整流器

整流器は、周期的に方向が反転する交流(AC) を、一方向にのみ流れる 直流(DC) に変換する電気機器です。

このプロセスは、電流の方向を「まっすぐにする」ため、整流と呼ばれます。物理的には、整流器には、真空管ダイオード、湿式化学セル、水銀アークバルブ、銅と酸化セレンのプレートのスタック、半導体ダイオード、シリコン制御整流器、その他のシリコンベースの半導体スイッチなど、さまざまな形式があります。歴史的には、同期電気機械スイッチやモーター発電機セットも使用されていました。初期のラジオ受信機は、クリスタルラジオと呼ばれ、点接触整流器または「クリスタル検出器」として機能するように、方鉛鉱（硫化鉛）の結晶に押し付けられた細いワイヤの「猫のひげ」を使用していました。

整流器には多くの用途がありますが、DC電源や高電圧直流送電システムのコンポーネントとして使用されることがよくあります。整流は、電源として使用するための直流を生成する以外の役割を果たすこともあります。前述のように、整流器は無線信号の検出器として機能することができます。ガス暖房システムでは、炎整流を使用して炎の存在を検出します。

交流電源の種類と整流回路の配置によっては、出力電圧を均一かつ安定した電圧にするために追加の平滑化が必要になる場合があります。ラジオ、テレビ、コンピュータ機器の電源など、整流器の多くの用途では、安定した一定の DC 電圧 (バッテリーによって生成されるようなもの) が必要です。これらの用途では、整流器の出力は電子フィルタによって平滑化されます。電子フィルタはコンデンサ、チョーク、またはコンデンサ、チョーク、抵抗器のセットであり、その後に電圧レギュレータが接続されて安定した電圧が生成される可能性があります。

逆の機能、つまり直流を交流に変換する装置をインバーターと呼びます。

シリコン半導体整流器が開発される前は、真空管熱電子ダイオードや酸化銅またはセレンベースの金属整流器スタックが使用されていました。^[1]電源回路の整流器用途向けに設計された最初の真空管ダイオードは、1915年4月にゼネラルエレクトリックのソール・ダッシュマンによって導入されました。^{[2] [3]半導体電子機器の導入により、真空管整流器は真空管}オーディオ機器の愛好家を除いて時代遅れになりました。非常に低い電流から非常に高い電流までの電力整流には、さまざまなタイプの半導体ダイオード（接合ダイオード、ショットキーダイオードなど）が広く使用されています。

制御電極を備え、一方向電流バルブとして機能するその他のデバイスは、単純な整流以上の機能が必要な場合、たとえば可変出力電圧が必要な場合に使用されます。高電圧直流送電に使用されるような高出力整流器では、さまざまな種類のシリコン半導体デバイスが採用されています。これらはサイリスタまたはその他の制御スイッチング固体スイッチであり、実質的にダイオードとして機能して電流を一方向にのみ流します。

整流回路は単相または多相 です。家庭用機器の低電力整流器のほとんどは単相ですが、産業用途や直流 (HVDC) としてのエネルギー伝送では三相整流が非常に重要です。

単相電源の半波整流では、交流波の正または負の半分が通過し、もう半分はブロックされます。入力波形の半分だけが出力に到達するため、平均電圧は低くなります。半波整流には、単相電源ではダイオードが1 つ、三相電源ではダイオードが 3 つ必要です。整流器は一方向ですが脈動する直流電流を生成します。半波整流器は全波整流器よりもはるかに多くのリップルを生成するため、出力から交流周波数の高調波を除去するためにさらに多くのフィルタリングが必要になります。

理想的な半波整流器の正弦波入力電圧に対する無負荷出力DC電圧は次の式で表される: ^[4]

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{\mathrm {rms} }&={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{2}}\\[8pt]V_{\mathrm {dc} }&={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\end{aligned}}}$

どこ：

V _dc、V _av – DCまたは平均出力電圧、

Vpeak 、相_入力電圧のピーク値、

V _rms、出力電圧の二乗平均平方根(RMS) 値。

全波整流器は、入力波形全体を一定の極性（正または負）のいずれかに変換して出力します。数学的には、これは絶対値関数に対応します。全波整流は、入力波形の両方の極性を脈動DC（直流）に変換し、より高い平均出力電圧を生成します。2つのダイオードとセンタータップ付きトランス、またはブリッジ構成の4つのダイオードと任意のAC電源（センタータップのないトランスを含む）が必要です。^[5]単一の半導体ダイオード、共通カソードまたは共通アノードのダブルダイオード、および4つまたは6つのダイオードブリッジは、単一のコンポーネントとして製造されます。

単相 AC の場合、トランスがセンタータップ付きであれば、2 つのダイオードを背中合わせ (必要な出力極性に応じて、カソード同士またはアノード同士) にして全波整流器を形成できます。ブリッジ整流器の場合と同じ出力電圧を得るには、トランスの二次側で 2 倍の巻数が必要ですが、電力定格は変わりません。

理想的な単相全波整流器の平均および RMS 無負荷出力電圧は次のとおり です。

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }&={\frac {2\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\\[8pt]V_{\mathrm {rms} }&={\frac {V_{\mathrm {peak} }}{\sqrt {2}}}\end{aligned}}}$

非常に一般的なダブルダイオード整流真空管には、単一のエンベロープ内に単一の共通カソードと 2 つのアノードが含まれており、正の出力で全波整流を実現しています。5U4 と 80/5Y3 (4 ピン)/(オクタル) は、この構成の一般的な例です。

単相整流器は、家庭用機器の電源によく使用されます。ただし、ほとんどの産業用および高出力アプリケーションでは、三相整流回路が標準です。単相整流器と同様に、三相整流器は、半波回路、センタータップ付きトランスを使用した全波回路、または全波ブリッジ回路の形をとることができます。

