• 2011-07-08 初版

特徴

• コッククロフト・ウォルトン回路は巧妙に設計された高電圧生成回路です。
• 高電圧を得られます。
• 電流は取り出せません。
• 負荷があると電圧が急激に下がります。
• 段数を増やせば、さらに高電圧を得られますが、電流をさらに取り出せなくなります。
• プラス電圧だけでなく、マイナス電圧も生成できます。

ここではコッククロフト・ウォルトン回路をLTspiceで解析し、さらに実際に検証してみます。

回路図

• 回路図内の電圧はLTspiceでのシュミレーション結果です。
• 無負荷時の電圧特性です。
• ダイオードの順方向電圧は0.6Vですが、無電流(無負荷)では限りなく0Vに近くなります。
• 無負荷時の電圧をテスターで測定することはできません。
• 供給電源の5Vピークtoピークのパルス(Duty=50%)はAC2.5Vに相当します。
• つまりコッククロフト・ウォルトン回路(2倍)とはAC2.5VをDC5Vにします。
• 負荷があり、電流供給が間に合えば、ダイオードの順方向電圧を差し引いた電圧が出力されます。
• 負荷があり、電流供給が間にあわなければ、急激に電圧が下がります。

原理

• 交流を整流して加算していきます。
• C1,C3,C5の奇数コンデンサは直列接続されているので、交流を通します。
• C2,C4,C6の偶数コンデンサは平滑用です。このポイントで直流電圧が得られます。
• 平滑しては交流を次の段に送りこむことを繰り返しています。

要件

交流電源の要件

• コッククロフト・ウォルトン回路には交流を供給する必要があります。
• 理想は矩形波(50%デューティのパルス)ですが、こだわる必要はありません。
• デューティが1%のパルスでも動作します。
• 正弦波である必要もありません。
• 重要なのは交流のピーク電圧がDC電源の基本電圧になるということです。これを基準にした倍率になります。
• 周波数も高すぎず、低すぎもしなければOKです。
• 周波数が低すぎると電圧が立ち上がるまでに時間を要します。

コンデンサの要件

• コンデンサの耐圧は交流のピーク電圧以上必要です。
• 容量は大きすぎず小さすぎなければOKです。
• 大きすぎるとチャージに時間がかかります。
• 小さすぎると負荷によって急激に電圧が低下します。

ダイオードの要件

• ダイオードの耐圧は交流のピーク電圧以上(1N4148の耐圧は100V)必要です。
• スイッチング用であること。整流用はあまり向きません。
• 供給する交流に応答しなければならないからです。例えば、10KHzに応答できなければなりません。

コッククロフト・ウォルトン回路設計では、交流、コンデンサ、ダイオード、負荷のバランスが大切です。

評価

• 実際に回路を組み、実測してみるとシュミレーション結果と近い値になります。
• 測定にはオペアンプによる高インピーダンス入力を利用します。
• 原理上、無負荷か小さな負荷にしか向いていません。
• 供給する交流はかなりいい加減であってもピーク電圧が基準になります。