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電気工学II第11回 /eleceng2_11

電気工学II第11回 /eleceng2_11

Kazuhisa Fujita

March 27, 2023
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  1. 特性図のオームの法則による解釈 • オームの法則 • 𝑉 = 𝑅𝐼 • 𝐼 =

    𝑉/𝑅 • 特性図の縦軸は電流横軸は電圧なので,特性図は𝑰 = 𝑽/𝑹を表している. • 特性図の傾きが⼤きい • 抵抗が低い • 特性図の傾きが⼩さい • 抵抗が⼤きい (⾼⽊茂孝, 鈴⽊憲次 電⼦回路概論)
  2. 特性図の解釈(電圧降下) • 電流に対する電圧降下の関係と⾒ることもできる. • つまり,特性図は,ある電流を流すとダイオードで どれほど電圧降下が起こるかを⽰す. • 逆電流が流れると降伏電圧の電圧降下が起こる. • 電流をいくら流しても降伏電圧以上の電圧降下は起こ

    らない. • この性質は低電圧ダイオード(ツェナーダイオード) で⽤いられる. • 順電流だとしても,ダイオードで電圧降下が起こる. • ダイオードが抵抗のような働きをする. (⾼⽊茂孝, 鈴⽊憲次 電⼦回路概論) 順電圧 逆電圧 降伏電圧 順電流 逆電流 傾きが抵抗値
  3. 簡単な等価回路に置き換えて考える • ダイオードを抵抗と電源からなる簡単な等価回路として考える. • 傾きの逆数は抵抗𝑅! と⾒なせる. • 順バイアスの時は,電流を流すがダイオードが𝑅! の抵抗を持っている と思える.𝑉"

    は上⼿く近似できる値にしたい. • 傾きが0ならば抵抗𝑅! → ∞だから電流は流さない. • 降伏電圧より電圧をかけた場合, 𝑅! = 0ではあるが,降伏電圧の𝑉" の 電圧降下がある. 𝑅! 𝑉" ダイオード 簡単な等価回路 (⾼⽊茂孝, 鈴⽊憲次 電⼦回路概論)
  4. 様々な特性図 現実のダイオード ⽐較的理想的なダイオード 理想的なダイオード 特性図 0 v I 特性図 0

    v I (⾼⽊茂孝, 鈴⽊憲次 電⼦回路概論) 特性図 降伏電圧 𝑅! 簡単な等価回路 等価回路を⽤いた解釈:順⽅向バイアス の時,𝑅! = 0,逆バイアスの時は𝑅! は 無限⼤. 𝑉! 𝑉 " 等価回路を⽤いた解釈:順⽅向バイアスの 時,傾きの逆数が𝑅! , 𝑉" = 𝑉# ,逆バイア スの時は傾きの逆数が𝑅! , 𝑉" = 𝑉$ . 𝑅! 𝑉" 簡単な等価回路
  5. 理想的ダイオードの動作 • 𝑉 > 𝑉# のときインピーダンス0(短絡) • ダイオードで電圧降下は起こらない. • 𝑉

    < 𝑉# のときインピーダンス無限⼤(開放) • 下の回路では電源電圧そのものがダイオードの電圧降下になる. 特性図 0 v I 𝑉! 𝑉 > 𝑉! 𝑉 < 𝑉! 逆バイアス 順バイアス
  6. ⽐較的理想的なダイオードの動作 • 𝑉 > 𝑉# のとき • 順バイアスの状態.インピーダンスは0. • しかし,閾値電位𝑉!

    の電圧降下がある. • 0 < 𝑉 < 𝑉# • インピーダンスは無限⼤となる(開放). • 順バイアスではあるが電流が流れない. • 𝑉 $ < 𝑉 < 0 • インピーダンスは無限⼤となる(開放). • 𝑉 < 𝑉 $ • 逆バイアスではあるが電流が流れる. • ツェナー電圧𝑉 " の電圧降下がある. 特性図 0 𝑉 " < 𝑉 < 0 𝑉 > 𝑉! v I 𝑉! 𝑉 " 𝑉 < 𝑉 " 0 < 𝑉 < 𝑉# 順バイアス 逆バイアス
  7. 問題解説 • 5Vの直流電源に抵抗器1個とLED1個を直列に接続して,電流10mAで LEDを点灯させる回路がある.LEDの電圧降下が2Vのとき抵抗器の抵 抗値は何Ωか.(第39回ME2種) 1. 100 2. 200 3.

