コッククロフト・ウォルトン発電機

コッククロフト・ウォルトン（CW）発電機、または乗算器は、低電圧のACから高DC電圧を生成する電気回路です。^[1]これは、1932年にこの回路設計を使用して粒子加速器に電力を供給し、史上初の人工的な原子核崩壊を実行した 英国人とアイルランド人の物理学者、ジョン・ダグラス・コッククロフトとアーネスト・トーマス・シントン・ウォルトンにちなんで名付けられました。 ^[2] 彼らはほとんどの研究でこの電圧乗算器カスケードを使用し、1951年に「人工的に加速された原子粒子による 原子核の変換」によりノーベル物理学賞を受賞しました。

この回路は、1919 年にスイスの物理学者ハインリッヒ グライナハーによって開発されました。このため、このダブラー カスケードはグライナハー乗算器と呼ばれることもあります。コッククロフト - ウォルトン回路は、粒子加速器で今でも使用されています。また、 X 線装置やコピー機など、高電圧を必要とする日常の電子機器にも使用されています。

CW ジェネレータは、AC 電力を低電圧レベルから高 DC 電圧レベルに変換する電圧乗算器です。これは、高電圧を生成するためにコンデンサとダイオードの電圧乗算器ラダー ネットワークで構成されています。トランスとは異なり、この方法では重いコアと大量の絶縁体/ポッティングが不要になります。コンデンサとダイオードのみを使用して、これらの電圧乗算器は、比較的低い電圧を非常に高い値にステップアップできると同時に、トランスよりもはるかに軽量で安価です。このような回路の最大の利点は、カスケードの各ステージの電圧が、半波整流器のピーク入力電圧の 2 倍にしかならないことです。全波整流器では、入力電圧の 3 倍になります。比較的低コストのコンポーネントを必要とし、絶縁が容易であるという利点があります。また、マルチタップ トランスのように、どのステージからでも出力をタップできます。

回路の動作を理解するには、右の2段階バージョンの図を参照してください。すべてのコンデンサは最初は充電されておらず、回路は交流電圧V _{iによって駆動され、} V _i = V _p sin( t + π) 、つまりピーク値がV _pで、電源投入後は0ボルトで、負の半サイクルで開始すると仮定します。入力電圧がオンになると、

• 入力電圧V _iが減少して負のピーク − V _pに近づくと、電流はソースの下端からダイオードD1を通り、次にコンデンサC1 を通り、これを充電します。 V _{i は}最終的に負のピーク − V _pに達し、その時点でC1 は電圧V _pまで充電されます。 その後、 V _{i が}増加し始めます ‒ その導関数⁠dVi​_​/d t⁠ は負から正に符号を反転します。これが起こると、ソースにかかる負荷はほぼ純粋に容量性であるため、電流の方向が反転し、電流は電圧よりほぼ 90° 進みます。
• V _iが増加して正のピーク + V _pに近づくと、電流はソースの上部端子からC1 (放電)、ダイオードD2を通り、最後にコンデンサC2 (充電) を通ります。最終的にV _{i は}+ V _pに達し、これにC1の電​​圧(この時点で + V _pよりわずかに低い) を加えると、結果としてほぼ 2 V _{pの電圧が得られます。これが}C2が充電される電圧です。この段階では、ダイオードD1 は逆バイアスされているため、電流は流れません。
• V _{i が}再び減少し始めると（ ⁠dVi​_​/d t⁠が負の場合、電流はソースの下側端子からC2（放電）を通り、ダイオードD3、C3 （約 2 V _pの電圧まで充電）を通り、最後にC1 （前のフェーズで部分的に放電された後、V _pまで再充電）を通ります。 C3だけでなくC1でもいくらかの電圧が低下するため、C3はすぐに 2 V _pまで充電されるのではなく、後の反復でのみ充電されます。 同じことがC1とV _pにも当てはまります。 また、このフェーズでは、前のフェーズのC1と同様に、C2 は2 V _p未満の電圧まで放電します。 次のフェーズで再充電されます。
• V _{i が}再び増加し始めると、電流はソースの上部端子からC1とC3（放電）を通り、ダイオードD4、C4 （約 2 V _pの電圧まで充電）を通り、最後にC2（再充電）を通ります。このフェーズでは、C1とC3 はそれぞれV _pと 2 V _p未満まで放電し、次のフェーズで再充電されます。

