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ユグノー戦争（ユグノーせんそう、フランス語：Guerres de religion, 1562年 - 1598年）は、フランスのカトリックとプロテスタントが休戦を挟んで8次40年近くにわたり戦った内戦である。
ドイツに始まった宗教改革運動は各国に広まったが、ジャン・カルヴァンの思想がフランスでも勢力を持ち、プロテスタントはカトリック側からユグノー（huguenot）と呼ばれた。ユグノーには貴族も加わり、弾圧にもかかわらず勢力を広げていった。1562年にカトリックの中心人物ギーズ公によるヴァシーでのユグノー虐殺事件（ヴァシーの虐殺）が契機となり、内乱状態になった。妥協的な和平を挟んだ数次の戦争の後の1572年8月24日には、カトリックがユグノー数千人を虐殺するサン・バルテルミの虐殺が起こっている。
宗教上の対立であるとともに、ブルボン家（プロテスタント）やギーズ家（カトリック）などフランス貴族間の党派争いでもあった。加えて、この戦争はカトリックのスペイン王フェリペ2世とプロテスタントのイングランド女王エリザベス1世との代理戦争の性格も有している。1589年にギーズ公アンリ、次いで国王アンリ3世が暗殺されてヴァロワ朝が断絶し、アンリ4世が即位してブルボン朝が興った。パリではカトリックの勢力が強く、プロテスタントの王を認めなかったため、アンリ4世はカトリックに改宗している。一方でナントの勅令（1598年）を発して、プロテスタントに一定の制限の下ではあるが信仰の自由を認め、戦争は終結した。
ルター思想は1520年代にフランスに伝わり、プロテスタントに対する政策は寛容と弾圧の間で揺れ動いていた。イタリア戦争の渦中にあったフランソワ1世（在位：1515年 - 1547年）は神聖ローマ帝国内のプロテスタント諸侯の反乱を支援しており、フランス国内における信者に対して寛容であった。それ以上にルター派と宮廷内で人気のあった人文主義改革運動との区別が曖昧であり、また国王の姉ナバラ王妃マルグリットはルフェーヴル・デタープルなどの改革者たちを異端の嫌疑から庇護していた。だが、1534年に檄文事件が起こるとフランソワ1世はプロテスタントを脅威と感じ、彼らを弾圧し始める。
アンリ2世の治世（1547年 - 1559年）でも迫害は断続的に続き、治世の終わり頃に異端審問のための新たな法廷が作られ、これはプロテスタントからは火刑法廷（la chambre ardente）と呼ばれた[1]。これはこの時期にカルヴァン派がルター派を凌いでフランス国内におけるプロテスタントの主流になり、急速に数を増やしたことの反動と見られる。フランス生まれのジャン・カルヴァンによって作られたカルヴァン主義は、社会階層や職業の違いなく人々を惹きつけ、更には地域差なく広範囲に広まっていた。
1559年、66のカルヴァン派信徒団の代表が秘密裏にパリに集まって第1回全国教会会議を催し、信仰告白と教会規則を作成した。1560年時点で、カルヴァン派はフランス総人口1800万人の約10%と推定されている[2]。
1559年のアンリ2世の突発的な事故死は政治的空白を作り出し、フランソワ2世の妃であるスコットランド女王メアリーの母方の親族であるギーズ家が実権を握った[3]。キーズ公フランソワはカレーをイングランドから奪回した英雄であり、その弟のロレーヌ枢機卿はフランス・カトリック教会の首長で、いずれも熱狂的なカトリックだった。一方のプロテスタントはブルボン家当主のナバラ王アントワーヌを盟主に戴いていたが、熱狂的プロテスタントの妻ナバラ女王ジャンヌ・ダルブレ（ナバラ王妃マルグリットの娘）に主導権を取られる頼りない人物で[4]（戦争中は寝返ってカトリックに改宗している）、後に弟のコンデ公ルイがプロテスタントの中心となる。
1560年3月、プロテスタント貴族ラ・ルノーディを中心とする不平貴族たちがフランソワ2世を誘拐してギーズ家を除こうと謀った。だが陰謀は露見し、数百人の容疑者たちが処刑されてしまう[5]。ギーズ兄弟はブルボン家のコンデ公ルイが黒幕であると疑った。コンデ公は11月に逮捕された。このことにより対立は一層深まった（アンボワーズの陰謀）。
この後の論争の中で、フランスのプロテスタントはユグノーと呼ばれるようになった[6]。ユグノーはドイツ語のEidgenosse（アイドゲノッセ、盟友の意味）から生まれた蔑称である。
ユグノーによるカトリック教会に対する最初の聖像破壊が1560年にルーアンとラ・ロシェルで発生し、翌年には20の都市に広まった。これに激怒したカトリックの都市住民による流血の報復がサンス、カオール、カルカソンヌ、トゥールその他の都市で行われた[7]。
王太后カトリーヌ・ド・メディシスはフォンテーヌブロー諮問会議を召集してカトリックとプロテスタントの融和を図るが、ギーズ家は異端絶滅を計画していた[8]。
1560年12月、フランソワ2世が死去し、弟のシャルル9世が即位。王太后カトリーヌ・ド・メディシスが摂政となる。経験不足とヴァロワ・ハプスブルク戦争の借財のため、カトリーヌは強力な私軍を有する貴族たちの激しく対立した利害関係を慎重に舵取りをせねばならないと感じた。彼女は敬虔なカトリックであったが、強大なギーズ家を牽制するために、ユグノーの盟主であるブルボン家を優遇してナバラ王アントワーヌを国王総代官（Le lieutenant-général）となし、コンデ公ルイに特赦を与えた[9]。また、彼女は協調派の大法官ミシェル・ド・ロピタルを重用した。ロピタルは市民の平和のための幾つかの手段を提案し、神聖会議による宗教的解決を主張していた[10]。
1561年1月に摂政カトリーヌはオルレアン寛容勅令を出すが、これに反発したギーズ公フランソワがアンヌ・ド・モンモランシー、ジャック・ド・サンタンドレと三頭政治を結成して反動政策に乗り出す[11]。
同年8月に司教会議がユグノーと話し合うようにとの王家から要請を受け入れて、サン＝ジェルマン＝アン＝レー三部会の中で宗教会談が開かれた（ポワシー会談）。プロテスタントはテオドール・ド・ベーズを長とする12人の牧師と20人の平信徒が代表となった。双方とも相手を受け入れようとはせず難航したが、新たな統一の基礎となりうるある程度の一致に達した。ベーズとギーズ家のロレーヌ枢機卿との会談で、礼拝様式に関して両者の妥協がなされるかに見えたが、10月の最終会談でカトリックとプロテスタントとの思想の溝は既に大きく広がってしまっていることがはっきりした[12]。
1562年の初めに摂政政府は、宮廷内の党派争いに扇動された地方の無秩序を抑えるべく、サン・ジェルマン勅令（1月勅令）を発した。勅令は反乱を回避するためにユグノーに譲歩をし、城壁外および屋内での礼拝を容認していた。だが、3月1日、シャンパーニュのヴァシーでギーズ家の郎党が礼拝をしていたカルヴァン派を襲撃し、虐殺する事件が発生してしまう（ヴァシーの虐殺）。ユグノーのジャン・ド・フォンテーヌは次のように述べている。
「ギーズ公がやって来た時、プロテスタントたちは勅令に従って城壁の外で礼拝を行っていた。何人かの従者が礼拝者たちを侮辱すると喧嘩沙汰になり、そこで偶然に公自身が頬に傷を受けてしまった。公の流血を見た従者たちは激昂しヴァシーの住民に対する虐殺が起こった。」[13]
ヴァシーの虐殺は2つの宗派間の抗争を引き起こすことになった。ブルボン家のコンデ公ルイは「悪」の大臣たちから王と摂政を解放すると宣言し、プロテスタント教会を組織化してロワール川沿いの町々を占拠し、軍隊を駐留させた。実際にはユグノーたちはヴァシー事件以前から動員を開始していたが[14]、コンデ公ルイは虐殺を勅命が破られた証拠であるとし、彼の軍事行動の大義名分に用いた。そして、戦闘が起こると実際にこの勅命は、ギーズ家の圧力によって取り消された。ユグノーは イングランド女王エリザベス1世とハンプトン・コート条約を結び、援助の見返りにル・アーヴル、ディエップ、ルーアンを引き渡す約束をする。これに従い、イングランド軍がル・アーヴルに上陸した。
主な戦いはルーアンとドルー、そしてオルレアンで起こっている。ルーアン包囲戦（1562年5月 - 10月）では国王軍が町を奪回したものの、ナバラ王アントワーヌが戦死した。ドルーの戦い（1562年12月）ではコンデ公ルイがギーズ家の捕虜になったが、ブルボン家も敵の司令官アンヌ・ド・モンモランシーを捕らえている。1563年2月のオルレアン包囲戦において、ギーズ公フランソワがユグノーのポルトロ・ド・メレに銃撃され、その傷が元で死亡した。ギーズ家は暗殺は敵対者のコリニー提督の差し金であると信じた。暗殺によって引き起こされた暴動とオルレアンが陥落しないため、カトリーヌが和平調停を行い、アンボワーズ勅令が発せられた。
