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UJT型オシレータ
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サイリスタのゲート回路について解説します。鉄道の場合ノッチ位置からどの程度の速度でゲート信号を生成すべきか、など論理的な処理も必要で、そのすべてを解説することはできませんが、ゲート信号をどのようにして生成するかくらいは比較的簡単です。
今回は最も単純なゲート回路を解説します。
サイリスタを駆動するゲート回路は発振回路(オシレータ)として設計されます。その中でも最も単純なのが、ユニジャンクショントランジスタ(UJT: UniJunction Transistor)による弛張(しちょう)型発振回路です。
UJTオシレータ
UJTはひとつのエミッタ端子Eと二つのベース端子B1、B2からなる単接合3端子トランジスタです。B1-B2間にはDC1より一定の電圧を加えます。ツェナーダイオード(電圧安定化素子)Z2はより確実に電圧を安定化させるために接続しています。
キャパシタ(充放電素子)VCを0Vとして、UJTのE-B1間にはDC2より電圧VEを加えます。キャパシタが充電しきっていないとき、DC2から出てきた電流は真っ先にキャパシタに向かって流れ込んで充電を始めます。
キャパシタが充電し終わるとDC2の電流はエミッタに流れ、E-B1間の導通を促進します。電流が流れなくなったキャパシタは放電を始め、UJTのE-B1間を導通させます。するとDC2とキャパシタの電流、そしてDC1の電流が重なってB1から大きな電流が流れ出ます。これをサイリスタのゲート端子に流せばサイリスタも導通します。
キャパシタが放電を続けて一定の電圧VPを下回ると再び充電を開始するため、エミッタに流れる電流が減少しUJTはターンオフします。これを繰り返すことでパルスを生成します。
これはししおどしに例えることができます。DC2を常に流れている水、キャパシタを竹筒、竹筒が倒れる水量をVPとして、竹筒が水を溜めていってVPを超えると竹筒が倒れて水がこぼれ、空になると再び元に戻って水を溜め始めます。

パルスの周波数はキャパシタの電圧容量VPとキャパシタに印可する電源の周波数と電圧に依存します。電源が脈流成分をほとんど除去した直流であればVPと電源電圧に依存することになります。キャパシタもDC2も固定であれば一定周期でパルスを生成し、キャパシタを可変のものとするかDC2を可変とすると、パルスの周波数も可変にすることができます。
ししおどしの竹筒が小さいか、水の勢いが激しければ竹筒は短時間で頻繁に動きますし、大きい竹筒にして水の勢いを絞れば竹筒が倒れるまでの時間が延びるのと同じです。
キャパシタの充電容量を可変としたものには可変容量コンデンサが存在します。DC2の調節は可変抵抗器で行えます。
いずれもマスコンのノッチに合わせてサーボモータの速度を調節して、サーボモータに直結したキャパシタや可変抵抗器を駆動すれば連続制御が可能になります。電機子チョッパ制御や界磁チョッパ制御ならこの要領で単純な力行回路を作ることは可能です。
インバータではさらに目標とする交流周波数とパルス生成の基準となる搬送波を比較したりといった論理回路が必要となってきます。
 

 

ところで、直流電源DC2の代わりに交流電源だとどうなるか。先に+方向の電流が流れたとすると、その場合は直流電源同様にキャパシタに流れ込み、UJTはオフのままです。しばらくして電源電圧が0になると、VPを超えたかどうかにかかわらずキャパシタが放電を始め(電圧が印可されなくなると放電する性質のため)、UJTを導通してB1からパルスが発生します。電源電流が-方向に反転するとDC1からの逆方向の電流で打ち消されるため何も起こりません。その間にキャパシタが放電を終えるとUJTはオフになります。もしキャパシタが放電しきっていない状態で再度+方向に反転した場合でも充電を始めます(VPに到達するまで充電する性質のため)。そしてエミッタ電流を失ったUJTはターンオフします。
つまり交流電源の周波数に比例してパルスを生成することになります(そして同時に、キャパシタVCはほとんど無意味とも言えます)。周波数変換器を介してからオシレータに流すか、電源からオシレータまでにコンデンサかリアクトルを繋いだ回路と繋がない回路を作って位相をずらさないと、電源の周波数以外の周波数でパルスを生成することはできません。任意の周波数を生成するには直流でないと回路が複雑になってしまうということです。
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