サイリスタは、出力電圧を調節できる回路を作成するために、ダイオードの代わりによく使用されます。直流電流を供給する多くのデバイスは、実際には三相交流を「生成」します。たとえば、自動車のオルタネーターには9 個のダイオードが含まれており、そのうち 6 個はバッテリー充電用の全波整流器として機能します。

制御されていない 3 相半波中点回路には、各相に 1 つずつ接続された 3 つのダイオードが必要です。これは最も単純なタイプの 3 相整流器ですが、AC 接続と DC 接続の両方で比較的高い高調波歪みが発生します。このタイプの整流器は、DC 側の出力電圧にグリッド周波数の 1 サイクルあたり 3 つの異なるパルスが含まれるため、パルス数が 3 であると言われています。

この 3 パルス DC 電圧のピーク値は、入力相電圧 (線間中性電圧、北米では 120 V、欧州では主電源動作時に 230 V) の RMS 値から計算されます。平均無負荷出力電圧は、周期が (30° から 150°) の正の半波のグラフの下の積分から得られます。 ${\displaystyle V_{\mathrm {peak} }}$${\displaystyle V_{\mathrm {LN} }}$${\displaystyle V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}$${\displaystyle V_{\mathrm {av} }}$${\displaystyle {\frac {2}{3}}\pi }$

AC 電源がセンタータップ付きの変圧器を介して供給される場合、高調波性能が改善された整流回路が得られます。この整流器には、変圧器の二次巻線の両端に 1 つずつ接続された 6 つのダイオードが必要です。この回路のパルス数は 6 であり、実質的には 6 相半波回路と考えることができます。

ソリッドステートデバイスが利用可能になる前は、半波回路とセンタータップ付き変圧器を使用した全波回路が、水銀アークバルブを使用した工業用整流器で非常に一般的に使用されていました。^[6]これは、3つまたは6つのAC電源入力を、共通のカソードを共有して、単一のタンク上の対応する数のアノード電極に供給できるためです。

ダイオードとサイリスタの登場により、これらの回路は人気がなくなり、三相ブリッジ回路が最も一般的な回路になりました。

制御されていない3 相ブリッジ整流器の場合、6 つのダイオードが使用され、回路のパルス数は 6 になります。このため、6 パルス ブリッジとも呼ばれます。B6 回路は、2 つの 3 パルス センター回路の直列接続として簡略化できます。

低電力アプリケーションでは、最初のダイオードのアノードが 2 番目のダイオードのカソードに接続された直列の 2 重ダイオードが、この目的のために 1 つのコンポーネントとして製造されます。市販の 2 重ダイオードの中には、4 つの端子すべてが使用可能なものがあり、ユーザーは単相分割電源、ハーフ ブリッジ、または 3 相整流器として構成できます。

高出力アプリケーションの場合、通常、ブリッジの 6 つのアームのそれぞれに 1 つの個別デバイスが使用されます。最高出力の場合、ブリッジの各アームは、並列 (アルミニウム精錬など、非常に高い電流が必要な場合)または直列 (高電圧直流送電 など、非常に高い電圧が必要な場合) の数十または数百の個別デバイスで構成されることがあります。

脈動する直流電圧は、瞬間的な正相電圧と負相電圧の差から生じ、位相は 30° ずれています。 ${\displaystyle V_{\mathrm {LN} }}$

B6回路の理想的な無負荷平均出力電圧は、周期が（60°から120°）でピーク値が次のDC電圧パルスのグラフの下の積分から得られます。 ${\displaystyle V_{\mathrm {av} }}$${\displaystyle {\frac {1}{3}}\pi }$${\displaystyle {\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}$

${\displaystyle {\begin{aligned}V_{\mathrm {dc} }={}&V_{\mathrm {av} }={\frac {1}{{\frac {1}{3}}\pi }}\int _{60^{\circ }}^{120^{\circ }}{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin \varphi \cdot \mathrm {d} \varphi \\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \left(-\cos 120^{\circ }+\cos 60^{\circ }\right)\\[8pt]={}&{\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\Biggl [}-\left(-{\frac {1}{2}}\right)+{\frac {1}{2}}{\Biggl ]}={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\end{aligned}}}$

${\displaystyle \Longrightarrow V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot {\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}\Longrightarrow V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {6}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}{\pi }}\approx 2.34V_{\mathrm {LN} }}$

三相ブリッジ整流器が対称的に（正と負の供給電圧として）動作する場合、変圧器の中心点（または中性線）の反対側の出力側の整流器の中心点（またはいわゆる絶縁基準電位）には、三角形の共通モード電圧の形で電位差があります。このため、これら 2 つの中心を互いに接続してはなりません。そうしないと、短絡電流が流れます。対称動作の三相ブリッジ整流器の接地は、中性線または主電圧のアースから切り離されます。変圧器によって電力が供給される場合、変圧器の二次巻線が主電圧から電気的に絶縁され、二次巻線のスター ポイントがアース上にない限り、ブリッジの中心点をアースすることは可能です。ただし、この場合、（無視できる）漏れ電流が変圧器の巻線に流れます。

コモンモード電圧は、脈動する直流電圧を形成する正相電圧と負相電圧の差のそれぞれの平均値から形成されます。デルタ電圧のピーク値は、${\displaystyle {\hat {v}}_{\mathrm {common-mode} }}$1/4⁠位相入力電圧のピーク値の60° 周期における DC 電圧のマイナス半分 で計算されます。${\displaystyle V_{\mathrm {peak} }}$${\displaystyle V_{\mathrm {peak} }}$