    300 4. 400 5. 500 2V 5V 3V 10mA LEDの電圧降下が2Vなので,抵 抗にかかる電圧は3Vである. よってオームの法則から 3 10×10!" = 300Ω 特性図
  8. 問題 • 図の回路で電圧𝑉はおよそ何Vになるか.ただし,ダイオードDは理想 ダイオードとする.(31ME) 1. −140 2. −100 3. 0

    4. 100 5. 140 ダイオードの向きから時計と反対周り にしか電流は流れない.図の電圧の向 きの定義から,電源電圧が負のときの みコンデンサに電荷がたまる.この回 路には抵抗がないので,瞬時にコンデ ンサの電圧は電源電圧となる.さらに ,コンデンサは放電しようにもダイオ ードがあるため,放電できない. つまり,コンデンサは電源のピーク電 圧100 2 ≅ 140𝑉まで貯まる.向きを考 えると答えは−140𝑉である.
  9. 問題 • 図の回路の出⼒電圧𝑉[V]はどれか.ただし,ダイオードは理想ダイ オードとする.(国家試験25) 1. 1 2. 2 3. 3

    4. 5 5. 6 3V 3Vより低い電圧だから 電源から電流は流れな い. ダイオードの逆 バイアスになっ ているので,抵 抗側から電流は 流れない. 3Vの電源から⾒たとき,2V, 1Vにつながっているダイオード は逆バイアスとなるためインピ ーダンスは無限⼤とみなせる( 開放とみなせる). 電流は⾼い電圧から低い電圧に 流れるため, 2V,1Vから電流 は流れない. よって,抵抗にかかる電圧は3V である.
  10. 問題 • 図の回路に⼊⼒𝐸% と𝐸& を加えた場合,出⼒波形𝐸' で正しいのはどれか. ただし,ダイオードは理想的とする.(15回国家試験) これはOR回路なので,3が正解. まず𝐸# のみ考えてみると,𝐸#

    についているダ イオードは順バイアスなので,このダイオード には電流が流れる.しかし𝐸$ についているダ イオードは逆バイアスなので,そちらには電流 は流れない.𝐸% は𝐸# と並列になっているので 𝐸# = 5𝑉 のとき𝐸% = 5𝑉となる.𝐸$ のみのとき も同様である.ここで選択肢1,2,4,5が 消える. では, 𝐸# = 𝐸$ = 5𝑉 のときはどうだろうか. 𝐸# と 𝐸$ に電位差が無いので,ダイオードのイ ンピーダンスは0とみなす.また 𝐸% は電源と 並列なので𝐸% = 5𝑉である. よって,3が正解.
  11. 問題 • ダイオードの電流𝐼,電位𝐸の⽅向を図のように定めたとき,このダイ オードの特性グラフは図2の⽤になった.このとき,このダイオードの 順⽅向電圧𝑉( と逆⽅向降伏電圧𝑉" はどれか.(臨床⼯学技⼠国家試験 34) 1. 𝑉(

    = 0.6V 𝑉" = −3.0V 2. 𝑉( = −0.6V 𝑉" = −3.0V 3. 𝑉( = −0.6V 𝑉" = 3.0V 4. 𝑉( = −3.0V 𝑉" = 0.6V 5. 𝑉( = 3.0V 𝑉" = 0.6V ໰୊ɹüøɹμΠΦʔυͷిྲྀ Iɺిѹ E ͷํ޲Λਤ ø ͷΑ͏ʹఆΊͨͱ͖ɺ͜ͷ Φʔυͷಛੑάϥϑ͸ਤ ù ͷΑ͏ʹͳͬͨɻ͜ͷͱ͖ɺ͜ͷμΠΦʔυͷॱํ ѹ V' ͱٯํ޲߱෬ిѹ V3 ͸ͲΕ͔ɻ I E I ʦ"ʧ E ʦ7ʧ ÷ -ø -ù -ú ø ù ú ਤ ø ਤ ù
  12. 問題 • ダイオードの電流𝐼,電位𝐸の⽅向を図のように定めたとき,このダイオードの特性グラフは図2の⽤になった.このとき,このダイオードの順⽅向電圧𝑉! と 逆⽅向降伏電圧𝑉" はどれか.(臨床⼯学技⼠国家試験34) 1. 𝑉! = 0.6V

