを1からわかりやすくまとめてみたのが本記事となります。

今回は、「倍電圧整流回路」についての説明です。

１．倍電圧整流回路とは？
２．倍電圧整流回路と動作原理

１．倍電圧整流回路とは？

通常、入力交流電圧を昇圧しようと考えた場合、何を使えば良いと想像しますか？
おそらくトランスなのではないかと思います。
電圧変換といったら最も一般的なのがトランスですからね。

なのですが、ダイオードとコンデンサをうまく組み合わせることでも昇圧は可能だったりします。
トランスの場合は交流から交流への昇圧、ダイオードとコンデンサを組み合わせる場合は交流から直流への昇圧という違いはありますけどね。
厳密には、交流を整流してできた脈流を平滑回路に通した結果、入力交流電圧のピーク値の整数倍の直流電圧を得ることができます。
その為、回路構成次第で出力電圧は3倍にも4倍にもすることは可能です。

その中でも、入力の電圧の2倍の出力を得られる回路のことを倍電圧整流回路と呼んでいることが多いです。
ただ、“多い”であって、昇圧の倍数が2倍のものだけ倍電圧整流回路と呼ぶのかは定かではありません。
整数倍になる全ての回路をまとめて倍電圧整流回路と呼ぶのかもしれません。
この辺りの定義は調べてみても曖昧なんですよね。
少なくとも2倍のものは倍電圧整流回路で間違えていないはずなのですが…。

平滑回路の動作については以下の記事にまとめてあるので、併せて確認してみると良いかもしれません。

２．倍電圧整流回路と動作原理

倍電圧整流回路は、以下のような回路になります。

平滑回路の前段にコンデンサとダイオードが1つずつ追加された形になっています。

交流電源V_ACは振幅V_m[V]、周期T[s]の正弦波交流で、コンデンサC₁及びC₂の初期電荷は0[C]とします。
また、コンデンサの静電容量はC₁≫C₂であり、入力電圧は上向きを正の方向とします。

この時の出力電圧V_Oの波形の時間的変化について考えていきます。

時間tが0[s]～T/4[s]の時

この時の電流は以下のような経路を通ります。

電源の極性が－側なので、ダイオードD₁には順方向電圧がかかります。
ですが、ダイオードD₂にとっては逆方向電圧になります。
その結果、V_AC→D₁→C₁という経路に電流が流れることになりますので、C₁は充電されます。
ただ、C₂及びRには電流が流れないので、出力電圧はこの区間では0[V]になります。

ここでC₁が充電されているのが倍電圧整流回路の肝だったりします。

時間tがT/4[s]～T/2[s]の時

時間tがT/4の時点では、C₁が充電されてコンデンサ端子電圧がV_m[V]になっています。
そこから時間経過に伴って交流電源の瞬時値の絶対値が低下していくわけです。
要は、D₁のカソード側はC₁があるのでV_mの電源を繋いでいて、D₁のアノード側は電圧値がV_mから徐々に低下していく交流電源を繋いでいると考えることができます。

その結果、電流は以下のような経路を通るようになります。

つまり、D₂が順方向になり電流が流れるようになり、C₁は放電、C₂が充電されるようになります。
出力電圧はC₁の端子電圧と入力電圧の差分になるので、時間tがT/2[s]時点ではほぼV_m[V]になります。

時間tがT/2[s]～3T/4[s]の時

この区間では交流電源V_ACが0[V]からVm[V]まで徐々に上昇していくことになります。
この時の電流の流れは、時間tがT/4[s]～T/2の時と全く同じです。
違いは、コンデンサC₁の端子電圧V_mに電源電圧V_ACが加算されていくという点です。
つまり、回路全体で見ると、入力電圧がV_AC+V_mとなるのです。

その為、出力電圧波形は以下のようになります。

出力電圧の最大値が2V_m…入力電圧の最大振幅の2倍になりました。

また、出力電圧が2V_mになっているので、C₂も2V_mに充電されます。

ちなみに、C₁の端子電圧であるV_m部分は放電しているので、時間経過に伴い少しずつ小さくなっていきます。
最初の条件でコンデンサの静電容量はC₁≫C₂だと指定した理由はここにあります。
もしC₁≫C₂になっていなかった場合、C₁の放電時の電圧降下が大きくなり、出力電圧が2V_mまで上昇しなくなってしまいます。

時間tが3T/4[s]～T[s]の時

この区間では交流電源V_ACがV_m[V]から0[V]に徐々に減少していくことになります。
その為、序盤は交流電源V_AC＋C₁の端子電圧とC₂の端子電圧が拮抗しているのですが、途中から「交流電源V_AC＋C₁の端子電圧＜C₂の端子電圧」という関係になっていきます。
するとどうなるのかというと、D1もD2も逆方向になるので電流が流れなくなります。

その結果、C₂→Rという経路にしか電流が流れなくなります。

その為、C₂の放電に伴って出力電圧は少しずつ減少していきます。

出力電圧の変化式は以下のようになります。

R－C回路におけるコンデンサの放電に関しては以下にまとめてあるので、ここでの説明は割愛します。

時間tがT[s]以降の時

これ以降は同じ動作を繰り返すだけです。

ただ、時間tが0[s]時点とは違って、C₁及びC₂には電荷がいくらか蓄えられた状態になります。
その為、時間tがT[s]～5T/4[s]の時はC₂の放電が維持されます。
また、時間tが5T/4[s]～7T/4[s]の時は、「交流電源V_AC＋C₁の端子電圧＞C₂の端子電圧」になるまではC₂の放電を維持し、「交流電源V_AC＋C₁の端子電圧＜C₂の端子電圧」になったタイミングでC₂は充電されるようになります。