始めまして。Blitz1127です。
電力系のシステムは立派な教科書はあるけど、あまりシミュレーションされてないと感じています。今回は、MATLABを用いて単相全波整流回路の動作をシミュレーションします。
単相全波整流回路とは
全波整流回路はACからDCに変換する回路です。安価なACアダプタなどでは、このような回路が活用されています。効率や電源品質といったところでは優れた回路というわけではないのですが、安価に製造できるといったところからよく活用されています。
単相全波整流回路の電気回路
図1のとおり、単相交流回路に対して、ダイオードが４つ並べられた回路になります。ダイオードを通過した後は、負荷（抵抗にて模擬）が接続されています。図中では、途中にコンデンサが負荷と並列接続されていますが、このコンデンサについては別途説明します。
図1 単相全波整流回路構成
回路特性
教科書に書いてある特性を以下の表1に示します。
表１ 全波整流回路の入出力波形
入力波形は交流電源となりますので、正弦波となります。
出力波形について、電流の流れ方は以下の２つのモードがあります。（図2参照）
a)モード１ 0 < t < T/2 のとき
図中の左上のダイオードと右下のダイオードが使用されるモードです。入力正弦波の正の値が負荷に出力されます。
b)モード２ T/2 < t < T のとき
図中の右上のダイオードと左下のダイオードが使用されるモードです。入力正弦波が反転されます。そのため、入力正弦波の負の値が反転し、負荷に出力されます。
これらのモード1,2を組み合わせると表1左下のような波形になります。
この波形だとあまり美しくないので、コンデンサで電圧が変動しているのを綺麗にします。その結果が表1右下のような波形です。
図2 全波整流回路の電流経路
MATLABでの解析条件
それでは、MATLABで解析してみましょう。解析回路は図3の通りです。コンデンサは容量を変更するようにします。回路パラメータは表2の通りとします。
図3 MATLABでの解析回路
表2 回路パラメータ
| 電源 | 100Vrms |
|---|---|
| ダイオード | オン抵抗 1mΩ 電圧降下 0.8V スナバ抵抗 500Ω スナバコンデンサ 250nF |
| コンデンサ | 1mF |
| 抵抗 | 1kΩ |
MATLABでの解析結果
図4,5にMATLABでの解析結果を示します。
上がコンデンサなしの場合、下がコンデンサ有りの場合です。
コンデンサなしの場合、正弦波の絶対値のような波形が得られています。オン抵抗・電圧降下・スナバの影響などにより、ピーク電圧やモード切替時の電圧などが正弦波の絶対値の値と異なっています。
コンデンサありの場合、正弦波のピークあたりで電圧が推移していることがわかるかと思います。これが、平滑コンデンサの効果になります。
図4 全波整流回路の出力波形（平滑用コンデンサなし）
図5 全波整流回路の出力波形（平滑用コンデンサあり）
まとめ
本記事では、単相全波整流回路の基本とMATLABでの解析を紹介しました。波形の簡単な紹介のみだったので、もう少し詳細な解析も実施していきたいと思います。