    𝑉" = −3.0V 2. 𝑉! = −0.6V 𝑉" = −3.0V 3. 𝑉! = −0.6V 𝑉" = 3.0V 4. 𝑉! = −3.0V 𝑉" = 0.6V 5. 𝑉! = 3.0V 𝑉" = 0.6V ໰୊ɹüøɹμΠΦʔυͷిྲྀ Iɺిѹ E ͷํ޲Λਤ ø ͷΑ͏ʹఆΊͨͱ͖ɺ͜ͷμΠ Φʔυͷಛੑάϥϑ͸ਤ ù ͷΑ͏ʹͳͬͨɻ͜ͷͱ͖ɺ͜ͷμΠΦʔυͷॱํ޲ి ѹ V' ͱٯํ޲߱෬ిѹ V3 ͸ͲΕ͔ɻ I E I ʦ"ʧ E ʦ7ʧ ÷ -ø -ù -ú ø ù ú ਤ ø ਤ ù øɽV ' =  ÷ɽ ý 7ɹɹV 3 = -úɽ ÷ 7 ùɽV ' = -÷ɽ ý 7ɹɹV3 = -úɽ ÷ 7 úɽV ' = -÷ɽ ý 7ɹɹV3 =  úɽ ÷ 7 ûɽV ' = -úɽ ÷ 7ɹɹV3 =  ÷ɽ ý 7 üɽV ' =  úɽ ÷ 7ɹɹV 3 =  ÷ɽ ý 7 3 章 半 導 体 泰 子 と 等 価 回 路 ダイオー ド 整流作用 と呼ばれる1 電流を ダ イ オー ドは, pn 接合で構成された電子素子です 定方向のみに流す作用を持ちま す ダイオ ドは, Ill買バイ アス状態では大きな電流が流れ, 逆バイアス状態ではほとんど 電流が流れません し か し ながら1 逆バイ ア ス状態でかける電圧を増や し ていく と 逆 電圧降伏が発生 し, 突然大きな電流が流れま す タイオ ドの逆電圧降伏現象は, 電子主 主だれ効果や トンネル効果が原因で発生 します 4 V ダ イ オ ー ド d ダ イ オ ー ド と は, p 形半導体 と n 形半導体を接合 し た素子です. 図 3 ・ 1 9 (a) に ダ イ オ ー ド の 内 部構造 を, 図 (b ) に 図記号 を 示 し ま す ダ イ オ ー ド の pn 接合の p 側 に正の 電圧 を か け る と 素子に大き な電流が流れ ま す. こ の状態 を)||貢バ イ ア ス 状態 と いい, 流れ る 電流 を )順電流 と い い ま す (図 3・20(a) ) . 一方で 、’ ダ イ オ ー ド の n 側 に正の電圧 を か け る と 素子 に ほ と ん ど電流が流 れ ま せん こ の状態 を逆バ イ ア ス 状態 と いい ま す (図 3 ・ 20 (b ) ) . こ の よ う な片方向 に し か電流 を流 さ な い作用 を, 整流作用 と いい ま す ダイ オ ー ドの構造と基本特性 カソー ド 凶 アノー ド n p (b) 図記号 (a) 内部構造 図 3・ 1 9m pn接合ダイオー ド n p + (b) 逆バイアス状態 n p + (a) 順バイアス状態 図 3・20・ダイオー ドの整流作用 + - 順⽅向(閾値)電圧は順⽅向に電流を流すために必要な電圧(ダイオードの電圧降下)であ る.降伏電圧はダイオードの整流機能が果たせなくなる電圧である. グラフから,このダイオードは0.6V以上の電圧で電流を順⽅向に流すことが分かる. さらに,-3V以上で逆⽅向に電流を流してしまうことも分かる. よって,順⽅向電圧VFは0.6V,逆⽅向降伏電圧VRは-3.0Vである. 降伏電圧 順⽅向(閾値)電圧 (⾼⽊茂孝, 鈴⽊憲次 電⼦回路概論)
  13. 問題 • ダイオードの順⽅向における電流電圧特性を図1に⽰す.このダイオー ドを図2のような等価回路に置き換えたとき,Vdとrdの組み合わせで 正しいのはどれか.(国家試験33回) 1. 𝑉! = 1.0V 𝑟!

    = 250Ω 2. 𝑉! = 1.0V 𝑟! = 100Ω 3. 𝑉! = 0.6V 𝑟! = 250Ω 4. 𝑉! = 0.6V 𝑟! = 100Ω 5. 𝑉! = 0.6V 𝑟! = 0Ω ໰୊ɹüúɹμΠΦʔυͷॱํ޲ʹ͓͚ΔిྲྀిѹಛੑΛਤ ø ʹࣔ͢ɻ͜ͷμΠΦʔυ Λਤ ù ͷΑ͏ͳ౳Ձճ࿏ ʢV' F ÷ɽ ý 7ʣ ʹஔ͖׵͑ͨͱ͖ͷ VE ͱ r E ͱͷ૊߹ͤͰ ਖ਼͍͠ͷ͸ͲΕ͔ɻ ÷ɽ ÷ ÷ɽ ù ÷ɽ û ÷ɽ ý ÷ɽ ÿ øɽ ÷ ిѹ V' ʦ7ʧ øɽ ÷ ùɽ ÷ úɽ ÷ ûɽ ÷ ిྲྀ I' ʦN"ʧ V' VE rE V' I' I' ਤ ø ਤ ù øɽVE = øɽ ÷ 7ɹɹrE = ùü÷ X ùɽV E = øɽ ÷ 7ɹɹrE = ø÷÷ X úɽV E = ÷ɽ ý 7ɹɹrE = ùü÷ X ûɽV E = ÷ɽ ý 7ɹɹrE = ø÷÷ X
  14. 問題 • ダイオードの順⽅向における電流電圧特性を図1に⽰す.このダイオードを図2のような等価回路に置き換えたとき, Vdとrdの組み合わせで正しいのはどれか.(国家試験33回) 1. 𝑉. = 1.0V 𝑟. =