${\displaystyle {\begin{aligned}{\hat {v}}_{\text{common mode}}={}&V_{\mathrm {peak} }-{\frac {{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}\\[8pt]={}&V_{\mathrm {peak} }\cdot {\Biggl (}1-{\frac {{\sqrt {3}}\cdot \sin 60^{\circ }}{2}}{\Biggl )}=V_{\mathrm {peak} }\cdot 0.25\end{aligned}}}$

コモンモード電圧の RMS 値は、三角振動のフォーム ファクタから計算されます。

${\displaystyle V_{\text{common mode}}={\frac {{\hat {v}}_{\text{common mode}}}{\sqrt {3}}}}$

回路が非対称的に動作する場合（正極が 1 つだけの単純な電源電圧として）、正極と負極の両方（または分離された基準電位）は、相電圧の正と負の波形と同様に、入力電圧の中心（または接地）の反対側で脈動します。ただし、相電圧の差により、6 パルスの DC 電圧が発生します（周期にわたって）。トランスの中心を負極から厳密に分離すること（そうしないと短絡電流が流れる）または絶縁トランスで電源を供給している場合の負極の接地の可能性は、対称的な動作にも同様に当てはまります。

制御された三相ブリッジ整流器は、ダイオードの代わりにサイリスタを使用します。出力電圧は係数 cos(α) によって減少します。

${\displaystyle V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot \cos \alpha }$

あるいは、線間入力電圧で表すと次のようになる。^[7]

${\displaystyle V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos \alpha }$

どこ：

V _LLpeakはライン間入力電圧のピーク値であり、

Vpeak_は相（線間から中性線）入力電圧のピーク値であり、

αはサイリスタの点弧角です（整流にダイオードを使用する場合は0）。

上記の式は、AC 電源から電流が流れていない場合、または AC 電源接続にインダクタンスがない理論上の場合にのみ有効です。実際には、電源インダクタンスにより、負荷が増加すると DC 出力電圧が低下します。通常、全負荷で 10 ～ 20% の範囲です。

電源インダクタンスの影響により、ある位相から次の位相への転送プロセス (整流と呼ばれる) が遅くなります。この結果、一対のデバイス間の各遷移で、ブリッジ内の 3 つの (2 つではなく) デバイスが同時に導通するオーバーラップ期間が発生します。オーバーラップ角度は通常、記号 μ (または u) で示され、全負荷時に 20 ～ 30° になります。

電源インダクタンスを考慮すると、整流器の出力電圧は次のように減少する。

${\displaystyle V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos(\alpha +\mu ).}$

重なり角μは直流電流に直接関係しており、上記の式は次のように表現できる。

${\displaystyle V_{\mathrm {dc} }=V_{\mathrm {av} }={\frac {3V_{\mathrm {LLpeak} }}{\pi }}\cdot \cos(\alpha )-6fL_{\mathrm {c} }I_{\mathrm {d} }}$

どこ：

L _{c は}相当たりの整流インダクタンスであり、

I _{d は}直流電流です。

単相整流器や三相半波整流器よりは優れていますが、6 パルス整流回路は、AC 接続と DC 接続の両方でかなりの高調波歪みを依然として生成します。非常に高出力の整流器の場合、通常は 12 パルス ブリッジ接続が使用されます。12 パルス ブリッジは、直列に接続された 2 つの 6 パルス ブリッジ回路で構成され、その AC 接続は、2 つのブリッジ間で 30° の位相シフトを生成する電源トランスから供給されます。これにより、6 パルス ブリッジが生成する特性高調波の多くがキャンセルされます。

30 度の位相シフトは通常、2 セットの二次巻線 (1 つはスター (Y) 接続、もう 1 つはデルタ接続) を備えた変圧器を使用することで実現されます。

シンプルな半波整流器は、ダイオードが反対方向を向く 2 つの電気的構成で構築できます。1 つのバージョンでは、出力のマイナス端子を AC 電源に直接接続し、もう 1 つのバージョンでは、出力のプラス端子を AC 電源に直接接続します。これら 2 つを個別の出力平滑化と組み合わせると、ピーク AC 入力電圧のほぼ 2 倍の出力電圧を得ることができます。これにより、中間にタップが提供され、このような回路を分割レール電源として使用できるようになります。

このバリエーションとして、ブリッジ整流器の出力平滑化に 2 つのコンデンサを直列に接続し、それらのコンデンサの中点と AC 入力端子の 1 つの間にスイッチを配置する方法があります。スイッチが開いている場合、この回路は通常のブリッジ整流器のように動作します。スイッチが閉じている場合、電圧倍増整流器のように動作します。言い換えると、これにより、世界中の 120 V または 230 V の主電源から約 320 V (約 ±15%) の DC 電圧を簡単に得ることができ、これを比較的単純なスイッチング電源に供給できます。ただし、必要なリップルが所定の値の場合、両方のコンデンサの値は、通常のブリッジ整流器に必要な 1 つのコンデンサの値の 2 倍でなければなりません。スイッチが閉じているときは、各コンデンサが半波整流器の出力をフィルタリングする必要があり、スイッチが開いているときは、2 つのコンデンサが直列に接続され、一方のコンデンサの半分の値と同等になります。

コッククロフト・ウォルトン電圧マルチプライヤでは、コンデンサとダイオードの段がカスケード接続され、低い AC 電圧を高い DC 電圧に増幅します。これらの回路は、ピーク AC 入力電圧の最大約 10 倍の DC 出力電圧電位を生成できますが、実際には電流容量と電圧調整の問題によって制限されます。後続のブースト段または主要な高電圧 (HV) 源として頻繁に使用されるダイオード電圧マルチプライヤは、HV レーザー電源、ブラウン管( CRT) (CRT ベースのテレビ、レーダー、ソナー ディスプレイで使用されるものなど)、画像増強管や光電子増倍管 (PMT) に見られる光子増幅装置、レーダー送信機や電子レンジで使用されるマグネトロン ベースの無線周波数 (RF) デバイスなどのデバイスへの電源供給に使用されます。半導体電子機器が導入される前は、 AC 電源から直接電力を供給されるトランスレス真空管受信機は、電圧ダブラーを使用して 100～120 V の電力線から約 300 VDC を生成することがありました。

