直流チョッパの動作と出力

直流チョッパの役割と基本構成

直流チョッパとは、直流電源の電圧を半導体スイッチの高速なオンオフによって、平均値の異なる直流電圧に変換する回路である。交流を直流に変換する整流回路は入力が交流であるのに対し、直流チョッパは入力も出力も直流である点が特徴である。直流から直流への変換を行う回路であるため、整流回路とは区別しなければならない。

基本回路は、直流電源、自己消弧形の半導体スイッチS、負荷、還流ダイオードDで構成される。スイッチSのオン時間をTon、オフ時間をToffとし、周期をT=Ton+Toffとする。このとき、周期Tに対するオン時間Tonの割合を通流率αと定義する。

α = Ton / T

通流率αは0以上1以下の値をとり、出力電圧の大きさを決める唯一の制御量となる。

降圧チョッパの出力電圧と出力電流

降圧チョッパは、入力電圧Eより低い出力電圧を得る回路である。スイッチSがオンの間は負荷に電源電圧Eが加わり、オフの間は還流ダイオードDを通じて負荷電流が流れるため、負荷端子電圧はほぼゼロになる。出力電圧の平均値Voは、Eに通流率αを掛けた値となる。電流が連続する場合のこの関係は、降圧チョッパの基本式である。

Vo = αE

たとえば、入力電圧を100Vとし通流率を0.4とすると、出力電圧の平均値は40Vとなる。この値は新たに設定した数値による計算例である。

出力電流の平均値Ioは、抵抗負荷の場合にVo/Rで与えられる。損失を無視した理想状態では、入力電力と出力電力が等しいため、入力電流の平均値Isは、αIoで表される。入力電流の平均値は出力電流の平均値と同じにはならず、通流率の分だけ小さくなる。

昇圧チョッパと昇降圧チョッパ

昇圧チョッパは、出力電圧を入力電圧より高くする回路である。スイッチSがオンの間にインダクタLにエネルギーを蓄え、オフの間にそのエネルギーを電源電圧に重ねて負荷へ放出する。出力電圧の平均値は、通流率αを用いて次の式で表される。