アンボワーズ勅令は全ての関係者にとって不満足なものであり、とりわけギーズ一派は異端との危険な妥協であると見なして反対した。それにもかかわらず、王家は両派の和合はイングランドに占領されているル・アーヴルの奪回のために必要であると考えていた。7月にイングランドを追い出すことに成功し、翌月シャルル9世は成人を宣言、カトリーヌ・ド・メディシスの摂政は終わった。しかしカトリーヌはなおも政治を主導し続け、1564年から1566年にかけて彼女は息子の国内巡幸に同行して国王の権威の再興を図っている。巡幸の最中の1565年2月、カトリーヌはスペイン王首席顧問アルバ公とバイヨンヌで会談を持った。会談の内容は不明だが（スペインがプロテスタント礼拝禁止を迫ったともされる[15]）、熱烈なカトリックであるスペイン王フェリペ2世の使者との会談はユグノーたちに警戒される[16]。
フランドルでの聖像破壊の報告を受けたシャルル9世が、この地のカトリックへの支援を行ったことが、ユグノーたちに危機感を起こさせた。スペイン軍がフランドルでのプロテスタントの反乱を鎮圧するためフランス領を通過し、その警戒のために国王が軍備を増強させたこともまた、ユグノーを恐れさせ、政治的不満が増大した。1567年9月にプロテスタント軍はシャルル9世を誘拐して自陣営に取り込もうと謀ったが失敗（モーの奇襲）、続いてラ・ロシェルなどのいくつもの都市がユグノー側に就くことを宣言した。ニームではカトリックは聖職者も平民も虐殺され、この事件はミチェラード（Michelade）と呼ばれている。
この事件が第2次戦争を引き起こした。主な戦闘はサン＝ドニの戦い（1567年11月10日）で、国王軍が勝利したものの司令官アンヌ・ド・モンモランシーが戦死している。その後、ユグノーはオルレアンとブロワを攻略してパリに迫る。1568年3月にロンジュモーの和議が結ばれ、プロテスタントに対して信仰の自由と権利が与えられた。
1568年夏、この和平に反抗するようにカトリックが各地でユグノーの迫害を始め、ユグノーもこれに報復してカトリックを虐殺した[17]。王太后カトリーヌ・ド・メディシスは協調派の大法官ミシェル・ド・ロピタルを罷免し、政情はカトリック優勢へ傾いた[18]。身の危険を感じたコンデ公ルイとコリニー提督らユグノー指導者たちは宮廷を脱出したが、彼らの部下の多くが殺害された。9月、サン・モール勅令が出され、ユグノーの礼拝の自由は再び禁じられてしまった。11月、ネーデルラント反乱軍の指導者オラニエ公ウィレムがプロテスタントを支援するために軍を率いてフランスへ侵攻する。だが、彼の軍隊は給与を十分に支払われておらず、このため国王が資金と通行の安全を申し出ると撤退してしまった。
それにもかかわらず、ユグノーはコンデ公ルイを司令官とし、フランス南西部の軍勢とドイツからのプロテスタント民兵（プファルツ＝ツヴァイブリュッケン公ヴォルフガング率いる1万4千の傭兵部隊を含む[19]）の助けを受けて強力な軍隊を編成した。傭兵部隊はコンデ公ルイの戦死後もユグノーに雇用され続けており、このためにユグノーはナバラ女王ジャンヌ・ダルブレの王冠の宝石を担保にイングランドから借金をしている[20]。ユグノーの軍資金の多くはイングランド女王エリザベス1世から提供されたもので、これは彼女の腹心フランシス・ウォルシンガムの影響力によるものと考えられている[19]。カトリック軍は王弟アンジュー公アンリが司令官となり、スペイン、教皇領、トスカーナ大公国の援軍を得ていた[21]。
ユグノー軍はラ・ロシェル防衛のためにポワトゥーとサントンジュ地方の幾つかの都市を包囲し、それからアングレームとコニャックを攻めた。1569年3月16日のジャルナックの戦いでユグノーの司令官コンデ公ルイが戦死し、狂喜したアンジュー公アンリはコンデ公の死体をロバにつないで引きずり回している[22]。
ユグノーはコンデ公の15歳の息子アンリを名目上の司令官としてコリニー提督が指揮を執ることになり、また国王の権威に対抗するためにナバラ女王ジャンヌ・ダルブレの16歳の息子アンリ・ド・ベアルンを指導者とした。
ユグノーはラロシュ＝ラベイユの戦い（1569年6月25日）に勝利したもののポワチエを奪取することはできず、モンコントゥールの戦い（1569年10月30日）で国王軍に大敗を喫してしまう。コリニーと彼の軍隊は南西部へ後退してモンゴムリ伯ガブリエル・ド・ロルジュと合流し再編を行い、1570年春にトゥールーズを掠奪して南部への連絡路を切断、そしてローヌ渓谷を進軍し、パリから200kmのラ・シャリテ・シュルラ・ロワールに達した[23] 。戦争によって王家の負債は激増しており、シャルル9世が平和的解決を望んだため[24]、1570年8月8日にサン・ジェルマン和議が結ばれ、再びユグノーに対する譲歩がなされた。
この当てにならない和平にもかかわらず、ルーアン、オランジュ、パリなどの都市ではカトリックの群衆によるユグノー虐殺が続いていた。宮廷の事情は更に複雑で、シャルル9世がユグノーたち、とりわけコリニー提督と結びつき始めた。一方、王太后カトリーヌはコリニー提督とその支持者たちの権勢の拡大を食い止められないこと、特にコリニー提督がイングランドやネーデルラント反乱軍との同盟を主張していたことが明らかになると、次第に脅威を感じ始める。
1572年8月18日、コリニー提督やその他のカルヴァン派貴族たちが王女マルグリットとプロテスタントのナバラ王アンリ（同年6月の母の死により王位を継承）の結婚式に参列するためパリにやって来た。8月22日、通りの窓からコリニー提督を狙撃する暗殺未遂事件が起こる。歴史家の間では暗殺者がシャルル・ド・ルビエであることは定説になっているものの、暗殺の指示者は明らかになっていない（カトリーヌが指示したとの広く知られる説は当てにならない）[25]。
ユグノーによる報復クーデターを恐れたギーズ公アンリとその一派は行動を起こし、8月24日早朝に従者とともに宿屋にいたコリニー提督を襲撃して殺害した。コリニー提督の死体は窓外へ投げ出され、その後、死体はパリ市民によって無残に切り刻まれ、切断されて、群衆の中を引き回された末に川に投げ込まれ、絞首台に釣り上げられた後に焼かれた[26]。その後5日間にわたって大規模な虐殺が行われ、カルヴァン派は男も、女もそして子供までも殺され、彼らの家々は略奪された。これらの蛮行に王の許可はなく、予測もされないことだった[27]。5週間にわたり、十数の都市で無秩序が広まった。結局、パリではおよそ2000人のユグノーが虐殺され、地方ではおそらく1万人が犠牲となった[28]。ナバラ王アンリと従弟コンデ公アンリは、カトリックへの改宗に応じたことで辛うじて死を免れた。
スペイン王フェリペ2世とローマ教皇グレゴリウス13世はこの結果に対する満足の意を表明したが、ヨーロッパ中のプロテスタントたちには恐怖と憤慨を引き起こしている。フランスではユグノーたちが恐慌状態になり、カトリックへ改宗する者が続出し、一部は国外に亡命して、王家に対抗するユグノーの力が酷く弱まってしまった[29][30]。
一方で、残ったプロテスタントはより過激になり、君主を選ぶ権利は人民にあり、君主が暴政を行うならば追放することができるとする「暴君放伐論」が唱えられた[31][32]。また、法曹家を中心とした穏健なカトリック教徒たちはカトリック過激派の暴走を危惧し、王国の分裂を防ぐためにカトリックとプロテスタントとの融和とより強い王権の確立を主張するようになり、彼らはポリティーク派と呼ばれた[33][34][35]。
虐殺はさらなる軍事行動を引き起こし、カトリック軍はアンリ・ド・モンモランシーの軍がソミエールを、アンジュー公アンリの軍がサンセールとラ・ロシェルを包囲した。1573年5月にアンジュー公アンリがポーランド王に選出され、ポーランド議会代表の介入によりラ・ロシェルの包囲は解かれ[36]、7月にブローニュ勅令が発せられると戦闘は終結した。
ブローニュ勅令は以前ユグノーに与えられた権利を縮小したもので、全てのユグノーに過去の行動の赦免と信仰の自由が与えられたが、礼拝はラ・ロシェル、モントーバン、ニームの3都市でのみ許され、しかも住居内のみであった。上級裁判権を持つプロテスタント貴族は結婚式と洗礼式を挙げることが許されたものの、家族以外の参列は10名に制限されている[37]。
アンジュー公アンリが不在の間、シャルル9世と末弟アランソン公フランソワが諍いを始め、多くのユグノーが保護と支持を求めてアランソン公フランソワ周辺に集うようになった。1574年2月にサン・ジェルマンでクーデター未遂事件が起きたが、申し立てによればその目的はサン・バルテルミの虐殺以降宮廷に捕らえられているナバラ王アンリとコンデ公アンリの救出であった。同時にバス＝ノルマンディー、ポワトーそしてローヌ渓谷[38]などでユグノーが蜂起し、戦争を再燃させた。