整流器の機能と性能、またはその出力を定量化するために、変圧器利用率 (TUF)、変換比 ( η )、リップル係数、フォーム ファクタ、ピーク係数など、いくつかの比率が使用されます。2 つの主要な尺度は、出力電圧の構成要素である DC 電圧 (またはオフセット) とピーク間リップル電圧です。

変換比 (「整流比」とも呼ばれ、紛らわしいことに「効率」とも呼ばれる) η は、DC 出力電力と AC 電源からの入力電力の比として定義されます。理想的な整流器を使用した場合でも、出力電力の一部は DC ではなく AC 電力であり、DC 波形に重畳されたリップルとして現れるため、この比は 100% 未満になります。リップルを減らし、出力の AC 成分を減らす平滑回路を使用することで、この比を改善できます。変換比は、変圧器の巻線での損失と整流器要素自体の電力消費によって低下します。整流器の後には DC 電圧を上げてリップルを減らすためのフィルターがほぼ常に続くため、この比は実用上ほとんど重要ではありません。一部の 3 相および多相アプリケーションでは、変換比が十分に高いため、平滑回路は不要です。^[8] 真空管電子機器のフィラメントヒーター回路のように負荷がほぼ完全に抵抗性である回路では、抵抗器がAC電力とDC電力の両方を消費するため電力が失われず、平滑回路を省略できる。

半波整流器の場合、この比率は非常に小さくなります。

${\displaystyle P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over 2}}$（負の半サイクルでは電力が供給されないため、 除数は√2ではなく2になります）

${\displaystyle P_{\mathrm {DC} }={V_{\mathrm {peak} } \over \pi }\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over \pi }}$

したがって、半波整流器の最大変換比は、

${\displaystyle \eta ={P_{\mathrm {DC} } \over P_{\mathrm {AC} }}\approx 40.5\%}$

同様に、全波整流器の場合、

${\displaystyle P_{\mathrm {AC} }={V_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}}$

${\displaystyle P_{\mathrm {DC} }={2\cdot V_{\mathrm {peak} } \over \pi }\cdot {2\cdot I_{\mathrm {peak} } \over \pi }}$

${\displaystyle \eta ={P_{\mathrm {DC} } \over P_{\mathrm {AC} }}\approx 81.0\%}$

三相整流器、特に三相全波整流器は、リップルが本質的に小さいため、変換率がはるかに高くなります。

三相半波整流器の場合、

${\displaystyle P_{\mathrm {AC} }=3\cdot {V_{\mathrm {peak} } \over 2}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over 2}}$

${\displaystyle P_{\mathrm {DC} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}\cdot {\frac {3{\sqrt {3}}\cdot I_{\mathrm {peak} }}{2\pi }}}$

三相全波整流器の場合、

${\displaystyle P_{\mathrm {AC} }=3\cdot {V_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}\cdot {I_{\mathrm {peak} } \over {\sqrt {2}}}}$

${\displaystyle P_{\mathrm {DC} }={\frac {3{\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}{\pi }}\cdot {\frac {3{\sqrt {3}}\cdot I_{\mathrm {peak} }}{\pi }}}$

整流回路の変圧器利用率（TUF）は、入力抵抗器で利用可能なDC電力と変圧器の出力コイルのAC定格の比として定義されます。^{[9] [10]}

${\displaystyle {\text{T.U.F}}={\frac {P_{\text{odc}}}{\text{VA rating of transformer}}}}$

変圧器の定格は次のように定義されます。${\displaystyle VA}$${\displaystyle VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }({\text{For secondary coil.}})}$

参照:ダイオード § 各種半導体の順方向閾値電圧

実際の整流器は、入力電圧の一部を降下させる特性があります (シリコン デバイスの場合、電圧降下は通常 0.7 ボルトで、これに等価抵抗が加わり、一般に非線形になります)。また、高周波数では、別の方法で波形を歪めます。理想的な整流器とは異なり、ある程度の電力を消費します。

ほとんどの整流の特徴は、ダイオードの両端の内蔵電圧降下 (通常のシリコンp-n 接合ダイオードの場合は約 0.7 V、ショットキー ダイオードの場合は 0.3 V ) によって生じる、ピーク入力電圧からピーク出力電圧までの損失です。センタータップ付き二次側を使用した半波整流と全波整流では、ダイオード 1 個分のピーク電圧損失が発生します。ブリッジ整流では、ダイオード 2 個分の損失が発生します。これにより出力電圧が低下し、非常に低い交流電圧を整流する必要がある場合に使用可能な出力電圧が制限されます。ダイオードはこの電圧以下では導通しないため、回路は各半サイクルの一部でのみ電流を流し、各「こぶ」の間にゼロ電圧の短いセグメント (瞬間入力電圧がダイオード 1 個または 2 個分以下のセグメント) が発生します。

ピーク損失は低電圧整流器（たとえば、12 V 以下）では非常に重要ですが、HVDC 電力伝送システムなどの高電圧アプリケーションでは重要ではありません。

整流器などの非線形負荷は、スイッチング動作により、AC 側で電源周波数の電流高調波を生成し、DC 側で電源周波数の電圧高調波を生成します。

半波整流と全波整流は一方向の電流を流しますが、どちらも一定の電圧は生成しません。半波整流器の場合は電源周波数に大きなACリップル電圧成分があり、全波整流器の場合は電源周波数の2倍になります。リップル電圧は通常、ピークツーピークで指定されます。整流されたAC電源から安定したDCを生成するには、平滑回路またはフィルタが必要です。最も単純な形式では、これは整流器の出力に配置されたコンデンサ（平滑コンデンサとリザーバの両方、^{[11] [12]}バッファまたはバルクコンデンサの両方として機能する）、チョーク、抵抗器、ツェナーダイオードと抵抗器、または電圧レギュレータです。実際には、ほとんどの平滑フィルタは複数のコンポーネントを使用して、リップル電圧を回路が許容できるレベルまで効率的に低減します。

