《機械》〈パワーエレクトロニクス〉[H29:問11]単相ダイオードブリッジ整流器に関する論説問題

【問題】

【難易度】★★★☆☆(普通)

図1は,平滑コンデンサをもつ単相ダイオードブリッジ整流器の基本回路である。なお,この回路のままでは電流波形に高調波が多く含まれるので,実用化に当たっては注意が必要である。
図1の基本回路において,一定の角周波数\( \ \omega \ \)の交流電源電圧を\( \ v_{\mathrm {s}} \ \),電源電流を\( \ i_{1} \ \),図中のダイオードの電流を\( \ i_{2} \ \),\( \ i_{3} \ \),\( \ i_{4} \ \),\( \ i_{5} \ \)とする。平滑コンデンサの静電容量は,負荷抵抗の値とで決まる時定数が電源の\( \ 1 \ \)周期に対して十分に大きくなるように選ばれている。図2は交流電源電圧\( \ v_{\mathrm {s}} \ \)に対する各部の電流波形の候補を示している。図1の電流\( \ i_{1} \ \),\( \ i_{2} \ \),\( \ i_{3} \ \),\( \ i_{4} \ \),\( \ i_{5} \ \)の波形として正しい組合せを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

\[
\begin{array}{cccccc}
& i_{1} & i_{2} & i_{3} & i_{4} & i_{5} \\
\hline
(1) & 電流波形1 & 電流波形4 & 電流波形3 & 電流波形3 & 電流波形4 \\
\hline
(2) & 電流波形2 & 電流波形3 & 電流波形4 & 電流波形4 & 電流波形3 \\
\hline
(3) & 電流波形1 & 電流波形4 & 電流波形3 & 電流波形4 & 電流波形3 \\
\hline
(4) & 電流波形2 & 電流波形4 & 電流波形3 & 電流波形3 & 電流波形4 \\
\hline
(5) & 電流波形1 & 電流波形3 & 電流波形4 & 電流波形4 & 電流波形3 \\
\hline
\end{array}
\]

【ワンポイント解説】

本問のようなブリッジ回路は毎年のように出題され,一種や二種試験でも出題される機械科目の中でも最重要項目です。過去問を何度も繰り返し,整流回路のメカニズムを理解するようにしましょう。

1.単相ダイオードブリッジのメカニズム
図1に単相ダイオードブリッジの回路図,図2に電圧波形を示します。
図1のように各ダイオードと電圧電流を定めると,\( \ v_{\mathrm {s}} \ > \ 0 \ \)の時は\( \ D_{2} \ \),\( \ D_{5} \ \)が導通して赤矢印のような電流の流れ,\( \ v_{\mathrm {s}}<0 \ \)の時は\( \ D_{3} \ \),\( \ D_{4} \ \)が導通して桃矢印のような電流の流れることが分かると思います。しかしながら,平滑コンデンサ\( \ v_{\mathrm {C}} \ \)があるため,\( \ v_{\mathrm {D}} \ > \ v_{\mathrm {C}} \ \)にならないと電流が流れません。
図2に各部の電圧波形を示します。\( \ v_{\mathrm {D}} \ \)はダイオードによって整流されるため,正弦波が整流された電圧がかかり,\( \ v_{\mathrm {C}} \ \)は\( \ v_{\mathrm {D}} \ \)の大きさによって,\( \ v_{\mathrm {D}} \ > \ v_{\mathrm {C}} \ \)の時充電され,\( \ v_{\mathrm {D}} \ < \ v_{\mathrm {C}} \ \)の時放電されるため,図2下のような電圧がかかります。実際に導通するのは\( \ v_{\mathrm {D}} \ > \ v_{\mathrm {C}} \ \)の時なので,図2に示した箇所のみとなります。

※ 図2では\( \ v_{\mathrm {C}} \ \)の充放電を示しているため,若干傾きがありますが,静電容量が十分に大きい場合は\( \ v_{\mathrm {C}} \ \)はほぼ直線と近似できます。


【解答】

解答:(5)
図1のように\( \ v_{\mathrm {s}} \ \)が正の時は\( \ D_{2} \ \),\( \ D_{5} \ \)が導通して赤矢印のような電流の流れ,\( \ i_{1} \ \)が正,\( \ i_{2} \ \)が正,\( \ i_{5} \ \)が正の電流が流れ,\( \ i_{3} \ \),\( \ i_{4} \ \)は0のままとなります。
一方,\( \ v_{\mathrm {s}} \ \)が負の時は\( \ D_{3} \ \),\( \ D_{4} \ \)が導通して桃矢印のような電流の流れ,\( \ i_{1} \ \)が負,\( \ i_{3} \ \)が正,\( \ i_{4} \ \)が正の電流が流れ,\( \ i_{2} \ \),\( \ i_{5} \ \)は\( \ 0 \ \)のままとなります。