アンジュー公アンリがポーランド王に即位した3ヶ月後の1574年5月、シャルル9世が死去した。王太后カトリーヌはアンリが帰国するまで摂政に就任すると宣言する。アンリは秘密裏にポーランドを去り、ヴェネツィア経由でフランスに帰国した。帰国した彼はラングドック地方総督モンモランシー＝ダンヴィルの裏切り（1574年11月）に直面することになった。不満派（ポリティーク派）のダンヴィルは南フランスのユグノーと結託して王家に背いてしまった[39][40]。
1575年2月に彼はランスでアンリ3世として即位し、ギーズ家の同族であるルイーズ・ド・ロレーヌ＝ヴォーデモンと結婚した。国王は4月には交渉を模索していた[41] 。だが、9月に末弟アランソン公フランソワが宮廷から逃亡して、不満派の頭目になる。更にプファルツ＝ツヴァイブリュッケン公ヨハンがシャンパーニュに侵攻したことからも、国王に敵対する連合軍の勢力が圧倒的になる可能性が俄然増してきた。国王は慌ててアランソン公との7カ月の休戦協定を交渉し、ツヴァイブリュッケン公の軍にはライン川東岸に留まることを条件に50万リーブルの支払いを約束したが[42]、いずれも和平を確実にするものではなかった。
1576年の始めにナバラ王アンリとコンデ公アンリがパリからの脱出に成功し、先の改宗を否認してプロテスタントに復帰する。3月、国王はアランソン公フランソワとユグノーの条件を受け入れることを強いられ、「王弟殿下の和議」（paix de Monsieur）と呼ばれるボーリュー勅令を出した。勅令ではパリ城壁内以外の全ての場所でのプロテスタントの公的礼拝が認められ、更にユグノーに安全保障都市が8箇所与えられた[43]。
ボーリュー勅令はカルヴァン派に対して多くの譲歩をしていたものの、これに反対すべくカトリック過激派のギーズ公アンリがカトリック同盟を結成したため、短命に終わってしまった。ギーズ家は長きにわたりカトリックの守護者と見なされており、ギーズ公アンリとその親族（マイエンヌ公シャルル、オマール公シャルル、エルブフ公シャルル、メルクール公フィリップ・エマニュエル、ロレーヌ公シャルル3世）が同盟に忠誠を誓う広大な地域を支配していた。同盟はまた都市中間層に多くの支持者を持っていた。
1576年のブロワ三部会は事態の解決ができず、12月にはポワトゥーとギュイエンヌのユグノーが武装蜂起する。ギーズ一派がスペイン王家からの確固とした支援を受けていた一方で、ユグノーにも南西部に強固な地盤を持つ強みがあった。彼らはまた国外のプロテスタント諸国からの支援を受けていたものの、実際にはイングランドやドイツ諸邦は少数の軍隊を送ったにすぎない。
今回の戦争では王弟アンジュー公（元アランソン公）フランソワ、ダンヴィルら不満派はカトリック同盟に与しており、戦況はユグノー側に不利であった。結局、アンリ3世とユグノーはボーリュー勅令でなされた譲歩の多くを撤回するベルジュラック協定を結び、6日後にこれを確認するポワティエ勅令を発した[44]。
王弟アンジュー公フランソワとその支持者たちはネーデルラントの反乱に介入して戦争を行い、宮廷に混乱を生み出し続けていた（アンジュー公フランソワはネーデルラント北部諸州連合の君主の地位を提案されていた）。一方、地方の情勢はカトリックとプロテスタントが自衛のために武装して無秩序に陥っていた。
1579年11月、コンデ公アンリがラ・フェールを襲撃し、新たな戦争が始まった。「恋人たちの戦争」（guerre des Amoureux）と呼ばれるこの戦争は、1580年11月にアンジュー公フランソワとの交渉によりル・フルクスの和議が結ばれて終結している。
この脆い妥協は、1584年6月に国王の末弟で推定相続人のアンジュー公フランソワが死去したことにより終わった。アンリ3世には世継ぎがなく、サリカ法に基づく次の王位継承者はルイ9世の血を引くナバラ王アンリとなるが、彼は従弟のコンデ公アンリとともに教皇シクストゥス5世から破門された身であった。ナバラ王アンリがプロテスタント信仰を捨てないと明らかになると、12月にギーズ公アンリはカトリック同盟の代表としてスペイン王フェリペ2世とジョアンヴィル条約を結んだ。フェリペ2世はフランスの内乱を続けさせ、カルヴァン派を壊滅させる目的で、続く10年間カトリック同盟に莫大な援助を提供することになる。
1585年3月にギーズ公が北フランスの諸都市を占領して第8次戦争が始まった。
ギーズ家の圧力の下で、1585年7月にアンリ3世は渋々ながらヌムール勅令を発し、プロテスタントの礼拝禁止と改宗に応じない者の国外追放を強いる弾圧政策と、ナバラ王アンリの王位継承権無効を宣言した。教皇シクストゥス5世もこれに応じて、ナバラ王アンリのナバラ王位とフランス王位継承権の剥奪を宣言する[45]。
当初、国王はカトリック同盟の指導者を取り込んで交渉による解決に持ち込もうと図っていた。だが、この動きはユグノーを破産させてその財産を国王と分割しようと望んでいたギーズ家にはひどく嫌われた。状況は悪化して、再びユグノーとの戦闘状態に突入してしまう。ナバラ王アンリはドイツ諸邦やイングランド王エリザベス1世からの援助を求め、また不満派や穏健派カトリック（ポリティーク派）と手を結ぶ[46]。1587年10月20日のクートラの戦いでナバラ王アンリはカトリック軍に大勝した。
一方、強硬派カトリックの16区総代会の影響の下、パリ市民はアンリ3世自身と彼がユグノーを撃破できないことに不満だった。1588年5月12日、アンリ3世がギーズ公の命を狙っていると疑ったパリ市民が、ギーズ公を守るために通りにバリケードを組んで蜂起し、恐れたアンリ3世は逃亡してしまう（バリケードの日）。16区総代会が市政を掌握し、ギーズ公が市への補給路を確保した。王太后カトリーヌが仲介して統一勅令が出され、国王はヌムール勅令の再確認、ナバラ王の叔父ブルボン枢機卿（ギーズ派）を王位継承者に承認、ギーズ公の国王総代官任命といったカトリック同盟の要求をほとんど全部飲まされた。
パリへ帰還することを拒んだアンリ3世は、1588年9月にブロワで三部会を招集した。三部会の間、アンリ3世は平民部会の議員たちがカトリック同盟に操られていると疑うようになり、更に10月に起こったサヴォイア公カルロ・エマヌエーレ1世によるサルッツォ侵攻はギーズ公による手引きによるものと確信する。ギーズ家が王権に対する脅威であると考えたアンリ3世は、先手を打つことを決意した。12月23日、ギーズ公と弟のギーズ枢機卿は国王衛兵隊が仕掛けた罠にかかった。その日、ギーズ公はブロワ城に到着し、弟の枢機卿が待つ会議室に入る。彼は国王室の隣の書斎で国王が会見を望んでいると告げられた。そこで衛兵がギーズ公に掴みかかり、心臓を刺して殺し、他の衛兵がギーズ枢機卿を逮捕した。ギーズ枢機卿は連行中に矛で突き殺されている。昂奮したアンリ3世は病床にあった母カトリーヌの部屋に駆け込み「私だけがフランスの王になった。私がパリの王を殺した」と語ったという[47]。
もはや王権に対抗する者はいないと信じたアンリ3世は、ギーズ公の息子シャルルを投獄してしまう。この混乱の最中の1589年1月5日、病床にあった王太后カトリーヌが70歳で息をひきとった。
だが、カトリックの守護者と見られていたギーズ公アンリのフランス国内での人気は非常に高く、カトリック同盟はアンリ3世に対する宣戦を布告する。アンリ3世はユグノーの盟主であるナバラ王アンリの軍に加わってカトリック同盟に戦いを仕掛け、これに対してパリ高等法院が国王の有罪を申し立てた。
ギーズ公亡き後、弟のマイエンヌ公シャルルがカトリック同盟の新たな首領になった。同盟は様々な偽名を使って国王を中傷するパンフレットを発行し始め、パリ大学はアンリ3世を退けることは必要であり、正義であると宣言する。これにより多くの市民にとって王殺しに対する道義的障害がなくなった。
1589年8月1日、ユグノー軍とともにパリを攻撃すべくサン＝クルーに滞在していたアンリ3世は、ドミニコ会修道士ジャック・クレマンとの謁見中に襲われ、ナイフで脾臓を突き刺された。クレマンはその場で殺され、何者かの指示があったか否かは語らなかった。アンリ3世は死の床へナバラ王アンリを呼び、国政運営のためにカトリックへ改宗するよう懇願し、もしもこれを拒否すれば酷い戦争が続くだろうと訴えかけた。サリカ法に則り、アンリ3世はナバラ王アンリを王位継承者に指名する。翌日未明にアンリ3世が死去し、ヴァロワ朝は断絶した。
1589年時点で、新たにフランス国王に即位したアンリ4世は南部と西部を確保し、カトリック同盟は北部と東部を支配していた。カトリック同盟の主導権はギーズ家一門のマイエンヌ公シャルルに委ねられた。カトリック同盟はブルボン枢機卿を「シャルル10世」として国王に擁立し、マイエンヌ公は王国総代官に任命されている。カトリック同盟はノルマンディー地方のほとんどを支配していた。だが、9月のアルクの戦いでアンリ4世はマイエンヌ公に大勝を収め、国王軍は冬季に町々を攻略してノルマンディーを掃討した。