フィルタ コンデンサは、AC 電源が電力を供給しない AC サイクルの一部、つまり AC 電源が電流の方向を変えるときに、蓄積されたエネルギーを放出します。

上の図は、主電源などのほぼゼロのインピーダンスを持つ電圧源から供給された場合のリザーバーの電圧波形を示しています。両方の電圧は、画像の左端の時刻 t = 0 でゼロから始まり、その後、コンデンサ電圧は整流された AC 電圧の増加に追従し、コンデンサが充電され、電流が負荷に供給されます。主電源の 1/4 サイクルの終わりに、コンデンサは整流器電圧のピーク値 Vp まで充電されます。これに続いて、整流器の入力電圧は、次の 1/4 サイクルに入ると最小値 Vmin まで減少し始めます。これにより、コンデンサが負荷への出力電圧を維持している間に、負荷を介してコンデンサの放電が開始されます。

コンデンサCのサイズは、許容できるリップルrの量によって決まります。ここでr=(Vp-Vmin)/Vpです。^[13]

これらの回路は、抵抗やリアクタンスの形で大きな内部インピーダンスを持つ可能性がある変圧器から電力を供給されることが非常に多いです。変圧器の内部インピーダンスは、リザーバコンデンサの波形を変更し、ピーク電圧を変え、調整の問題を引き起こします。

与えられた負荷に対して、平滑コンデンサのサイズは、リップル電圧の低減とリップル電流の増加との間のトレードオフになります。ピーク電流は、入力正弦波の立ち上がりエッジでの電源電圧の上昇率によって設定され、トランス巻線の抵抗によって減少します。リップル電流が高いと、コンデンサ、整流器、トランス巻線の I ² R 損失 (熱の形で) が増加し、コンポーネントの電流容量またはトランスの VA 定格を超える可能性があります。真空管整流器は入力コンデンサの最大容量を指定し、SS ダイオード整流器にも電流制限があります。この用途のコンデンサには低いESRが必要です。そうでないと、リップル電流によってコンデンサが過熱する可能性があります。リップル電圧を指定の値に制限するには、必要なコンデンサのサイズが負荷電流に比例し、電源周波数と入力サイクルあたりの整流器の出力ピークの数に反比例します。全波整流出力は半波整流出力の 2 倍の周波数であるため、より小型のコンデンサが必要です。 1 つのコンデンサだけでリップルを満足のいく限度まで低減するには、多くの場合、非現実的なサイズのコンデンサが必要になります。 これは、コンデンサのリップル電流定格がサイズに比例して増加せず、高さの制限もあるためです。 高電流アプリケーションでは、代わりにコンデンサ バンクが使用されます。

整流された波形をチョーク入力フィルタに入力することも可能です。この回路の利点は、電流波形がより滑らかになることです。コンデンサ入力フィルタのように、半サイクルごとに交流電圧のピークでパルス状に電流が流れるのではなく、電流がサイクル全体にわたって流れます。欠点は、電圧出力がはるかに低いことです。ピークではなく交流半サイクルの平均です。コンデンサ入力フィルタの場合、これは RMS 電圧の約 90% で、RMS 電圧 (無負荷) の倍数です。これを補うのは、優れた電圧調整と高い電流値です。これにより、電源コンポーネントのピーク電圧とリップル電流の需要が減ります。インダクタは鉄などの磁性材料のコアを必要とし、重量とサイズが増加します。そのため、電子機器の電源におけるインダクタの使用は減少し、電圧レギュレータなどの半導体回路が好まれるようになりました。^[14]${\displaystyle {\sqrt {2}}}$

バッテリー充電器のようにリップル電圧が重要でない場合は、入力フィルタは単一の直列抵抗器で、回路に必要な出力電圧に調整できます。抵抗器は出力電圧とリップル電圧の両方を比例して低減します。抵抗器入力フィルタの欠点は、負荷に利用できない廃熱の形で電力を消費することであるため、低電流回路でのみ使用されます。

リップルをさらに低減するために、最初のフィルタ要素の後に、直列フィルタとシャント フィルタのコンポーネントを交互に追加するか、電圧レギュレータが続くことがあります。直列フィルタのコンポーネントは抵抗器またはチョークで、シャント要素は抵抗器またはコンデンサです。フィルタは、リップルを低減するだけでなく、DC 電圧を上げることもできます。フィルタは、多くの場合、RC (直列抵抗器、シャント コンデンサ) または LC (直列チョーク、シャント コンデンサ) セクションと呼ばれる直列/シャント コンポーネントのペアで構成されます。一般的な 2 つのフィルタ形状は、Pi (コンデンサ、チョーク、コンデンサ) フィルタと T (チョーク、コンデンサ、チョーク) フィルタです。低い DC 出力が望ましい場合や許容される場合は、抵抗器の方が小型で安価であるため、直列要素が抵抗器になることがあります。別の種類の特殊なフィルタ形状は、直列共振チョーク フィルタまたは同調チョーク フィルタです。ローパス フィルタである他のフィルタ ジオメトリとは異なり、共振チョーク フィルタはバンドストップ フィルタです。これは、リップル電圧の周波数で共振するチョークとコンデンサの並列組み合わせであり、リップルに対して非常に高いインピーダンスを示します。フィルタを完成させるために、シャント コンデンサが後に続く場合があります。