    250Ω 2. 𝑉. = 1.0V 𝑟. = 100Ω 3. 𝑉. = 0.6V 𝑟. = 250Ω 4. 𝑉. = 0.6V 𝑟. = 100Ω 5. 𝑉. = 0.6V 𝑟. = 0Ω ໰୊ɹüúɹμΠΦʔυͷॱํ޲ʹ͓͚ΔిྲྀిѹಛੑΛਤ ø ʹࣔ͢ɻ͜ͷμΠΦʔυ Λਤ ù ͷΑ͏ͳ౳Ձճ࿏ ʢV' F ÷ɽ ý 7ʣ ʹஔ͖׵͑ͨͱ͖ͷ VE ͱ r E ͱͷ૊߹ͤͰ ਖ਼͍͠ͷ͸ͲΕ͔ɻ ÷ɽ ÷ ÷ɽ ù ÷ɽ û ÷ɽ ý ÷ɽ ÿ øɽ ÷ ిѹ V' ʦ7ʧ øɽ ÷ ùɽ ÷ úɽ ÷ ûɽ ÷ ిྲྀ I' ʦN"ʧ V' VE rE V' I' I' ਤ ø ਤ ù øɽVE = øɽ ÷ 7ɹɹrE = ùü÷ X ùɽV E = øɽ ÷ 7ɹɹrE = ø÷÷ X úɽV E = ÷ɽ ý 7ɹɹrE = ùü÷ X ûɽV E = ÷ɽ ý 7ɹɹrE = ø÷÷ X üɽV E = ÷ɽ ý 7ɹɹrE = çç÷ X 図2の等価回路から 𝑉& = 𝑉 '% + 𝑉! (電圧降下) 𝑉& = 𝐼& 𝑟! + 𝑉! (オームの法則𝑉 '% = 𝐼& 𝑟! ) 𝐼& = 1/𝑟! (𝑉& − 𝑉! ) ダイオードが電流を流す0.6V以上の場合のみを考える. 0.6V以上のとき,直線の傾きは0.002mA/0.2V=1/100である. よって, 𝐼& = 1/100(𝑉& − 0.6) 𝑉& = 100𝐼& + 0.6 最初の式との対応を⾒ると, 𝑉! = 0.6V 𝑟! = 100Ω 別解:グラフからすぐ0.6V であることが分かる. オームの法則から,傾きは 抵抗値(このグラフではそ の逆数)なので,傾きから 100Ωと求まる.
  15. 問題 • 図のツェナーダイオード(ツェナー電圧3V)を⽤いた回路で抵抗𝑅 = 20Ωに流れる電流𝐼[mA]はどれか.(26, 30回国家試験) 1. 0 2. 100

    3. 150 4. 250 5. 400 ツェナーダイオードで3Vの電圧降下が起こる.よって抵抗には2Vの電圧がかかる. 𝐼 = 2 20 = 0.1𝐴 = 100𝑚𝐴
  16. 問題 • ツェナー電圧3Vのツェナーダイオードを 含む図の回路のV1とV0の間の関係を⽰すグ ラフはどれか.(32国家試験) ໰୊ɹüúɹπΣφʔిѹ ú 7 ͷπΣφʔμΠΦʔυΛؚΉਤͷճ࿏ͷ V

    J ͱ VP ͷؔ ܎Λࣔ͢άϥϑ͸ͲΕ͔ɻ V J V P ø LX øɽ ùɽ ÷ ø ù ú û ü ý ø ù ú û ü ý VP ʦ7ʧ V J ʦ7ʧ ÷ ø ù ú û ü ý ø ù ú û ü ý VP ʦ7ʧ V J ʦ7ʧ úɽ ûɽ ÷ ø ù ú û ü ý ø ù ú û ü ý VP ʦ7ʧ V J ʦ7ʧ ÷ ø ù ú û ü ý ø ù ú û ü ý VP ʦ7ʧ V J ʦ7ʧ üɽ ÷ ø ù ú û ü ý ø ù ú û ü ý VP ʦ7ʧ V J ʦ7ʧ
  17. 問題 • ツェナー電圧3Vのツェナーダイオードを 含む図の回路のV1とV0の間の関係を⽰すグ ラフはどれか.(32国家試験 ) ໰୊ɹüúɹπΣφʔిѹ ú 7 ͷπΣφʔμΠΦʔυΛؚΉਤͷճ࿏ͷ

    V J ͱ VP ͷؔ ܎Λࣔ͢άϥϑ͸ͲΕ͔ɻ V J V P ø LX øɽ ùɽ ÷ ø ù ú û ü ý ø ù ú û ü ý VP ʦ7ʧ V J ʦ7ʧ ÷ ø ù ú û ü ý ø ù ú û ü ý VP ʦ7ʧ V J ʦ7ʧ úɽ ûɽ ÷ ø ù ú û ü ý ø ù ú û ü ý VP ʦ7ʧ V J ʦ7ʧ ÷ ø ù ú û ü ý ø ù ú û ü ý VP ʦ7ʧ V J ʦ7ʧ üɽ ÷ ø ù ú û ü ý ø ù ú û ü ý VP ʦ7ʧ V J ʦ7ʧ ツェナーダイオードは別名定電圧ダイオードである. つまり,ダイオードの両端電圧はツェナー電圧を超えれば,⼀定で ある. そこから,ツェナー電圧を超えても,Voが3Vより⼤きくなっている グラフ(4)と3Vを下回っているグラフ(2,5)は間違いである. ツェナーダイオードはツェナー電圧以下では抵抗が無限⼤であると 考えて良い.すなわち,⼊⼒電圧そのものがダイオードに加わると 考えられる. よって3が答えである. インピーダンスほぼ無限⼤ ツェナー電圧(降伏電圧)以上 上がらない.
  18. 問題 • 図1に⽰した特性のダイオードを2つ⽤いた図2の回路の出⼒電圧Voの 最⼤値Vomax[V]と最⼩値Vomin[V]はどれか.ただし,順⽅向の電圧 降下は0.6Vとする.(31国家試験) 1. 𝑉 ')*+ = 0.6,