アンリ4世はフランス平定のためにはパリを攻略せねばならないと知っていたが、これは容易なことではなかった。プロテスタント化したイングランドにおける聖職者や平信徒に対する残虐行為の話がカトリック同盟によって出版され、またその支持者たちにより広められていた。パリ市民はカルヴァン派の国王を受け入れるよりは死ぬことを覚悟して、戦う準備をしていた。
1590年3月14日のイヴリーの戦いでアンリ4世は再びマイエンヌ公を破った。国王軍はパリを包囲したが、8月末にパルマ公アレッサンドロ率いるスペイン軍が歩兵1万8千と騎兵隊5千をもって来援したため、包囲を解かねばならなかった[48]。1491年11月から1492年3月のルーアン包囲戦も同じ結果になった。
一方、1582年にアンリ3世にブルターニュ総督に任命されたメルクール公フィリップ・エマニュエルはこの地域を独立させようと図っていた。カトリック同盟の指導者の一人であるメルクール公は、かつてのブルターニュ公の子孫であり、かつブロワ＝ブロスの相続人であった妻マリー・ド・リュクサンブールの世襲権を使い、ブルターニュ公領とパンティエーヴル公領の所有権を主張し、ナントに政府を樹立する。息子を「ブルターニュ公爵かつ王子」であると宣言して、彼はスペイン王フェリペ2世と同盟した。フェリペ2世は王女イサベル・クララ・エウヘニアをブルターニュ女王にしようとしていた。スペインの助けを受けたメルクール公は1592年にモンパンシエ公アンリ率いる国王軍をクラン（Craon）で破った。だが、イングランド軍の増援を受けた国王軍はすぐに優勢をとり戻している。
1590年5月にカトリック同盟が擁立したシャルル10世（ブルボン枢機卿）が死去した。1593年にマイエンヌ公は国王選出のための全国三部会を招集するが、無論アンリ4世はこれを妨害し、カトリック同盟のみが参加した。スペイン王フェリペ2世は王女イサベル・クララ・エウヘニアをフランス国王に送り込もうと企てるが、パリ高等法院がこれに反対してカトリック同盟の足並みが乱れた[49][50]。
1590年から1592年の一連の戦役にもかかわらず、アンリ4世は「パリを取るには程遠かった」[51]。アンリ4世は根強いカトリックのパリ市民がプロテスタントの国王を受け入れる見込みはないと悟った。彼は1593年7月の寵妃ガブリエル・デストレへの手紙で「とんぼ返りを打とう」と書いている[52]。それから程ない7月25日、アンリ4世はサン＝ドニ教会でカトリックに改宗した[53]。巷間知られるところによれば「パリはミサをする値打ちがある」（Paris vaut bien une messe）と語ったという[54]。
アンリ4世はカトリック教会に受け入れられ、1594年2月にシャルトル大聖堂において成聖式を行う。本来はランス大聖堂で行わねばならないが、ここは依然としてカトリック同盟の勢力下にあり、アンリ4世の誠意を疑って敵対していたためである。3月22日、アンリ4世は遂にパリに入城し、服従を拒否した120人のカトリック同盟のメンバーはパリから追放された[55]。パリの開城により他の多くの都市も後に続き、ベアルンでのカトリックの復旧と高位官職にはカトリックのみを任命すると定めたトリエント布告の見返りに教皇クレメンス8世がアンリ4世を赦免して破門を取り消すと、残った都市も国王の支持に回った[56]。アンリ4世の改宗はプロテスタント貴族たちを悩ませた。その時まで彼らの多くは妥協ではなく勝利をして、フランス教会の完全な改革を望んでいたからであり、彼らがアンリ4世を受け入れたのはこのような結果のためではなかった。ユグノーはアンリ4世の妥協的な態度を警戒し、1594年と1596年に政治会議を開いて国王へ警告を発している[57]。
1594年の終わりには幾分かのカトリック同盟のメンバーが依然として国中で活動していたが、全てはスペインの援助頼みだった。そのため、アンリ4世は1595年1月にスペインに宣戦布告を行った。これは、カトリックに対してはスペインが宗教をフランス侵略の口実に使っていると示すため、プロテスタントには国王はカトリックに改宗したが決してスペインの傀儡ではないと示すためであった。また一方で、スペインとの戦争により領土を獲得することも望んではいた[58]。戦いは主にカトリック同盟を標的にして、フォンテーヌ＝フランセーズの戦いなどが行われたが、春からスペインが集中攻勢をかけ、4月にカレーとアルドが占領される。1597年3月に国王軍はアミアンを包囲し、9月にこれを降伏させた。これより前の1596年1月にマイエンヌ公は降伏し、他のほとんどの地方もアンリ4世に帰順し、カトリック同盟は瓦解していた[59]。
アミアンを落とすと、アンリ4世の関心はブルターニュへ向き、1598年初めにメルクール公を標的に進軍し、3月20日にアンジェで降伏を受け入れた。その後、メルクール公はハンガリーへ亡命し、彼の相続人である娘はアンリ4世の非嫡出子ヴァンドーム公セザールと結婚している。
アンリ4世はポンポンヌ・ド・ベリエーヴルとブリュラール・ド・シルリーを和平交渉のためスペインへ派遣した。ナント勅令の後の1598年5月にヴェルヴァン条約が結ばれ、戦争は正式に終わった。
アンリ4世は、破壊され疲弊しきった王国の再建と、唯一の権威の下で統一をする責務に直面していた。彼と国王顧問シュリー公はこの第一歩として、ナント勅令について話し合った。1598年4月13日、アンリ4世はナント勅令を発し、プロテスタントの信仰の自由を保障し、一定地域に限られていはいたが礼拝を認めた。また、ラ・ロシェルなどの都市を安全保障地とし、政治・軍事の自治権が与えられた。
これは単なる寛容政策の証ではなく、双方の宗派の自由を保障することによって宗派間の怨恨を休戦させる類のものであった[60]。勅令はこの宗教戦争を終わらせる画期であると言われるが、当時の史料にはこれによる明確な成果は確認されていない。実際、アンリ4世は1599年1月にこの勅令を通過させるために高等法院へ自ら訪れねばならなかった。
宗派間の対立はその後何年間も政策に悪影響を及ぼし続け、二度と同様の勅令を出さなかったにもかかわらず、アンリ4世は幾度も生命の危険にさらされ、そして最後に、国王がキリスト教徒としての責務を果たさなかったと信じた一人のカトリックによって、それは成功した。1610年5月14日、アンリ4世は狂信的なカトリック信者に暗殺された。
ナント勅令によって戦争は終結したものの、ユグノーに与えられた政治的自由（中傷する者からは「国家の中の国家」と言われた）は、17世紀を通じて次第に騒動の元となる。南フランスの一部にカトリックを再導入するルイ13世の決定は、ユグノーの反乱を引き起こしてしまう。1622年のモンペリエ協定により、武装したユグノーの都市はラ・ロシェルとモントーバンの2つに減らされた。これに続く戦争で、リシュリュー枢機卿が指揮する国王軍がラ・ロシェルを14ヶ月間包囲した（ラ・ロシェル包囲戦）。1629年のラ・ロシェル和議により、過去の勅命による諸特許（brevets）は全て取り消されてしまったが、プロテスタントは戦前と同じく信仰の自由は保てた。
ルイ13世の残りの治世とルイ14世の幼少期、勅令の実施は年々様々に変わった。1661年、ユグノーを敵視するルイ14世がフランス政府の実権を握ると、勅令の条文の幾つかを無視し始める。1681年、竜騎兵の迫害（dragonnades）政策を始め、ユグノーの家族にカトリックに再改宗するか他国へ移住するかを迫った。最後にはルイ14世はフォンテーヌブロー勅令を発し、過去の勅令を正式に取り消し、フランスにおけるプロテスタントを非合法化した。勅令の撤回は、フランスに深刻な損害を与える結果となった。これは新たな反乱は引き起こさなかったが、多くのプロテスタントが改宗するよりはフランスを去ることを選び、ほとんどがイングランド、プロイセン、オランダ、そしてスイスへ移住している。
18世紀に入った頃には、プロテスタントは中央高地の僻地セヴェンヌ山脈にかなりの数が残っていた。カミザール（Camisard）の名で知られるこれらの人々は、1702年に政府に対して反乱を起こし、1715年まで戦い続けた。その後、カミザールはおおよそ平穏のうちに取り残されている。
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A rectifier is an electrical device that converts alternating current (AC), which periodically reverses direction, to direct current (DC), which flows in only one direction.