DC 負荷に非常に低いリップル電圧が必要な場合、フィルタ コンポーネントを追加する代わりに、入力フィルタの後に電圧レギュレータを配置するのが一般的です。電圧レギュレータはフィルタとは異なる原理で動作します。フィルタは基本的に、リップル周波数の電圧を負荷から遠ざける分圧器です。レギュレータは、負荷に供給される電流を増減して、一定の出力電圧を維持します。

シンプルなパッシブ シャント電圧レギュレータは、電源電圧を必要なレベルまで下げる直列抵抗と、逆電圧が設定電圧に等しいツェナー ダイオードシャントで構成されます。入力電圧が上昇すると、ダイオードは電流を放出して設定出力電圧を維持します。このタイプのレギュレータは、ツェナー ダイオードには電圧と電流の両方の制限があるため、通常は低電圧、低電流の回路でのみ使用されます。また、負荷に利用できない余分な電流を放出するため、非常に非効率的です。

シャント電圧レギュレータのより効率的な代替手段は、アクティブ電圧レギュレータ回路です。アクティブ レギュレータは、リアクティブ コンポーネントを使用してエネルギーを蓄積および放電するため、整流器によって供給される電流のほとんどまたはすべてが負荷に渡されます。また、ソース電圧が低下したときに出力電圧を維持するために、トランジスタなどの少なくとも 1 つの電圧増幅コンポーネントと組み合わせて負帰還と正帰還を使用する場合もあります。入力フィルタは、必要な出力電圧を生成するためにレギュレータに必要な最小電圧を下回るリップルの谷を防ぐ必要があります。レギュレータは、リップルを大幅に削減するとともに、電源と負荷の特性の変動に対処する役割を果たします。

整流器の主な用途は、AC 電源から DC 電力を得ることです (AC から DC へのコンバータ)。整流器は、ほぼすべての電子機器の電源内で使用されています。AC/DC 電源は、リニア電源とスイッチング モード電源に大別できます。このような電源では、整流器はトランスの後に直列に接続され、その後に平滑フィルタと電圧レギュレータが続きます。

DC 電力をある電圧から別の電圧に変換するのは、はるかに複雑です。DC から DC への変換方法の 1 つは、最初に電力を AC に変換し (インバータと呼ばれるデバイスを使用)、次に変圧器を使用して電圧を変更し、最後に電力を DC に整流します。通常、数十キロヘルツの周波数が使用されます。これは、低周波数の場合よりも必要なインダクタンスがはるかに小さく、重くてかさばる高価な鉄心変圧器の使用を回避できるためです。DC 電圧を変換する別の方法は、チャージ ポンプを使用し、高速スイッチングを使用してコンデンサの接続を変更します。この手法は、必要なコンデンサのサイズのため、通常、数ワットまでの電源に制限されます。

整流器は、振幅変調された無線信号の検出にも使用されます。信号は検出前に増幅される場合があります。そうでない場合は、電圧降下が非常に低いダイオード、または固定電圧でバイアスされたダイオードを使用する必要があります。整流器を復調に使用する場合、コンデンサと負荷抵抗を慎重に一致させる必要があります。静電容量が低すぎると、高周波キャリアが出力に渡され、高すぎると、コンデンサが充電されたままになります。

整流器は溶接用の有極電圧を供給します。このような回路では出力電流の制御が必要ですが、これはブリッジ整流器のダイオードの一部をサイリスタに置き換えることで実現されることがあります。サイリスタは実質的にダイオードであり、位相制御器でオンとオフを切り替えることで電圧出力を調整できます。

サイリスタは、様々なクラスの鉄道 車両システムで使用され、牽引モーターの微細な制御を可能にします。ゲートターンオフサイリスタは、例えばユーロスター列車の三相牽引モーターに電力を供給するために、直流電源から交流電流を生成するために使用されます。^[15]

真空管式整流器が開発された 1905 年頃までは、電力変換装置は完全に電気機械的な設計でした。機械式整流器は、電磁石によって駆動される何らかの回転または共振振動を使用し、スイッチまたは整流子を操作して電流を逆転させていました。

これらの機械式整流器は騒音が大きく、潤滑や摩耗による可動部品の交換など、メンテナンス要件が厳しかった。負荷がかかった状態で機械式接点を開くと、電気アークと火花が発生し、接点が加熱され、腐食した。また、1 秒あたり数千サイクルを超える AC周波数には対応できなかった。

電気機関車で交流を直流に変換するには、同期整流器が使用されることがあります。^[要出典]これは、一連の強力な電気接点を駆動する同期モーターで構成されています。モーターは AC 周波数に合わせて回転し、正弦波電流がゼロ交差を通過する瞬間に負荷への接続を定期的に反転します。接点は大きな電流を切り替える必要はありませんが、機関車の DC牽引モーターに供給するために大きな電流を流すことができなければなりません。

これらは、交流電磁石によって生成される交流磁界によって振動する共振リードと、負の半サイクルで電流の方向を反転する接点で構成されていました。これらは、降圧トランスによって生成される低電圧を整流するために、バッテリー充電器などの低電力デバイスで使用されました。もう 1 つの用途は、真空管式ポータブルラジオのバッテリー電源で、真空管に高 DC 電圧を供給することでした。これらは、現代のソリッド ステート スイッチングインバータの機械バージョンとして動作し、バッテリー電圧をステップアップするトランスと、磁場によって動作するトランス コアの振動子接点のセットによって DC バッテリー電流が繰り返し遮断され、パルス状の AC が生成されてトランスに電力が供給されます。次に、振動子の2 番目の整流器接点セットが、トランスの二次側からの高 AC 電圧を DC に整流しました。