    𝑉'),- = −0.6 2. 𝑉 ')*+ = 0.6, 𝑉'),- = −3.0 3. 𝑉 ')*+ = 3.0, 𝑉'),- = −3.0 4. 𝑉 ')*+ = 3.6, 𝑉'),- = −3.6 5. 𝑉 ')*+ = 6.0, 𝑉'),- = −6.0 ໰୊ɹüùɹਤ ø ʹࣔͨ͠ಛੑͷμΠΦʔυΛ ù ͭ༻͍ͨਤ ù ͷճ࿏ͷग़ྗిѹ V P ͷ ࠷େ஋ V P NBY ʦ7ʧ ͱ࠷খ஋ VP NJO ʦ7ʧ ͸ͲΕ͔ɻ ͨͩ͠ɺॱํ޲ͷిѹ߱Լ͸ ÷ɽ ý 7 ͱ͢Δɻ ਤ ø ిྲྀ ిѹ ÷ɽ ý 7 ÷ -úɽ ÷ 7 ਤ ù V J V P øɽV P NBY = ÷ɽ ýɺV P NJO = -÷ɽ ý ùɽVP NBY = ÷ɽ ýɺV P NJO = -úɽ ÷ úɽVP NBY = úɽ ÷ɺV P NJO = -úɽ ÷
  19. 問題 • 図1に⽰した特性のダイオードを2つ⽤いた図2の回路の出⼒電圧Voの最⼤値Vomax[V]と最⼩値Vomin[V]はどれか.ただし,順⽅向の 電圧降下は0.6Vとする.(31回) 1. 𝑉 &'() = 0.6, 𝑉&'*+

    = −0.6 2. 𝑉 &'() = 0.6, 𝑉&'*+ = −3.0 3. 𝑉 &'() = 3.0, 𝑉&'*+ = −3.0 4. 𝑉 &'() = 3.6, 𝑉&'*+ = −3.6 5. 𝑉 &'() = 6.0, 𝑉&'*+ = −6.0 ໰୊ɹüùɹਤ ø ʹࣔͨ͠ಛੑͷμΠΦʔυΛ ù ͭ༻͍ͨਤ ù ͷճ࿏ͷग़ྗిѹ V P ͷ ࠷େ஋ V P NBY ʦ7ʧ ͱ࠷খ஋ VP NJO ʦ7ʧ ͸ͲΕ͔ɻ ͨͩ͠ɺॱํ޲ͷిѹ߱Լ͸ ÷ɽ ý 7 ͱ͢Δɻ ਤ ø ిྲྀ ిѹ ÷ɽ ý 7 ÷ -úɽ ÷ 7 ਤ ù V J V P øɽV P NBY = ÷ɽ ýɺV P NJO = -÷ɽ ý ùɽVP NBY = ÷ɽ ýɺV P NJO = -úɽ ÷ úɽVP NBY = úɽ ÷ɺV P NJO = -úɽ ÷ ûɽVP NBY = úɽ ýɺV P NJO = -úɽ ý üɽVP NBY = ýɽ ÷ɺV P NJO = -ýɽ ÷ -0.6 3.0 Viを⼗分に⼤きくするとVoは上のダイオードには,ツェナー電圧の3.0Vが加わる.その時,下のダイオー ドの順⽅向電圧を超えているので,下のダイオードは電流の流れを阻害しない.しかし,電圧降下0.6Vが ⽣じている.よって,Vomaxは3+0.6=3.6V. 同様に,Viを⼗分低くすると,Voは下のダイオードのツェナー電圧3.0Vのため,下のダイオードに加わる 電圧は-3.0Vで⼀定となる.このとき上のダイオードの順⽅向電圧を超えているので,上のダイオードは 電流の流れを阻害しない.しかし,電圧降下が-0.6V⽣じる.よって,Vominは-3.0-0.6=-3.6Vである. 上のダイオード 下のダイオード
  20. 問題 • 図 1 の回路の LED の電圧電流特性を図 2 に⽰す。この回路に流れる 電流

    I[mA]はどれか。(臨床⼯学技⼠国家試験29回) 1. 5 2. 10 3. 15 4. 20 5. 30 ໰୊ɹüùɹਤ ø ͷճ࿏ͷ -&% ͷిѹిྲྀಛੑΛਤ ù ʹࣔ͢ɻ͜ͷճ࿏ʹྲྀΕΔిྲྀ I ʦN"ʧ ͸ͲΕ͔ɻ ú 7 ø÷÷ X VE I ਤ ø ిྲྀ I ʦN"ʧ ÷  ü ø÷ øü ù÷ ùü ú÷ ÷ɽ ü øɽ ÷ øɽ ü ùɽ ÷ ùɽ ü úɽ ÷ ిѹ VE ʦ7ʧ ਤ ù øɽ ü ùɽø÷ úɽøü ûɽù÷ üɽú÷
  21. 問題 • 図 1 の回路の LED の電圧電流特性を図 2 に⽰す。この回路に流れる 電流