The process is known as rectification, since it "straightens" the direction of current. Physically, rectifiers take a number of forms, including vacuum tube diodes, wet chemical cells, mercury-arc valves, stacks of copper and selenium oxide plates, semiconductor diodes, silicon-controlled rectifiers and other silicon-based semiconductor switches. Historically, even synchronous electromechanical switches and motors have been used. Early radio receivers, called crystal radios, used a "cat's whisker" of fine wire pressing on a crystal of galena (lead sulfide) to serve as a point-contact rectifier or "crystal detector".
Rectifiers have many uses, but are often found serving as components of DC power supplies and high-voltage direct current power transmission systems. Rectification may serve in roles other than to generate direct current for use as a source of power. As noted, detectors of radio signals serve as rectifiers. In gas heating systems flame rectification is used to detect presence of a flame.
Depending on the type of alternating current supply and the arrangement of the rectifier circuit, the output voltage may require additional smoothing to produce a uniform steady voltage. Many applications of rectifiers, such as power supplies for radio, television and computer equipment, require a steady constant DC voltage (as would be produced by a battery). In these applications the output of the rectifier is smoothed by an electronic filter, which may be a capacitor, choke, or set of capacitors, chokes and resistors, possibly followed by a voltage regulator to produce a steady voltage.
More complex circuitry that performs the opposite function, that is converting DC to AC, is called an inverter.
Before the development of silicon semiconductor rectifiers, vacuum tube thermionic diodes and copper oxide- or selenium-based metal rectifier stacks were used.[1] With the introduction of semiconductor electronics, vacuum tube rectifiers became obsolete, except for some enthusiasts of vacuum tube audio equipment. For power rectification from very low to very high current, semiconductor diodes of various types (junction diodes, Schottky diodes, etc.) are widely used.
Other devices that have control electrodes as well as acting as unidirectional current valves are used where more than simple rectification is required—e.g., where variable output voltage is needed. High-power rectifiers, such as those used in high-voltage direct current power transmission, employ silicon semiconductor devices of various types. These are thyristors or other controlled switching solid-state switches, which effectively function as diodes to pass current in only one direction.
Rectifier circuits may be single-phase or multi-phase. Most low power rectifiers for domestic equipment are single-phase, but three-phase rectification is very important for industrial applications and for the transmission of energy as DC (HVDC).
In half-wave rectification of a single-phase supply, either the positive or negative half of the AC wave is passed, while the other half is blocked. Mathematically, it is a step function (for positive pass, negative block): passing positive corresponds to the ramp function being the identity on positive inputs, blocking negative corresponds to being zero on negative inputs. Because only one half of the input waveform reaches the output, mean voltage is lower. Half-wave rectification requires a single diode in a single-phase supply, or three in a three-phase supply. Rectifiers yield a unidirectional but pulsating direct current; half-wave rectifiers produce far more ripple than full-wave rectifiers, and much more filtering is needed to eliminate harmonics of the AC frequency from the output.
The no-load output DC voltage of an ideal half-wave rectifier for a sinusoidal input voltage is:[2]
where:
A full-wave rectifier converts the whole of the input waveform to one of constant polarity (positive or negative) at its output. Mathematically, this corresponds to the absolute value function. Full-wave rectification converts both polarities of the input waveform to pulsating DC (direct current), and yields a higher average output voltage. Two diodes and a center tapped transformer, or four diodes in a bridge configuration and any AC source (including a transformer without center tap), are needed.[3] Single semiconductor diodes, double diodes with common cathode or common anode, and four-diode bridges, are manufactured as single components.
For single-phase AC, if the transformer is center-tapped, then two diodes back-to-back (cathode-to-cathode or anode-to-anode, depending upon output polarity required) can form a full-wave rectifier. Twice as many turns are required on the transformer secondary to obtain the same output voltage than for a bridge rectifier, but the power rating is unchanged.
The average and RMS no-load output voltages of an ideal single-phase full-wave rectifier are:
Very common double-diode rectifier vacuum tubes contained a single common cathode and two anodes inside a single envelope, achieving full-wave rectification with positive output. The 5U4 and the 80/5Y3 (4 pin)/(octal)were popular examples of this configuration.
Single-phase rectifiers are commonly used for power supplies for domestic equipment. However, for most industrial and high-power applications, three-phase rectifier circuits are the norm. As with single-phase rectifiers, three-phase rectifiers can take the form of a half-wave circuit, a full-wave circuit using a center-tapped transformer, or a full-wave bridge circuit.
Thyristors are commonly used in place of diodes to create a circuit that can regulate the output voltage. Many devices that provide direct current actually generate three-phase AC. For example, an automobile alternator contains six diodes, which function as a full-wave rectifier for battery charging.
An uncontrolled three-phase, half-wave midpoint circuit requires three diodes, one connected to each phase. This is the simplest type of three-phase rectifier but suffers from relatively high harmonic distortion on both the AC and DC connections. This type of rectifier is said to have a pulse-number of three, since the output voltage on the DC side contains three distinct pulses per cycle of the grid frequency:
The peak values of this three-pulse DC voltage are calculated from the RMS value
V L N {\displaystyle V_{\mathrm {LN} }}
of the input phase voltage (line to neutral voltage, 120 V in North America, 230 V within Europe at mains operation):
V p e a k = 2 ⋅ V L N {\displaystyle V_{\mathrm {peak} }={\sqrt {2}}\cdot V_{\mathrm {LN} }}
. The average no-load output voltage
V a v {\displaystyle V_{\mathrm {av} }}
results from the integral under the graph of a positive half-wave with the period duration of
2 3 π {\displaystyle {\frac {2}{3}}\pi }
(from 30° to 150°):
If the AC supply is fed via a transformer with a center tap, a rectifier circuit with improved harmonic performance can be obtained. This rectifier now requires six diodes, one connected to each end of each transformer secondary winding. This circuit has a pulse-number of six, and in effect, can be thought of as a six-phase, half-wave circuit.
Before solid state devices became available, the half-wave circuit, and the full-wave circuit using a center-tapped transformer, were very commonly used in industrial rectifiers using mercury-arc valves.[4] This was because the three or six AC supply inputs could be fed to a corresponding number of anode electrodes on a single tank, sharing a common cathode.
With the advent of diodes and thyristors, these circuits have become less popular and the three-phase bridge circuit has become the most common circuit.
For an uncontrolled three-phase bridge rectifier, six diodes are used, and the circuit again has a pulse number of six. For this reason, it is also commonly referred to as a six-pulse bridge. The B6 circuit can be seen simplified as a series connection of two three-pulse center circuits.
For low-power applications, double diodes in series, with the anode of the first diode connected to the cathode of the second, are manufactured as a single component for this purpose. Some commercially available double diodes have all four terminals available so the user can configure them for single-phase split supply use, half a bridge, or three-phase rectifier.
For higher-power applications, a single discrete device is usually used for each of the six arms of the bridge. For the very highest powers, each arm of the bridge may consist of tens or hundreds of separate devices in parallel (where very high current is needed, for example in aluminium smelting) or in series (where very high voltages are needed, for example in high-voltage direct current power transmission).
The pulsating DC voltage results from the differences of the instantaneous positive and negative phase voltages , phase-shifted by 30°:
The ideal, no-load average output voltage of the B6 circuit results from the integral under the graph of a DC voltage pulse with the period duration of
1 3 π {\displaystyle {\frac {1}{3}}\pi }
(from 60° to 120°) with the peak value
v ^ D C = 3 ⋅ V p e a k {\displaystyle {\hat {v}}_{\mathrm {DC} }={\sqrt {3}}\cdot V_{\mathrm {peak} }}
:
If the three-phase bridge rectifier is operated symmetrically (as positive and negative supply voltage), the center point of the rectifier on the output side (or the so-called isolated reference potential) opposite the center point of the transformer (or the neutral conductor) has a potential difference in the form of a triangular common-mode voltage. For this reason, these two centers must never be connected to each other, otherwise short-circuit currents would flow. The ground of the three-phase bridge rectifier in symmetrical operation is thus decoupled from the neutral conductor or the earth of the mains voltage. Powered by a transformer, earthing of the center point of the bridge is possible, provided that the secondary winding of the transformer is electrically isolated from the mains voltage and the star point of the secondary winding is not on earth. In this case, however, (negligible) leakage currents are flowing over the transformer windings.