モーター発電機セット、または同様の回転コンバータは、実際には電流を整流するのではなく、AC電源からDCを生成するため、厳密には整流器ではありません。「MGセット」では、ACモーターのシャフトがDC発電機のシャフトに機械的に結合されています。DC発電機は、電機子巻線に多相交流電流を生成し、電機子シャフトの整流子がそれを直流出力に変換します。または、単極発電機は整流子を必要とせずに直流を生成します。MGセットは、鉄道牽引モーター、産業用モーター、およびその他の高電流アプリケーション用のDCを生成するのに役立ち、高出力半導体が広く利用可能になる前は、多くの高出力DC用途（たとえば、野外劇場のカーボンアークランププロジェクター）で一般的でした。

電解整流器^[16]は20世紀初頭の装置で、現在は使用されていません。自家製のバージョンは1913年の本「The Boy Mechanic」^{[17]に示されていますが、絶縁}破壊電圧が低く感電の危険があるため、非常に低い電圧でのみ使用できます。この種のより複雑な装置は、1928年にGWカーペンターによって特許取得されました（米国特許1671970）。^[18]

2 種類の異なる金属が電解液に浮遊している場合、溶液中を一方向に流れる直流電流の抵抗は、他の方向よりも小さくなります。電解整流器で最も一般的に使用されるのは、リン酸三アンモニウムの溶液に浮遊したアルミニウム陽極と鉛または鋼の陰極です。

整流作用は、アルミニウム電極上の水酸化アルミニウムの薄いコーティングによるもので、コーティングを蓄積するために最初にセルに強い電流を流すことで形成されます。整流プロセスは温度に敏感で、最高の効率を得るには 86 °F (30 °C) を超える温度では動作させないでください。また、コーティングが貫通してセルが短絡すると、破壊電圧が発生します。電気化学的方法は、機械的方法よりも脆弱であることが多く、使用方法の変化に敏感で、整流プロセスを大幅に変化させたり完全に中断したりすることがあります。

同様の電解装置は、同じ時代に、多数のアルミニウムコーンを三アンモニウムオルトリン酸溶液のタンクに吊るすことにより避雷器として使用されていました。上記の整流器とは異なり、アルミニウム電極のみが使用され、交流で使用されるため分極がなく、したがって整流作用はありませんが、化学的性質は似ています。^[19]

ほとんどの整流回路構成に不可欠なコンポーネントである現代の電解コンデンサも、電解整流器から開発されました。

20 世紀初頭の真空管技術の発展により、さまざまな真空管式整流器が発明され、ノイズが多く非効率的な機械式整流器に取って代わりました。

1909 年から 1975 年頃にかけて高電圧直流 (HVDC) 電力伝送システムや工業処理で使用されていた整流器は、水銀アーク整流器または水銀アークバルブです。この装置は、球根状のガラス容器または大きな金属製の桶に収められています。1 つの電極である陰極は、容器の底にある液体水銀のプールに沈められ、1 つ以上の高純度グラファイト電極である陽極がプールの上に吊り下げられています。アークを開始および維持するのを補助するために、いくつかの補助電極が存在する場合があります。陰極プールと吊り下げられた陽極の間に電気アークが確立されると、電子の流れがイオン化した水銀を通って陰極から陽極に流れますが、その逆は流れません (原理的には、これは炎の中に自然に存在するプラズマの同じ一方向の電流伝送特性を使用する炎整流のより高出力版です)。

これらの装置は数百キロワットの電力レベルで使用でき、1相から6相の交流電流を処理できるように構築できます。水銀アーク整流器は、1970年代半ばにシリコン半導体整流器と高出力サイリスタ回路に置き換えられました。これまでに構築された最も強力な水銀アーク整流器は、マニトバハイドロネルソン リバーバイポールHVDCプロジェクトに設置され、合計定格は1GW以上、450kVでした。^{[20] [21]}

ゼネラル・エレクトリック社のタンガー整流器は、水銀蒸気（例：5B24）またはアルゴン（例：328）ガスを充填した電子管デバイスで、タングステンフィラメントの陰極と炭素ボタン陽極を備えています。動作は熱電子真空管ダイオードに似ていますが、管内のガスが順方向伝導中にイオン化するため、順方向電圧降下がはるかに小さくなり、より低い電圧を整流できます。1920年代からバッテリー充電器などに使用されていましたが、その後、より安価な金属整流器、さらに半導体ダイオードに取って代わられました。これらは数百ボルト、数アンペアの定格まで作られ、サイズによっては電極を追加した白熱電球によく似ていました。

0Z4 は、1940 年代から 1950 年代にかけて真空管カーラジオでよく使用されていたガス充填整流管です。2 つの陽極と 1 つの陰極を備えた従来の全波整流管ですが、フィラメントがないという点で独特でした (そのため、タイプ番号に「0」が付いています)。電極は、逆方向ブレークダウン電圧が順方向ブレークダウン電圧よりもはるかに高くなるように形成されていました。ブレークダウン電圧を超えると、0Z4 は低抵抗状態に切り替わり、順方向電圧降下は約 24 V になりました。

熱電子 真空管 ダイオードは、もともとフレミングバルブと呼ばれ、1904年にジョン・アンブローズ・フレミングがラジオ受信機の電波検出器として発明し、一般的な整流器へと進化しました。真空のガラス球と、別の電流によって加熱されるフィラメント、および金属板の陽極で構成されていました。フィラメントは、1884年にトーマス・エジソンが発見した熱電子放出（エジソン効果）によって電子を放出し、板の正電圧によって、フィラメントから板へと管を通る電子の流れが発生しました。フィラメントのみが電子を生成するため、管は一方向にのみ電流を伝導し、交流を整流することができます。