    I[mA]はどれか。(臨床⼯学技⼠国家試験29回) 1. 5 2. 10 3. 15 4. 20 5. 30 ໰୊ɹüùɹਤ ø ͷճ࿏ͷ -&% ͷిѹిྲྀಛੑΛਤ ù ʹࣔ͢ɻ͜ͷճ࿏ʹྲྀΕΔిྲྀ I ʦN"ʧ ͸ͲΕ͔ɻ ú 7 ø÷÷ X VE I ਤ ø ిྲྀ I ʦN"ʧ ÷  ü ø÷ øü ù÷ ùü ú÷ ÷ɽ ü øɽ ÷ øɽ ü ùɽ ÷ ùɽ ü úɽ ÷ ిѹ VE ʦ7ʧ ਤ ù øɽ ü ùɽø÷ úɽøü ûɽù÷ üɽú÷ 電源電圧は抵抗とLEDで分圧されるので,抵抗にかかる電圧は 𝑉 = 3 − 𝑉! である.抵抗に流れる電流は𝐼なのでオームの法則から 100𝐼 = 3 − 𝑉! である.この回路では,前述の式と図2のLEDの特性の両⽅を満たさなければならない. 両⽅を満たす電流を求めるには, 100𝐼 = 3 − 𝑉! の直線とLEDの特性の交点を求めれば良い. 交点から,電流𝐼は10mAと分かる. 電流𝐼も抵抗に掛かる電圧𝑉も未知である.使え る電流と電圧の関係 • オームの法則 • 特性図 この2つの関係(⽅程式)からなる連⽴⽅程式 を解く. 連⽴⽅程式を解くとは,各⽅程式が表す線の交 点を求めることである. オームの法則と特性図の交点を⾒つける. オームの法則 特性図
  22. ピーククリッパ回路の原理 • E<Viの時 • ダイオードはViから⾒て順バイアスとなる. • 順バイアスのときダイオードでは電圧降下は起こら ない. • AB間の電圧降下はEのみとなるため,Vo=Eとなる.

    • E>Viの時 • ダイオードはViから⾒て逆バイアスとなる. • 逆バイアスの場合,BからAへ電流が流れようとする が,ダイオードがあるため電流は流れない. • よって,AB間のインピーダンスは無限⼤とみなすこ とができる.(開放と⾒なせる.) • つまり,ダイオードは開放でAB間の回路は無視でき るので,AB間の電圧降下はViそのものとなる. Vi Vo E 特性図 ピーククリッパ回路 0 A B E>Vi E<Vi v I
  23. リミタ回路の原理 1. Vi>V1の時 • ViはD2+V2から⾒て逆バイアスとなるので開放となる.よって無視する. • ViはD1+V1からみて順バイアスである.つまり,ダイオードは短絡なので VoはV1となる. 2. 0<E<V1の時

    • ViはD2+V2から⾒て逆バイアスとなるので開放となる.よって無視する Vi<V1なのでD1も逆バイアスとなる.よって,D1も開放となり,無視す る. • よって,VoはViである. 3. V2<E<0の時 • ViはD1+V1から⾒て逆バイアスとなるので開放となる.よって無視する. • |E|<|V2|なのでD2も逆バイアスとなる.よって,D2も開放となり,無視 する. • よって,VoはViである. 4. Vi<V2の時 • ViはD1+V1から⾒て逆バイアスとなるので開放となる.よって無視する. • ViはD2+V2からみて順バイアスである.つまり,ダイオードは短絡なので VoはV2となる. 1 2 3 4
  24. 問題 • 図1の電圧Viを⼊⼒したとき,図2の電圧 Voを出⼒する回路はどれか.ただし,ダ イオードは理想ダイオードとする.(32 国家試験) ໰୊ɹüúɹਤ ø ͷిѹ V

    J Λೖྗͨ͠ͱ͖ɺਤ ù ͷిѹ V P Λग़ྗ͢Δճ࿏͸ͲΕ͔ɻ ͨͩ͠ɺμΠΦʔυ͸ཧ૝μΠΦʔυͱ͢Δɻ V J ʦ7ʧ ú ù ø ÷ -ø -ù -ú ø ù t ʦNTʧ ਤ ø t ʦNTʧ VP ʦ7ʧ ú ù ø ÷ -ø -ù -ú ø ù ਤ ù øɽ ùɽ V J ø 7 ù 7 V P V J ø 7 ù 7 V P úɽ ûɽ V J ø 7 ù 7 V P V J ø 7 ù 7 V P üɽ V J ø 7 ù 7 V P
  25. 問題 • 図1の電圧Viを⼊⼒したとき,図2の電圧Voを出⼒する回路はど れか.ただし,ダイオードは理想ダイオードとする.(32国家 試験) ໰୊ɹüúɹਤ ø ͷిѹ V J