The common-mode voltage is formed out of the respective average values of the differences between the positive and negative phase voltages, which form the pulsating DC voltage. The peak value of the delta voltage amounts ¼ of the peak value of the phase input voltage
V p e a k {\displaystyle V_{\mathrm {peak} }}
and is calculated with
V p e a k {\displaystyle V_{\mathrm {peak} }}
minus half of the DC voltage at 60° of the period:
The RMS value of the common-mode voltage is calculated from the form factor for triangular oscillations:
If the circuit is operated asymmetrically (as a simple supply voltage with just one positive pole), both the positive and negative poles (or the isolated reference potential) are pulsating opposite the center (or the ground) of the input voltage analogously to the positive and negative waveforms of the phase voltages. However, the differences in the phase voltages result in the six-pulse DC voltage (over the duration of a period). The strict separation of the transformer center from the negative pole (otherwise short-circuit currents will flow) or a possible grounding of the negative pole when powered by an isolating transformer apply correspondingly to the symmetrical operation.
The controlled three-phase bridge rectifier uses thyristors in place of diodes. The output voltage is reduced by the factor cos(α):
Or, expressed in terms of the line to line input voltage:[5]
Where:
The above equations are only valid when no current is drawn from the AC supply or in the theoretical case when the AC supply connections have no inductance. In practice, the supply inductance causes a reduction of DC output voltage with increasing load, typically in the range 10–20% at full load.
The effect of supply inductance is to slow down the transfer process (called commutation) from one phase to the next. As result of this is that at each transition between a pair of devices, there is a period of overlap during which three (rather than two) devices in the bridge are conducting simultaneously. The overlap angle is usually referred to by the symbol μ (or u), and may be 20 30° at full load.
With supply inductance taken into account, the output voltage of the rectifier is reduced to:
The overlap angle μ is directly related to the DC current, and the above equation may be re-expressed as:
Where:
Three-phase Graetz bridge rectifier at alpha=0° without overlap |
Three-phase Graetz bridge rectifier at alpha=0° with overlap angle of 20° |
Three-phase controlled Graetz bridge rectifier at alpha=20° with overlap angle of 20° |
Three-phase controlled Graetz bridge rectifier at alpha=40° with overlap angle of 20° |
Although better than single-phase rectifiers or three-phase half-wave rectifiers, six-pulse rectifier circuits still produce considerable harmonic distortion on both the AC and DC connections. For very high-power rectifiers the twelve-pulse bridge connection is usually used. A twelve-pulse bridge consists of two six-pulse bridge circuits connected in series, with their AC connections fed from a supply transformer that produces a 30° phase shift between the two bridges. This cancels many of the characteristic harmonics the six-pulse bridges produce.
The 30 degree phase shift is usually achieved by using a transformer with two sets of secondary windings, one in star (wye) connection and one in delta connection.
The simple half-wave rectifier can be built in two electrical configurations with the diodes pointing in opposite directions, one version connects the negative terminal of the output direct to the AC supply and the other connects the positive terminal of the output direct to the AC supply. By combining both of these with separate output smoothing it is possible to get an output voltage of nearly double the peak AC input voltage. This also provides a tap in the middle, which allows use of such a circuit as a split rail power supply.
A variant of this is to use two capacitors in series for the output smoothing on a bridge rectifier then place a switch between the midpoint of those capacitors and one of the AC input terminals. With the switch open, this circuit acts like a normal bridge rectifier. With the switch closed, it acts like a voltage doubling rectifier. In other words, this makes it easy to derive a voltage of roughly 320 V (±15%, approx.) DC from any 120 V or 230 V mains supply in the world, this can then be fed into a relatively simple switched-mode power supply. However, for a given desired ripple, the value of both capacitors must be twice the value of the single one required for a normal bridge rectifier; when the switch is closed each one must filter the output of a half-wave rectifier, and when the switch is open the two capacitors are connected in series with an equivalent value of half one of them.
Cascaded diode and capacitor stages can be added to make a voltage multiplier (Cockroft-Walton circuit). These circuits are capable of producing a DC output voltage potential up to about ten times the peak AC input voltage, in practice limited by current capacity and voltage regulation issues. Diode voltage multipliers, frequently used as a trailing boost stage or primary high voltage (HV) source, are used in HV laser power supplies, powering devices such as cathode ray tubes (CRT) (like those used in CRT based television, radar and sonar displays), photon amplifying devices found in image intensifying and photo multiplier tubes (PMT), and magnetron based radio frequency (RF) devices used in radar transmitters and microwave ovens. Before the introduction of semiconductor electronics, transformerless vacuum tube receivers powered directly from AC power sometimes used voltage doublers to generate roughly 300 VDC from a 100–120 V power line.
This section is missing information about conversion ratios for at least three-phase half-wave and full-wave rectification, since these rectifiers have their own sections in this article.. Please expand the section to include this information. Further details may exist on the talk page. (October 2017) |
Several ratios are used to quantify the function and performance of rectifiers or their output, including transformer utilization factor (TUF), conversion ratio (η), ripple factor, form factor, and peak factor. The two primary measures are DC voltage (or offset) and peak-peak ripple voltage, which are constituent components of the output voltage.
Conversion ratio (also called "rectification ratio", and confusingly, "efficiency") η is defined as the ratio of DC output power to the input power from the AC supply. Even with ideal rectifiers, the ratio is less than 100% because some of the output power is AC power rather than DC which manifests as ripple superimposed on the DC waveform. The ratio can be improved with the use of smoothing circuits which reduce the ripple and hence reduce the AC content of the output. Conversion ratio is reduced by losses in transformer windings and power dissipation in the rectifier element itself. This ratio is of little practical significance because a rectifier is almost always followed by a filter to increase DC voltage and reduce ripple. In some three-phase and multi-phase applications the conversion ratio is high enough that smoothing circuitry is unnecessary.[6] In other circuits, like filament heater circuits in vacuum tube electronics where the load is almost entirely resistive, smoothing circuitry may be omitted because resistors dissipate both AC and DC power,so no power is lost.
For a half-wave rectifier the ratio is very modest.
Thus maximum conversion ratio for a half-wave rectifier is,
Similarly, for a full-wave rectifier,
Three-phase rectifiers, especially three-phase full-wave rectifiers, have much greater conversion ratios because the ripple is intrinsically smaller.
For a three-phase half-wave rectifier,
For a three-phase full-wave rectifier,
The transformer utilization factor (TUF) of a rectifier circuit is defined as the ratio of the DC power available at the input resistor to the AC rating of the output coil of a transformer.[7][8]
The rating of the transformer can be defined as:
V A = V r m s I ˙ r m s ( F o r s e c o n d a r y c o i l . ) {\displaystyle VA=V_{\mathrm {rms} }{\dot {I}}_{\mathrm {rms} }(\mathrm {For\ secondary\ coil.} )}
A real rectifier characteristically drops part of the input voltage (a voltage drop, for silicon devices, of typically 0.7 volts plus an equivalent resistance, in general non-linear)—and at high frequencies, distorts waveforms in other ways. Unlike an ideal rectifier, it dissipates some power.
An aspect of most rectification is a loss from the peak input voltage to the peak output voltage, caused by the built-in voltage drop across the diodes (around 0.7 V for ordinary silicon p–n junction diodes and 0.3 V for Schottky diodes). Half-wave rectification and full-wave rectification using a center-tapped secondary produces a peak voltage loss of one diode drop. Bridge rectification has a loss of two diode drops. This reduces output voltage, and limits the available output voltage if a very low alternating voltage must be rectified. As the diodes do not conduct below this voltage, the circuit only passes current through for a portion of each half-cycle, causing short segments of zero voltage (where instantaneous input voltage is below one or two diode drops) to appear between each "hump".
Peak loss is very important for low voltage rectifiers (for example, 12 V or less) but is insignificant in high-voltage applications such as HVDC power transmission systems.
Non-linear loads like rectifiers produce current harmonics of the source frequency on the AC side and voltage harmonics of the source frequency on the DC side, due to switching behavior.
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While half-wave and full-wave rectification deliver unidirectional current, neither produces a constant voltage. There is a large AC ripple voltage component at the source frequency for a half-wave rectifier, and twice the source frequency for a full-wave rectifier. Ripple voltage is usually specified peak-to-peak. Producing steady DC from a rectified AC supply requires a smoothing circuit or filter. In its simplest form this can be just a capacitor (also called a filter, reservoir, or smoothing capacitor), choke, resistor, Zener diode and resistor, or voltage regulator placed at the output of the rectifier. In practice, most smoothing filters utilize multiple components to efficiently reduce ripple voltage to a level tolerable by the circuit.
The filter capacitor releases its stored energy during the part of the AC cycle when the AC source does not supply any power, that is, when the AC source changes its direction of flow of current.