熱電子ダイオード整流器は、蓄音機、ラジオ、テレビなどの真空管式民生用電子製品の電源に広く使用されていました。たとえば、オール アメリカン ファイブラジオ受信機では、他の真空管に必要な高い DC プレート電圧を供給していました。2 つの独立したプレートを備えた「全波」バージョンは、センタータップ トランスを使用して全波整流器を構成できるため、人気がありました。真空管整流器は、テレビ受信機のブラウン管用の高電圧電源や、X 線装置の電源に使用されるケノトロンなど、非常に高い電圧用に作られました。ただし、現代の半導体ダイオードと比較すると、真空管整流器は空間電荷による内部抵抗が高く、電圧降下が大きいため、電力消費が高く、効率が低くなります。プレート電力消費の制限により、250 mA を超える電流を処理できることはほとんどなく、バッテリー充電器などの低電圧アプリケーションには使用できません。真空管整流器のもう 1 つの制限は、ヒーター電源を整流回路の高電圧から絶縁するために特別な配置が必要になることが多いことです。

最も初期の半導体ダイオードである結晶検波器は、クリスタルラジオと呼ばれる最も初期のラジオ受信機の一部で検波器として使用され、ラジオの搬送波を整流し、イヤホンで音を生成する変調を取り出すために使用されました。1902年頃にジャガディッシュ・チャンドラ・ボースとGWピカードによって発明され、コヒーラなどの初期の検波器を大幅に改良しました。猫のひげ検波器と呼ばれることが多い人気のあるタイプの結晶検波器は、通常は方鉛鉱（硫化鉛）などの半導体鉱物の結晶と、その表面に触れる軽い弾力性のあるワイヤで構成されています。壊れやすく、電流容量が限られているため、電源用途には適していませんでした。1920年代に真空管に置き換えられるまで、ラジオで広く使用されていました。1930年代に、研究者はマイクロ波周波数で使用できるように結晶検波器を小型化および改良し、最初の半導体ダイオードを開発しました。

1970年代にもっとコンパクトで安価なシリコン固体整流器に置き換えられるまで、これらの装置は酸化物コーティングされた金属板のスタックを使用し、セレンまたは酸化銅の半導体特性を利用していました。 ^[22]セレン整流器は同等の真空管整流器よりも軽量で消費電力も少ないですが、寿命が限られており、経年とともに抵抗が増加し、低周波数でしか使用できないという欠点がありました。セレン整流器と酸化銅整流器はどちらも、瞬間的な電圧過渡に対する耐性がシリコン整流器よりもいくらか優れています。

通常、これらの整流器は、中央のボルトで固定された金属プレートまたはワッシャーのスタックで構成され、スタックの数は電圧によって決まります。各セルの定格は約 20 V です。自動車用バッテリー充電器の整流器にはセルが 1 つしかない場合がありますが、真空管用の高電圧電源には、何十枚ものプレートがスタックされている場合があります。空冷式セレン スタックの電流密度は、アクティブ領域 1 平方インチあたり約 600 mA (平方センチメートルあたり約 90 mA) でした。

シリコンダイオードは、低電圧および低電力用の整流器として最も広く使用されており、他の整流器に取って代わっています。順方向電圧が大幅に低い (シリコン ダイオードの 0.7V に対して 0.3V) ため、ゲルマニウム ダイオードは低電圧回路においてシリコン ダイオードよりも本質的に優れています。

高出力アプリケーションでは、1975 年から 2000 年にかけて、ほとんどの水銀管アーク整流器が、単純なダイオードと比較して 2 つの半導体層を追加したシリコン デバイスである超高出力サイリスタのスタックに置き換えられました。

中電力送電アプリケーションでは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ (IGBT)やゲートターンオフサイリスタ (GTO)などのさらに複雑で高度な電圧源コンバータ(VSC) シリコン半導体整流器システムにより、小型の高電圧 DC 送電システムが経済的になりました。これらのデバイスはすべて整流器として機能します。

2009年時点では、^[update]これらの高出力シリコン「自己整流スイッチ」、特にIGBTと統合ゲート整流サイリスタ（IGCT）と呼ばれる変種サイリスタ（GTOに関連）は、定格電力が拡大され、最終的には最高電力伝送DCアプリケーション用の単純なサイリスタベースのAC整流システムに取って代わると予想されていました。^[23]

アクティブ整流は、ダイオードをトランジスタ（通常はパワーMOSFETまたはパワーBJT）などのアクティブに制御されるスイッチに置き換えることで整流効率を向上させる技術です。^[24]通常の半導体ダイオードの電圧降下はほぼ0.5～1ボルト程度に固定されていますが、アクティブ整流器は抵抗として動作し、電圧降下を任意に低くすることができます。

歴史的には、振動駆動スイッチやモーター駆動整流子も機械整流器や同期整流に使用されてきた。 ^[25]

アクティブ整流には多くの用途があります。これは、部分的な日陰による過熱の原因となる逆電流を回避しながら電力損失を最小限に抑えるために、太陽光発電パネルのアレイでよく使用されます。

主要な研究分野は、テラヘルツや光周波数に整流できる高周波整流器の開発です。これらのデバイスは光ヘテロダイン検出に使用され、光ファイバー通信や原子時計などさまざまな用途があります。このようなデバイスの別の有望な用途は、ナノアンテナと呼ばれる小さなアンテナで拾った光波を直接整流してDC電力を生成することです。^{[26]アンテナアレイは、}太陽電池よりも効率的に太陽光発電を行う手段になると考えられています。

関連する研究分野として、より小型の整流器の開発があります。これは、デバイスが小型であるほど、カットオフ周波数が高くなるためです。研究プロジェクトでは、整流器として機能する 単一の有機分子である単分子整流器の開発を試みています。

• ACアダプター
• カール・フェルディナント・ブラウン（点接触整流器、1874年）
• 精密整流器
• レクティフォーマー
• ウィーン整流器
• ワルシャワ整流器