コンデンサと周波数 ２

質問

現在、電気回路入門の者です。最近、同じような質問のタイトルで皆様のご意見を伺ったのですが、まだ良くわかっておりません。今一度、以下の条件で動作させるためにはどうしたら良いか御教授ください。

　電源電圧・・・交流100V整流してDC140Vを使用
　圧電素子・・・耐圧150V、静電容量５μF

　上記の圧電素子にコンデンサに貯めた電荷を急激(パルス波使用）に放電して、
運動エネルギーを得ようとしています。（スイッチングの周波数20K～30KHz）

　現在使用しているコンデンサはアルミ電解、１０００μFで、周波数を上げていくと、インピーダンスの変動により、得られるエネルギーが小さくなっていく。

　コンデンサの周波数特性の良い物がありましたら、何が良いか教えてください。
　　　宜しくお願いします。

回答No.2

noname#11476 · ベストアンサー

ほとんど０Ｖになりますか、、、。
まず、２０ＫＨｚ駆動と言うことになると、ＣＲで決まる時定数から逆算して、駆動回路のインピーダンスを４．６オーム以下にはしないといけないですね。

で、まずはお持ちの回路でどこが原因かを探ってみましょう。
オシロスコープはありますか？
まず、現在の時定数を調べてみましょう。これは、圧電素子間電圧を低い周波数で駆動して、立ち上がり時間やたち下がり時間を見ます。
立ち上がりとたち下がりでは電流の流れる経路が違うと思う（差動型なら同じ）、それぞれの時定数がわかります。これが、最低でも５０μｓｅｃ以内である必要がありますね。
（矩形だとそれより数倍小さい必要がある）

これから、逆算すると現在の回路のＲが求まります。これを小さくしなければなりません。たち下がりの方も遅ければ対処してください。
問題の立ち上がりですが、

圧電素子間の電圧波形と、電源の電解コンデンサ＋端子から圧電素子＋端子までの電圧波形（これをＡとします）を見比べてください。
両者の電圧を足し会わせたものが１００Ｖを越えるようであれば、電解コンデンサよりもその後のスイッチ回路のインピーダンスが高すぎると言うことになります。
この場合は回路を見直してください。配線なども大電流ですから、太さに注意が必要です。

もし、Ａが十分小さい（ピークで１０～２０Ｖ位なら仕方ないかな？）のであれば、電解コンデンサの応答速度が追いついていないのでしょう。
この場合はやっかいですが、並列化してインピーダンスを下げるか、電解コンとともにセラミックコンデンサ複数個を並列に付けるなどの処方が必要でしょう。

なお、初めに話したとおり、全波整流しているとしても１００Ｈｚ以上になると、電源電圧は１４０Ｖ→１００Ｖまで下がるでしょう。
これは理解できますよね？

ではがんばってください。

お礼

御回答有難うご座います。

立ち上がり時間については、約１０μＳぐらいでした。
やはり、電解コンデンサの応答速度が追いついていないと思われます。
これから回路のインピーダンスを並列接続して下げていこうと考えています。

また何かありましたら、宜しくお願いします。

回答No.1

noname#11476

もう少し情報があった方が良いのでは。

電圧はどの位まで下がりますか？
許容されるのはどの位まで？
得られるエネルギーが小さくなるとは電圧のこと？それとも他のエネルギー値？どの位の量小さくなるのか？

パルス波形のduty（ＯＮとＯＦＦの時間比率）は？

dutyが50%(ONとOFFの時間が同じ）とすると、理想的なコンデンサでも周波数の高いほうだとＤＣ１００Ｖになりますよね？
周波数の低い方は、ON時の後半には事実上電流が流れないので、１４０Ｖかかりますよね？

圧電素子の高周波駆動はとてもやっかい（瞬間電流がすごいですから）なので、もう少し具体的なスペックがわかると良いと思います。
必要なのは、同じだけの変位量ですか？

補足

御回答して頂き、有難うございます。
ならびに、情報不足の点お詫び申し上げます。

　現在、アルミ電解コンデンサ(１０００μF)にDC140Vで電荷を貯め、
圧電素子にＦＥＴでスイッチングして、圧電素子を20KHzで変位させようと
しています「この方法では、周波数を上げていくと、変位量が減少していく（ほとんど変位していない、電圧はほとんど０Ｖに近い）ので、改良が必要」。

使用条件は
変位量は一定、立ち上がり時間は衝撃力を必要とするので、できるだけ早いほうが良い。
Ｄｕｔｙ比は、圧電素子が一度伸びてしまえば、伸びた状態を維持しなくても良いので、ＯＮ時間は短くて良い。

　アルミ電解コンデンサを並列に並べていけば、よいのでしょうか？
それとも、他の方法があるのでしょうか？
　私はなにぶん素人なので説明不足かもしれませんが、宜しくお願いします。

圧電素子の仕様

> 使用温度範囲　　　　　　　　　　 (℃） 　/　 －25～＋85
> 最大駆動電圧　　　　　　　　　　 （V・ＤＣ）　/　 150
> 推奨駆動電圧　　　　　　　　　　 （V・ＤＣ) / 100
> 変位量（最大電圧）　　　　　　　 （μm） / 18.4±3.5
> 変位量（推奨電圧）　　　　　　　 (μm） / 12.3±3.5
> 絶縁抵抗（ＤＣ150Ｖ・1分値) (MΩ）Ｍｉｎ / 5
> 静電容量（1kHｚ・1Vｒ.ｍ.ｓ.）　 (μＦ） / 5.4±20％
> 誘電正接（1kHｚ・1Vｒ.ｍ.ｓ.）　　Ｍａｘ / 0.05
> 発生力（圧縮抗力）　　　　　　　 （Ｎ）　　　　/ 3500
> 共振周波数　　　　　　　　　　　 （ｋＨｚ） / 69
> 引張強度　　　　　　　　　　　　 （Ｎ） / 400
> ヤング率　　　　　　　　　　　　 （Ｎ/m2） / 4.4x10-10