The above diagram shows reservoir performance from a near zero impedance source, such as a mains supply. As the rectifier voltage increases, it charges the capacitor and also supplies current to the load. At the end of the quarter cycle, the capacitor is charged to its peak value Vp of the rectifier voltage. Following this, the rectifier voltage starts to decrease to its minimum value Vmin as it enters the next quarter cycle. This initiates the discharge of the capacitor through the load.
The size of the capacitor C is determined by the amount of ripple r that can be tolerated, where r=(Vp-Vmin)/Vp.[9]
These circuits are very frequently fed from transformers, and have significant resistance. Transformer resistance modifies the reservoir capacitor waveform, changes the peak voltage, and introduces regulation issues.
For a given load, sizing of a smoothing capacitor is a tradeoff between reducing ripple voltage and increasing ripple current. The peak current is set by the rate of rise of the supply voltage on the rising edge of the incoming sine-wave, reduced by the resistance of the transformer windings. High ripple currents increase I2R losses (in the form of heat) in the capacitor, rectifier and transformer windings, and may exceed the ampacity of the components or VA rating of the transformer. Vacuum tube rectifiers specify the maximum capacitance of the input capacitor, and SS diode rectifiers also have current limitations. Capacitors for this application need low ESR, or ripple current may overheat them. To limit ripple voltage to a specified value the required capacitor size is proportional to the load current and inversely proportional to the supply frequency and the number of output peaks of the rectifier per input cycle. Full-wave rectified output requires a smaller capacitor because it is double the frequency of half-wave rectified output. To reduce ripple to a satisfactory limit with just a single capacitor would often require a capacitor that's infeasibly large.
It is also possible to put the rectified waveform into a choke-input filter. The advantage of this circuit is that the current waveform is smoother: current is drawn over the entire cycle, instead of being drawn in pulses at the peaks of AC voltage each half-cycle as in a capacitor input filter. The disadvantage is that the voltage output is much lower – the average of an AC half-cycle rather than the peak; this is about 90% of the RMS voltage versus times the RMS voltage (unloaded) for a capacitor input filter. Offsetting this is superior voltage regulation and higher available current, which reduce peak voltage and ripple current demands on power supply components. Inductors require cores of iron or other magnetic materials, and add weight and size. Their use in power supplies for electronic equipment has therefore dwindled in favour of semiconductor circuits such as voltage regulators.[10]
In cases where ripple voltage is insignificant, like battery chargers, the input filter may be a single series resistor to adjust the output voltage to that required by the circuit. A resistor reduces both output voltage and ripple voltage proportionately. A disadvantage of a resistor input filter is that it consumes power in the form of waste heat that is not available to the load, so it is employed only in low current circuits.
To further reduce ripple, the initial filter element may be followed by additional alternating series and shunt filter components, or by a voltage regulator. Series filter components may be resistors or chokes; shunt elements may be resistors or capacitors. The filter may raise DC voltage as well as reduce ripple. Filters are often constructed from pairs of series/shunt components called RC (series resistor, shunt capacitor) or LC (series choke, shunt capacitor) sections. Two common filter geometries are known as Pi (capacitor, choke, capacitor) and T (choke, capacitor, choke) filters. Sometimes the series elements are resistors - because resistors are smaller and cheaper - when a lower DC output is desirable or permissible. Another kind of special filter geometry is a series resonant choke or tuned choke filter. Unlike the other filter geometries which are low-pass filters, a resonant choke filter is a band-stop filter: it is a parallel combination of choke and capacitor which resonates at the frequency of the ripple voltage, presenting a very high impedance to the ripple. It may be followed by a shunt capacitor to complete the filter.
A more usual alternative to additional filter components, if the DC load requires very low ripple voltage, is to follow the input filter with a voltage regulator. A voltage regulator operates on a different principle than a filter, which is essentially a voltage divider that shunts voltage at the ripple frequency away from the load. Rather, a regulator increases or decreases current supplied to the load in order to maintain a constant output voltage.
A simple passive shunt voltage regulator may consist of a series resistor to drop source voltage to the required level and a Zener diode shunt with reverse
voltage equal to the set voltage. When input voltage rises, the diode dumps current to maintain the set output voltage. This kind of regulator is usually employed only in low voltage, low current circuits because Zener diodes have both voltage and current limitations. It is also very inefficient, because it dumps excess current, which is not available to the load.
A more efficient alternative to a shunt voltage regulator is an active voltage regulator circuit. An active regulator employs reactive components to store and discharge energy, so that most or all current supplied by the rectifier is passed to the load. It may also use negative and positive feedback in conjunction with at least one voltage amplifying component like a transistor to maintain output voltage when source voltage drops. The input filter must prevent the troughs of the ripple dropping below the minimum voltage required by the regulator to produce the required output voltage. The regulator serves both to significantly reduce the ripple and to deal with variations in supply and load characteristics.
The primary application of rectifiers is to derive DC power from an AC supply (AC to DC converter). Rectifiers are used inside the power supplies of virtually all electronic equipment. AC/DC power supplies may be broadly divided into linear power supplies and switched-mode power supplies. In such power supplies, the rectifier will be in series following the transformer, and be followed by a smoothing filter and possibly a voltage regulator.
Converting DC power from one voltage to another is much more complicated. One method of DC-to-DC conversion first converts power to AC (using a device called an inverter), then uses a transformer to change the voltage, and finally rectifies power back to DC. A frequency of typically several tens of kilohertz is used, as this requires much smaller inductance than at lower frequencies and obviates the use of heavy, bulky, and expensive iron-cored units. Another method of converting DC voltages uses a charge pump, using rapid switching to change the connections of capacitors; this technique is generally limited to supplies up to a couple of watts, owing to the size of capacitors required.
Rectifiers are also used for detection of amplitude modulated radio signals. The signal may be amplified before detection. If not, a very low voltage drop diode or a diode biased with a fixed voltage must be used. When using a rectifier for demodulation the capacitor and load resistance must be carefully matched: too low a capacitance makes the high frequency carrier pass to the output, and too high makes the capacitor just charge and stay charged.
Rectifiers supply polarised voltage for welding. In such circuits control of the output current is required; this is sometimes achieved by replacing some of the diodes in a bridge rectifier with thyristors, effectively diodes whose voltage output can be regulated by switching on and off with phase fired controllers.
Thyristors are used in various classes of railway rolling stock systems so that fine control of the traction motors can be achieved. Gate turn-off thyristors are used to produce alternating current from a DC supply, for example on the Eurostar Trains to power the three-phase traction motors.[11]
Before about 1905 when tube type rectifiers were developed, power conversion devices were purely electro-mechanical in design. Mechanical rectification systems used some form of rotation or resonant vibration (e.g. vibrators) driven by electromagnets, which operated a switch or commutator to reverse the current.
These mechanical rectifiers were noisy and had high maintenance requirements. The moving parts had friction, which required lubrication and replacement due to wear. Opening mechanical contacts under load resulted in electrical arcs and sparks that heated and eroded the contacts. They also were not able to handle AC frequencies above several thousand cycles per second.
To convert alternating into direct current in electric locomotives, a synchronous rectifier may be used.[citation needed] It consists of a synchronous motor driving a set of heavy-duty electrical contacts. The motor spins in time with the AC frequency and periodically reverses the connections to the load at an instant when the sinusoidal current goes through a zero-crossing. The contacts do not have to switch a large current, but they must be able to carry a large current to supply the locomotive's DC traction motors.
These consisted of a resonant reed, vibrated by an alternating magnetic field created by an AC electromagnet, with contacts that reversed the direction of the current on the negative half cycles. They were used in low power devices, such as battery chargers, to rectify the low voltage produced by a step-down transformer. Another use was in battery power supplies for portable vacuum tube radios, to provide the high DC voltage for the tubes. These operated as a mechanical version of modern solid state switching inverters, with a transformer to step the battery voltage up, and a set of vibrator contacts on the transformer core, operated by its magnetic field, to repeatedly break the DC battery current to create a pulsing AC to power the transformer. Then a second set of rectifier contacts on the vibrator rectified the high AC voltage from the transformer secondary to DC.
A motor-generator set, or the similar rotary converter, is not strictly a rectifier as it does not actually rectify current, but rather generates DC from an AC source. In an "M-G set", the shaft of an AC motor is mechanically coupled to that of a DC generator. The DC generator produces multiphase alternating currents in its armature windings, which a commutator on the armature shaft converts into a direct current output; or a homopolar generator produces a direct current without the need for a commutator. M-G sets are useful for producing DC for railway traction motors, industrial motors and other high-current applications, and were common in many high-power D.C. uses (for example, carbon-arc lamp projectors for outdoor theaters) before high-power semiconductors became widely available.
The electrolytic rectifier[12] was a device from the early twentieth century that is no longer used. A home-made version is illustrated in the 1913 book The Boy Mechanic [13] but it would be suitable for use only at very low voltages because of the low breakdown voltage and the risk of electric shock. A more complex device of this kind was patented by G. W. Carpenter in 1928 (US Patent 1671970).[14]
When two different metals are suspended in an electrolyte solution, direct current flowing one way through the solution sees less resistance than in the other direction. Electrolytic rectifiers most commonly used an aluminum anode and a lead or steel cathode, suspended in a solution of tri-ammonium ortho-phosphate.