いかなる瞬間も、奇数番号のダイオードか偶数番号のダイオードのどちらかが導通しており、両方が導通していることはありません。入力電圧の導関数（つまり、⁠dVi​_​/d t⁠）、電流はダイオードを通ってコンデンサの「スタック」の次のレベルに流れます。最終的には、AC 入力の十分なサイクル数の後、すべてのコンデンサが充電されます。（より正確には、実際の電圧が理想電圧に十分近づくと言うべきでしょう。AC 入力からは常にいくらかのリップルがあります）。すべてのコンデンサは 2 V _pの電圧に充電されますが、C1はV _pに充電されます。電圧乗算の鍵は、コンデンサが並列に充電されている一方で、負荷に直列に接続されていることです。C2とC4は出力とグランドの間で直列になっているため、合計出力電圧（無負荷状態）はV _o = 4 V _pです。

この回路は任意の段数に拡張できます。無負荷出力電圧は、ピーク入力電圧の2倍に段数Nを掛けたもの、またはピークツーピーク入力電圧振幅（V _pp）に段数を掛けたものに 相当します。

${\displaystyle V_{o}=2NV_{p}=NV_{\text{pp}},}$

ステージ数は、出力とグランドの間に直列に接続されたコンデンサの数に等しくなります。

この回路の見方の 1 つは、電荷をコンデンサのスタックに一方向に送り込む電荷「ポンプ」として機能することです。CW 回路は、他の同様のコンデンサ回路とともに、チャージ ポンプと呼ばれることがよくあります。負荷が大きい場合、コンデンサの電荷は部分的に消耗し、出力電圧は出力電流を静電容量で割った値に応じて低下します。

実際には、CW にはいくつかの欠点があります。段数が増えると、主に下段のコンデンサの電気インピーダンスが原因で、上段の電圧が「低下」し始めます。また、出力電流を供給する場合、段数が増えると電圧リップルが急速に増加します (これは出力フィルタで修正できますが、高電圧に耐えるためにコンデンサのスタックが必要です)。これらの理由から、段数の多い CW 乗算器は、比較的低い出力電流が必要な場合にのみ使用されます。下段の静電容量を増やすと低下を軽減でき、入力周波数を上げて方形波を使用するとリップルを軽減できます。インバータなどの高周波ソース、またはインバータと HV トランスの組み合わせから CW を駆動すると、CW 電源の全体的な物理的サイズと重量を大幅に削減できます。

CW マルチプライヤは通常、高エネルギー物理学実験や雷安​​全試験用の数十ボルトから数百ボルトから数百万ボルトに及ぶバイアス電圧など、比較的低電流の用途でより高い電圧を生成するために使用されます。CW マルチプライヤは、より多くのステージで、レーザーシステム、高電圧電源、X 線システム、CCFL LCDバックライト、進行波管増幅器、イオン ポンプ、静電システム、空気イオン化装置、粒子加速器、コピー機、科学計測機器、オシロスコープ、テレビ セットとブラウン管、電気ショック兵器、殺虫器、および高電圧 DC を使用する他の多くの用途でも使用されています。

ダイナミトロンはコッククロフト・ウォルトン発電機に似ています。ただし、コッククロフト・ウォルトンのように片側から電力を供給するのではなく、容量性ラダーは、ラダー列の両側にある2つの長い半円筒形の電極間に印加される高周波振動電圧によって並列に静電的に充電され、ダイオード整流管の両端に取り付けられた半円形のコロナリングに電圧を誘導します。^[3]

• マルクスジェネレータ
• 電圧倍増器

• JD コッククロフトと ETS ウォルトン、「高速度正イオンの実験。(I) 高速度正イオンを得る方法のさらなる開発」、Proceedings of the Royal Society A、第 136 巻、pp. 619-630、1932 年。
• JD コッククロフトと ETS ウォルトン、「高速陽イオンの実験。II. 高速陽子による元素の崩壊」、Proceedings of the Royal Society A、第 137 巻、pp. 229–242、1932 年。

ウィキメディア・コモンズには、コッククロフト・ウォルトン発電機に関連するメディアがあります。

• コッククロフト・ウォルトン乗数チュートリアル – YouTube の EEVBlog
• コッククロフトウォルトン
• 粒子加速器に使用されるコッククロフト・ウォルトン
• 米国エネルギー省