スイッチトキャパシタ switched capacitor

質問

スイッチトキャパシタ回路に関して質問があります。

こういった回路で入力インピーダンスを考えた場合
容量性となり電源電圧や周波数などによって値が
変わってくると思いますが実測で入力インピーダンスを
測るにはどうすればよいのかわからず困っています。

どなたか詳しい方教えていただけないでしょうか。
よろしくお願いします。

回答No.3

foobar · ベストアンサー

今一度SCの動作を確認されるのが良いかと思います。
簡単のため、電圧V1とV2の電源間をSCで接続した回路を考えます。

ーーS1－＋－S2－－
↑　　　｜　　　　↑
Ｖ１　　Ｃ　　　　Ｖ２
　　　　｜

Ｓ１，Ｓ２はスイッチ、説明を簡単にするためにＶ１＞Ｖ２とします。

0.　最初にＳ１をＯＮ，Ｓ２をＯＦＦします。すると、ＣはＶ１で充電されます。
次にＳ１をＯＦＦ、Ｓ２をＯＮします。するとＣの電圧はＶ２になり1.　1.　Ｃ（Ｖ１－Ｖ２）の電荷がＶ２側に流れ出ます。
再度次にＳ１をＯＮ、Ｓ２をＯＦＦします。するとＣの電圧はＶ１になり2.　Ｃ（Ｖ１－Ｖ２）の電荷がＶ１からＣに流れ込みます。

と1,2のサイクルで結局Ｃを解してＣ（Ｖ１－Ｖ２）の電荷がＶ１からＶ２に移動したことになります。
このサイクルを毎秒ｆ回行うと、ｆＣ（Ｖ１－Ｖ２）の電荷が毎秒移動する（＝ｆＣ（Ｖ１－Ｖ２）の電流がＶ１からＶ２に流れる）ことになり、等価的にＲ＝1/ｆＣの抵抗でＶ１とＶ２をつないだことになります。
（一連のサイクル中、充電電流はＳ１を通ってＶ１からのみ流れて、放電電流はＳ２を通じてＶ２にのみ流れ出ています。充放電の経路が異なるので、平均して０にはなりません。）

インピーダンスの測定
たとえば、一番簡単なＶ２＝０のときの特性を見るにはＶ２のところを短絡（電流測定用に小さい抵抗ｒを介してアースに接続）します。
で、Ｖ１にファンクションジェネレータをつなぎます。
ｒの両端にＲＣのフィルタ（遮断時定数がスイッチング周波数ｆより十分低くなるようにする）をつないで、フィルタ出力をオシロスコープで観測。
同時にＶ１もオシロスコープで観測します。
あとはファンクションジェネレータの周波数、出力を変えて、Ｖ１と電流（ｒの両端電圧）の大きさ、位相を測定すれば、インピーダンス特性がプロットできます。（ただし、ＲＣフィルタの遮断周波数付近になるとフィルタの特性が影響してくるので、測定周波数を十分低くするか、後で補正する必要が出てきます。）
もし波形観測に使う計測器がＬＰＦの機能を持っていれば、ＲＣフィルタを使わずにｒの両端電圧を直接計測器に入れて、ＬＰＦのカットオフを適切に選んでやれば、もう少し楽に測定ができます。

補足

なるほど！
非常にわかりやすい丁寧なご説明ありがとうございました。
図に描いて流れを説明していただけて勘違いが解けました。

何度も何度も回答いただきほんとにありがとうございました。
解決しましたのでこれで閉めさせていただきます。

回答No.2

foobar

SCとして使うときには、充放電電流の平均値に着目しています。
ですから、フィルタを通したりして、平均値を観測します。

補足

ご返信ありがとうございました。

充放電電流ということは普通はプラスマイナスに
振れるという事ですよね？そうなると平均はゼロ
になるような気がするのですが違うでしょうか？

＞フィルタを通したりして、平均値を観測
知識不足で申し訳ありません、具体的にはどう測定
したらよいのか教えていただけると助かります。

回答No.1

foobar

入力に信号発生器をつないで、電圧と電流を測定することになるかと思います。
その際、測定の周波数範囲に注意する必要があります。（スイッチトキャパシタでは、通常　スイッチング周波数/2より（十分）低い周波数成分の信号を対象としています。）

補足

ご回答ありがとうございます。

電流を測定するとのことですが、SCの場合
キャパシタへの充放電は瞬間的で通常の
電流計では値が捕らえられないように思うのですが
何か特別な測定方法があるのでしょうか？