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ME2種国家試験電子回路(ダイオード)/ ME2_diode

ME2種国家試験電子回路(ダイオード)/ ME2_diode

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Kazuhisa Fujita

January 17, 2022
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  1. ME2種・国家試験電⼦回路講座 -ダイオード- 藤⽥ ⼀寿

  2. ダイオード • 電流を⼀定⽅向にしか流さない(整流作⽤) • 電流を流す⽅向に電圧をかけることを順バイアス(順電圧) • 電流を流す⽅向に流れる電流を順電流 • 電流を流さない⽅向に電圧をかけることを逆バイアス(逆電圧) •

    電流を流す⽅向に流れる電流を逆電流 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
  3. 特性図 • ダイオードにかける電圧(印加電圧)と電流の関係を表した図 を特性図(V-I特性図)という. • 逆電圧を⼤きくすると,ある電圧で⼤きな逆電流が流れ始める. これを降伏状態といい,その時の電圧を降伏電圧という.

  4. 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
  5. 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),降伏電圧は ダイオードの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 順⽅向電圧
  6. 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.(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
  7. 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. 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! = 𝐼! 𝑟" + 𝑉" ダイオードが電流を流す0.6V以上の場合のみ考える. 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.
  8. クリッパ,リミッタ

  9. クリッパ • クリッパとは⼊⼒波形の電圧の上部か下部をある値で切り取る 役割を果たす回路である. ピーククリッパ ベースクリッパ

  10. 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,AB間の電圧降下はViそのものとなる. • 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,ダイオードの抵抗は0となるため ,ダイオードは短絡とみなせる.(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. Vi Vo E 特性図 ピーククリッパ回路 0 A B E>Vi E<Vi v I
  11. リミタ • ピーククリッパとベースクリッパを組み合わせた回路をリミタ とよぶ. • ⼊⼒電圧の振幅を制限するために⽤いられる.

  12. 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回) ໰୊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
  13. 問題 • 図の電圧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回) ໰୊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は直流電源による 電圧降下分の2Vのみとなる.負の場合も同様に考えれば,-1 V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.
  14. ツェナーダイオード

  15. 定電圧ダイオード(ツェナーダイオード) • 降伏現象を利⽤し,ダイオードの流れる電流の⼤きさにかかわ らずダイオードの電圧を⼀定に保つ機能を持つダイオード. • 定電圧源として利⽤される.

  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) ໰୊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) ໰୊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低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 ものと3Vを下回っているグラフは間違いである. 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. 抵抗ほぼ無限⼤ 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 ÷
  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