    Λೖྗͨ͠ͱ͖ɺਤ ù ͷిѹ V P Λग़ྗ͢Δճ࿏͸ͲΕ͔ɻ ͨͩ͠ɺμΠΦʔυ͸ཧ૝μΠΦʔυͱ͢Δɻ V J ʦ7ʧ ú ù ø ÷ -ø -ù -ú ø ù t ʦNTʧ ਤ ø t ʦNTʧ VP ʦ7ʧ ú ù ø ÷ -ø -ù -ú ø ù ਤ ù øɽ ùɽ V J ø 7 ù 7 V P V J ø 7 ù 7 V P úɽ ûɽ V J ø 7 ù 7 V P V J ø 7 ù 7 V P üɽ V J ø 7 ù 7 V P 理想ダイオードなので,降伏電圧はなく,電圧降下も無いと する. 図2から,答えはリミッタ回路であることがわかる. 1, 3, 5はリミッタ回路ではない. 2. リミッタ回路である.2Vになるまで,ダイオードに電流は 流れない.そのため,インピーダンスが⾼く,ダイオードに すべての電圧がかかる.しかし,2Vを超えると右のダイオー ドに電流が流れインピーダンスが0となり,Voは2Vの直流電 源による電圧降下分のみとなる.負の場合も同様に考えれば, -1Vを下回ると,直流電源の電圧降下分の-1VがVoとなる. 4. リミッタ回路である.しかし,⼊⼒が正のときは1V,負の ときは-2Vまでに制限される.
  26. 問題 • 図の回路について正しいのはどれか.ただし,変圧器は理想的なもので,1次対2次の巻数⽐は1:2で ある(15回国家試験). a. 1次側に流れる電流波形は正弦波である. b. AB間の電圧波形は正弦波である. c. CB間の電圧波形は半波整流波形である.

    d. 電流iの最⼤値は約2.8Aである. e. 抵抗100Ωの消費電⼒は400Wである. a. 2次側に流れる電流波形がダイオードにより半波整 流波形になる.𝐼( 𝑉( = 𝐼) 𝑉) だから1次側にも半波整 流波形の電流が流れる.間違い. b. AB間も正弦波である.正しい. c. CB間は半波整流である.なぜならば,逆バイアス のとき,ダイオードで全ての電圧降下が起きてしま い抵抗では電圧降下を⽣じないからである.よって ,正しい. d. 2次側の電圧は200Vである.よって電流は2A である.これは実効値なので瞬時値は 2×1.41 = 2.82Aとなる.正しい. e. 200×2 = 400Wと思いたいが,半波整流なの で電⼒はその半分の200Wである.よって間 違い.
  27. 第41回ME2種 • 図の回路においてD1のLED(発光ダイオード)が発光しているときに 同時に発光するのはどれか. 1. D2とD3 2. D2とD5 3. D3とD4

    4. D3とD5 5. D4とD5 電源の電圧が正のとき D1は点灯しない. 電源の電圧が負のとき D1は点灯する. このとき,電流が流れているD4とD5も点 灯している.
  28. 問題 • 図の回路に電圧𝑉, = 100sin 10𝜋𝑡 [V] を⼊⼒した.出⼒電圧𝑉𝑜の実効値[V]はどれか.ただし,ダイオードは 理想ダイオードとし,時刻tの単位は秒とする.(国家試験33回) 1.

    10 2 2. .// 0 3. 100 4. 100 2 5. 200 ໰୊ɹüüɹਤͷճ࿏ʹిѹ V J = ø÷÷ TJO ʢø÷ rtʣ ʦ7ʧ Λೖྗͨ͠ɻग़ྗిѹ ஋ ʦ7ʧ ͸ͲΕ͔ɻ ͨͩ͠ɺμΠΦʔυ͸ཧ૝μΠΦʔυͱ͠ɺ࣌ؒ t ͷ୯Ґ͸ඵͱ͢Δ V J V P øɽ  ùɽ   
  29. 問題 • 図の回路に電圧𝑉* = 100sin 10𝜋𝑡 [V]を⼊⼒した.出⼒電圧𝑉𝑜の実効値[V]はどれか.ただし,ダイオードは理想ダイオードとし,時刻 tの単位は秒とする.(国家試験33回) 1. 10

    2 2. 𝟏𝟎𝟎 𝟐 3. 100 4. 100 2 5. 200 ໰୊ɹüüɹਤͷճ࿏ʹిѹ V J = ø÷÷ TJO ʢø÷ rtʣ ʦ7ʧ Λೖྗͨ͠ɻग़ྗి ஋ ʦ7ʧ ͸ͲΕ͔ɻ ͨͩ͠ɺμΠΦʔυ͸ཧ૝μΠΦʔυͱ͠ɺ࣌ؒ t ͷ୯Ґ͸ඵͱ͢Δ V J V P øɽ  ùɽ    úɽø÷÷ ûɽ  üɽù÷÷  ผղɿ͜ͷճ࿏͸શ೾੔ྲྀճ࿏Ͱ͋Δɽશ೾੔ྲྀճ࿏Ͱ͸ɼग़ྗ͸ਖ਼ݭ೾ͷઈର஋ͱͳΔɽ શ೾੔ྲྀͷग़ྗͷपظ͸ਖ਼ݭ೾ͷपظͷ൒෼ͳͷͰɼ5Ͱ͋ΔɽΑͬͯɼฏۉిྗ͸ ; 𝑃 = 1 𝑇/2 > * +/) 𝑉)sin) 𝜔𝑡 𝑅 𝑑𝑡 = 2𝑉) 𝑇𝑅 > * +/) 1 2 1 − cos) 2𝜔𝑡 𝑑𝑡 = 𝑉) 𝑇𝑅 𝑡 − 1 2𝜔 sin2𝜔𝑡 * +/) = 𝑉) 𝑇𝑅 𝑇 2 − 1 2𝜔 sin𝜔𝑇 + 1 2𝜔 sin0 = 𝑉) 𝑇𝑅 × 𝑇 2 = 𝑉) 2𝑅 = 𝑉 2𝑅 𝑉 2 = 𝐼- 𝑉 - ిѹͷ࣮ޮ஋͸ . ) ͳͷͰɼ (** ) 𝜔𝑇 = 2𝜋 𝑽𝒐͸શ೾੔ྲྀ೾ܗͰ͋Δɽਖ਼ݭ೾ަྲྀͱશ೾੔ྲྀ೾ܗͷ࣮ޮ஋͸ಉ͡ͳͷͰ𝟏𝟎𝟎 𝟐 ɽ
  30. 問題 • 図の回路について正しいのはどれか.ただし、ダイオードは理想的とし⼊⼒電圧Viは周波数50Hz振幅 1Vの正弦波とする.(国家試験17回) 1. ダイオードにかかる電圧の最⼤値は約2Vである. 2. ダイオードに流れる電流は正弦波である. 3. コンデンサにかかる電圧の最⼤値は約1.4Vである.