The rectification action is due to a thin coating of aluminum hydroxide on the aluminum electrode, formed by first applying a strong current to the cell to build up the coating. The rectification process is temperature-sensitive, and for best efficiency should not operate above 86 °F (30 °C). There is also a breakdown voltage where the coating is penetrated and the cell is short-circuited. Electrochemical methods are often more fragile than mechanical methods, and can be sensitive to usage variations, which can drastically change or completely disrupt the rectification processes.
Similar electrolytic devices were used as lightning arresters around the same era by suspending many aluminium cones in a tank of tri-ammonium ortho-phosphate solution. Unlike the rectifier above, only aluminium electrodes were used, and used on A.C., there was no polarization and thus no rectifier action, but the chemistry was similar.[15]
The modern electrolytic capacitor, an essential component of most rectifier circuit configurations was also developed from the electrolytic rectifier.
The development of vacuum tube technology in the early 20th century resulted in the invention of various tube-type rectifiers, which largely replaced the noisy, inefficient mechanical rectifiers.
A rectifier used in high-voltage direct current (HVDC) power transmission systems and industrial processing between about 1909 to 1975 is a mercury-arc rectifier or mercury-arc valve. The device is enclosed in a bulbous glass vessel or large metal tub. One electrode, the cathode, is submerged in a pool of liquid mercury at the bottom of the vessel and one or more high purity graphite electrodes, called anodes, are suspended above the pool. There may be several auxiliary electrodes to aid in starting and maintaining the arc. When an electric arc is established between the cathode pool and suspended anodes, a stream of electrons flows from the cathode to the anodes through the ionized mercury, but not the other way (in principle, this is a higher-power counterpart to flame rectification, which uses the same one-way current transmission properties of the plasma naturally present in a flame).
These devices can be used at power levels of hundreds of kilowatts, and may be built to handle one to six phases of AC current. Mercury-arc rectifiers have been replaced by silicon semiconductor rectifiers and high-power thyristor circuits in the mid 1970s. The most powerful mercury-arc rectifiers ever built were installed in the Manitoba Hydro Nelson River Bipole HVDC project, with a combined rating of more than 1 GW and 450 kV.[16][17]
The General Electric Tungar rectifier was a mercury vapor (ex.:5B24) or argon (ex.:328) gas-filled electron tube device with a tungsten filament cathode and a carbon button anode. It operated similarly to the thermionic vacuum tube diode, but the gas in the tube ionized during forward conduction, giving it a much lower forward voltage drop so it could rectify lower voltages. It was used for battery chargers and similar applications from the 1920s until lower-cost metal rectifiers, and later semiconductor diodes, supplanted it. These were made up to a few hundred volts and a few amperes rating, and in some sizes strongly resembled an incandescent lamp with an additional electrode.
The 0Z4 was a gas-filled rectifier tube commonly used in vacuum tube car radios in the 1940s and 1950s. It was a conventional full-wave rectifier tube with two anodes and one cathode, but was unique in that it had no filament (thus the "0" in its type number). The electrodes were shaped such that the reverse breakdown voltage was much higher than the forward breakdown voltage. Once the breakdown voltage was exceeded, the 0Z4 switched to a low-resistance state with a forward voltage drop of about 24 V.
The thermionic vacuum tube diode, originally called the Fleming valve, was invented by John Ambrose Fleming in 1904 as a detector for radio waves in radio receivers, and evolved into a general rectifier. It consisted of an evacuated glass bulb with a filament heated by a separate current, and a metal plate anode. The filament emitted electrons by thermionic emission (the Edison effect), discovered by Thomas Edison in 1884, and a positive voltage on the plate caused a current of electrons through the tube from filament to plate. Since only the filament produced electrons, the tube would only conduct current in one direction, allowing the tube to rectify an alternating current.
Thermionic diode rectifiers were widely used in power supplies in vacuum tube consumer electronic products, such as phonographs, radios, and televisions, for example the All American Five radio receiver, to provide the high DC plate voltage needed by other vacuum tubes. "Full-wave" versions with two separate plates were popular because they could be used with a center-tapped transformer to make a full-wave rectifier. Vacuum tube rectifiers were made for very high voltages, such as the high voltage power supply for the cathode ray tube of television receivers, and the kenotron used for power supply in X-ray equipment. However, compared to modern semiconductor diodes, vacuum tube rectifiers have high internal resistance due to space charge and therefore high voltage drops, causing high power dissipation and low efficiency. They are rarely able to handle currents exceeding 250 mA owing to the limits of plate power dissipation, and cannot be used for low voltage applications, such as battery chargers. Another limitation of the vacuum tube rectifier is that the heater power supply often requires special arrangements to insulate it from the high voltages of the rectifier circuit.
The crystal detector was the earliest type of semiconductor diode. Invented by Jagadish Chandra Bose and developed by G. W. Pickard starting in 1902, it was a significant improvement over earlier detectors such as the coherer. The crystal detector was widely used prior to vacuum tubes becoming available. One popular type of crystal detector, often called a cat's whisker detector, consists of a crystal of some semiconducting mineral, usually galena (lead sulfide), with a light springy wire touching its surface. Its fragility and limited current capability made it unsuitable for power supply applications. In the 1930s, researchers miniaturized and improved the crystal detector for use at microwave frequencies.
Once common until replaced by more compact and less costly silicon solid-state rectifiers in the 1970s, these units used stacks of oxide-coated metal plates and took advantage of the semiconductor properties of selenium or copper oxide.[18] While selenium rectifiers were lighter in weight and used less power than comparable vacuum tube rectifiers, they had the disadvantage of finite life expectancy, increasing resistance with age, and were only suitable to use at low frequencies. Both selenium and copper oxide rectifiers have somewhat better tolerance of momentary voltage transients than silicon rectifiers.
Typically these rectifiers were made up of stacks of metal plates or washers, held together by a central bolt, with the number of stacks determined by voltage; each cell was rated for about 20 V. An automotive battery charger rectifier might have only one cell: the high-voltage power supply for a vacuum tube might have dozens of stacked plates. Current density in an air-cooled selenium stack was about 600 mA per square inch of active area (about 90 mA per square centimeter).
Silicon diodes are the most widely used rectifiers for lower voltages and powers, and have largely replaced other rectifiers. Due to their substantially lower forward voltage (0.3V versus 0.7V for silicon diodes) germanium diodes have an inherent advantage over silicon diodes in low voltage circuits.
In high-power applications, from 1975 to 2000, most mercury valve arc-rectifiers were replaced by stacks of very high power thyristors, silicon devices with two extra layers of semiconductor, in comparison to a simple diode.
In medium-power transmission applications, even more complex and sophisticated voltage sourced converter (VSC) silicon semiconductor rectifier systems, such as insulated gate bipolar transistors (IGBT) and gate turn-off thyristors (GTO), have made smaller high voltage DC power transmission systems economical. All of these devices function as rectifiers.
As of 2009[update] it was expected that these high-power silicon "self-commutating switches", in particular IGBTs and a variant thyristor (related to the GTO) called the integrated gate-commutated thyristor (IGCT), would be scaled-up in power rating to the point that they would eventually replace simple thyristor-based AC rectification systems for the highest power-transmission DC applications.[19]
Active rectification is a technique for improving the efficiency of rectification by replacing diodes with actively controlled switches such as transistors, usually power MOSFETs or power BJTs.[20] Whereas normal semiconductor diodes have a roughly fixed voltage drop of around 0.5-1 volts, active rectifiers behave as resistances, and can have arbitrarily low voltage drop.
Historically, vibrator driven switches or motor-driven commutators have also been used for mechanical rectifiers and synchronous rectification.[21]
Active rectification has many applications. It is frequently used for arrays of photovoltaic panels to avoid reverse current flow that can cause overheating with partial shading while giving minimum power loss.
A major area of research is to develop higher frequency rectifiers, that can rectify into terahertz and light frequencies. These devices are used in optical heterodyne detection, which has myriad applications in optical fiber communication and atomic clocks. Another prospective application for such devices is to directly rectify light waves picked up by tiny antennas, called nantennas, to produce DC electric power.[22] It is thought that arrays of antennas could be a more efficient means of producing solar power than solar cells.
A related area of research is to develop smaller rectifiers, because a smaller device has a higher cutoff frequency. Research projects are attempting to develop a unimolecular rectifier, a single organic molecule that would function as a rectifier.
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The first 25 years of HVDC transmission were sustained by converters having mercury arc valves till the mid-1970s. The next 25 years till the year 2000 were sustained by line-commutated converters using thyristor valves. It is predicted that the next 25 years will be dominated by force-commutated converters [4]. Initially, this new force-commutated era has commenced with Capacitor Commutated Converters (CCC) eventually to be replaced by self-commutated converters due to the economic availability of high-power switching devices with their superior characteristics.
synchronous rectifier commutator.
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