    4. コンデンサにかかる電圧は正弦波である. 5. 抵抗を1kΩに変えるとコンデンサにかかる電圧のリップル(変動量)は減少する. この回路は順バイアス時に充電し,逆バイアス時に放電す る.順バイアス時には,電源と抵抗の間に妨げるものは無 いため,電源の電圧とともにコンデンサの電圧も上がる. しかし,電圧が下がるときはコンデンサから放電がおきそ うだが,逆バイアスのため,電流は全て抵抗に流れる(RC 直列回路とみなせる). ⼀⽅,RC回路の時定数は,10𝜇×100𝑘 = 1sである.これ は信号の周期( ( 2* = 20ms)よりも遥かに⼤きい.そのた め,コンデンサの放電によるコンデンサの電圧の低下は考 えなくて良い.
  31. 問題 • 図の回路について正しいのはどれか.ただし、ダイオードは理想的とし⼊⼒電圧Viは周波数50Hz振幅 1Vの正弦波とする.(国家試験17回) 1. ダイオードにかかる電圧の最⼤値は約2Vである. 2. ダイオードに流れる電流は正弦波である. 3. コンデンサにかかる電圧の最⼤値は約1.4Vである.

    4. コンデンサにかかる電圧は正弦波である. 5. 抵抗を1kΩに変えるとコンデンサにかかる電圧のリップル(変動量)は減少する. 1. コンデンサの放電は充電に対し少ないので,⼗分時間が経てばコンデンサの電圧は約1Vを保つ.電 源が負電圧のとき,図のような状況になる.電源で1V下がり,コンデンサでも1V下がるのでダイオ ードにかかる電圧は約2Vとなる.よって正しい. 2. 半波整流回路なので,ダイオードには半波整流が流れる.よって間違い. 3. 半波整流回路なので,コンデンサには振幅1Vの半波整流波形の電圧がかかる.よって間違い. 4. 半波整流回路なので,コンデンサにかかる電圧は正弦波ではない.よって間違い. 5. CR回路の時定数を⼤きくするとリプルは減る.時定数はCRで計算される.100kΩより⼩さくすると 時定数は⼩さくなり,リプルは⼤きくなる.よって間違い. + - + - 1V 1V 2V
  32. 問題 • 出⼒電圧Voにおいてリプル率の最も⼩さい回路はどれか.(30回) ໰୊ɹüúɹग़ྗిѹ V P ʹ͓͍ͯϦϓϧ཰ͷ࠷΋খ͍͞ճ࿏͸ͲΕ͔ɻ øɽ ùɽ úɽ

    ûɽ üɽ ໰୊ɹüûɹਤͷճ࿏ʹ͍ͭͯɺਖ਼͍͠ͷ͸ͲΕ͔ɻ ͨͩ͠ɺ" ͸ཧ૝ԋࢉ૿෯ثͱ͢Δɻ ̰ɽ൓స૿෯ճ࿏Ͱ͋Δɻ ̱ɽೖྗ఍߅͸ R T Ͱ͋Δɻ ̲ɽೋͭͷ఍߅ʹྲྀΕΔిྲྀ͸౳͍͠ɻ ̳ɽVT ͸ V J ʹ౳͍͠ɻ ̴ɽR T Λແݶେʹ͢Δͱ V V J P = ʹͳΔɻ V T V P C R V T V P ùC R V T V P C R V T V P ùC R V T V P ùC ùR V T V P V J R T R G " - + リプリとは直流成分ではない微⼩な変化のことである.つまり,より直流に近い波形を出⼒する回路を選べば良い. まず,全波整流のほうが直流に近いので,半波整流回路である1,3は間違いである. 平滑回路では,電源電圧が変動したとき,コンデンサにより充放電することで変動を吸収する. CR回路に着⽬すると,CR回路の電圧変化の速さは時定数により表現できる. 時定数はCRなので,CRが⼤きければ⼤きいほど変動しにくい. よって答えは5となる.