臨床工学技士国家試験・ME2種ダイオードまとめ

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November 22, 22

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臨床工学技士国家試験とME2種で出題されるダイオードの内容をまとめた資料です.公立小松大学臨床工学科の学生向けの資料ですが,皆さんのお役に立てると幸いです.

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1.

臨床⼯学技⼠国家試験・ ME2種ダイオードまとめ 藤⽥ ⼀寿

2.

抑えるポイント • デシベル𝐺 = 20 log!" #! #" • 多段増幅器の利得は,各増幅器の利得(dB)を⾜す. • オペアンプ • ⼊⼒インピーダンスは無限⼤.⼊⼒には電流は⼊っていかない. • イマジナリショート.⼊⼒端⼦同⼠は仮想的な短絡状態である. • ⼊⼒端⼦同⼠は同じ電位である. • オペアンプの問題は上の2点を使えば解ける. • 差動増幅度𝐴$ と同相増幅度𝐴% の⽐を同相除去⽐CMRRという. # • 𝐶𝑀𝑅𝑅 = 20 log!" #! = 20 log!" 𝐴$ − 20 log!" 𝐴% [dB] "

3.

ダイオード

4.

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 アノード カソード 電流が流れな い 電流が流 れる 順バイアス 逆バイアス

5.

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. 電流が流 れない 逆バイアス 電流が 流れる 順バイアス

6.

特性図の解釈 • 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. • 逆電流を流す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.

7.

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

8.

様々な特性図 特性図 特性図 I I v 0 v 0 理想的 ⽐較的理想的 現実的

9.

理想的な場合 • 𝑉 > 𝑉& のときインピーダンス0 • 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 • 電源電圧がダイオードの電圧降下になる. 特性図 I 0 𝑉 < 𝑉& v 𝑉& 𝑉 > 𝑉&

10.

⽐較的理想的な場合 • 𝑉 > 𝑉& のとき • インピーダンスは0となる. • 順バイアスの状態. • 閾値電位𝑉& の電圧降下がある. 特性図 I • 0 < 𝑉 < 𝑉& • インピーダンスは無限⼤となる. • 順バイアスではあるが電流が流れない. 𝑉' • 𝑉' < 𝑉 < 0 0 • インピーダンスは無限⼤となる. • 𝑉 < 𝑉' • 逆バイアスではあるが電流が流れる. • インピーダンスは0となる. • ツェナー電圧𝑉' の電圧降下がある. 𝑉 < 𝑉' 𝑉' < 𝑉 < 0 v 𝑉" 𝑉 > 𝑉& 0 < 𝑉 < 𝑉!

11.

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

12.

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 10mA 2. 200 3. 300 4. 400 5. 500 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 = 300Ω 10×10"# 3V 2V 5V

13.

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

14.

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反時計回りにし 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.

15.

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

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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.

17.

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

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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 3V 2. 2 3. 3 4. 5 5. 6 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. 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. 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.

19.

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)

20.

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,順バイアスなので 𝐸$ = 5𝑉 のとき𝐸% = 5𝑉となる.𝐸& のみのとき も同様である. では, 𝐸$ = 𝐸& = 5𝑉 のときはどうだろうか. 電源の並列つなぎになっているので𝐸% = 5𝑉で ある. よって,3が正解.

21.

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 問題 51 ダイオードの電流 I 、電圧 E の方向を図 1 のように定めたとき、この 順⽅向電圧𝑉+ と逆⽅向降伏電圧𝑉, オードの特性グラフは図 はどれか.(臨床⼯学技⼠国家試験 2 のようになった。このとき、このダイオードの順方 圧 V と逆方向降伏電圧 V はどれか。 34) F 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 R [ I A] -3 -2 -1 I 0 1 E 図1 図2 2 3 E[V]

22.

問題 問題 51 ダイオードの電流 I 、電圧 E の方向を図 1 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 のようになった。このとき、このダイオードの順方向電 圧 V F と逆方向降伏電圧 V R はどれか。 • 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 ダイ オ ー ド 逆⽅向降伏電圧𝑉" はどれか.(臨床⼯学技⼠国家試験34) [ I A] 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 ダ イ オー ド は , pn 接合で構成さ れた電子素子 です 整流作用 と 呼ばれる1 電流を 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 降伏電圧 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 I 𝑉" = 0.6V -3 -2 -1 1 0 2 3 [V] 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E します 順⽅向電圧 E ダイ オ ー ドの構造 と 基本特性 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 図1 図2 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 ・ 1.V F = 0. 6V V R = -3.0 V 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 2.V = -0.6 V V = -3.0 V 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 3.V = -0.6 V V = 3.0 V ダイオードの機能が果たせなくなる電圧である. 4.V = -3.0 V V = 0.6 V 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. 5.V = 3. 0V V = 0. 6V 図 3 ・ 1 9m pn接合ダイオー ド 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. + - p F F F F R n R (b) 図記号 (a) 内部構造 R p n + 凶 アノー ド R p n + (a) 順バイアス状態 (b) 逆バイア ス状態 図 3・20・ダイオー ドの整流作用 カソー ド 3 章 半 導 体 泰 子 と 等 価 回 路 4 V ダ イ オ ー ド

23.

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 問題 53 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 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) を図 2 のような等価回路(V F 0.6 V)に置き換えたときの V と r との組合せで F 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 d d 正しいのはどれか。 電流 I [mA] F 4.0 3.0 2.0 IF 1.0 IF rd VF 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 電圧 V [V] F 図1 1.V d = 1.0 V r d = 250 X 2.V d = 1.0 V r d = 100 X 3.V d = 0.6 V r d = 250 X VF Vd 図2

24.

問題 問題 53 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(V F F 0.6 V)に置き換えたときの V d と r d との組合せで • 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, 正しいのはどれか。 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 3.0 4. 𝑉. = 0.6V 𝑟. = 100Ω 2.0 5. 𝑉. = 0.6V 𝑟. = 0Ω 1.0 電流 I [mA] F 4.0 IF IF rd VF 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 電圧 V [V] F 図2の等価回路から 図1 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. 1.V d = 1.0 V r d = 250 X 0.6V以上のとき,直線の傾きは0.002mA/0.2V=1/100である. 2.V d = 1.0 V r d = 100 X よって, 3.V d = 0.6 V r d = 250 X 𝐼' = 1/100(𝑉' − 0.6) 4.V d = 0.6 V r d = 100 X 𝑉' = 100𝐼' + 0.6 5.V d = 0.6 V rd = 0 X 最初の式との対応を⾒ると, 𝑉( = 0.6V 𝑟( = 100Ω VF Vd 図2 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.

25.

ツェナーダイオード

26.

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.

27.

問題解説 • 図の回路a-b間に素⼦を接続して,(A)のような正矩形波パルス(0-10V) を⼊⼒したところ,(B)のような正矩形波パルス(0-6V)が出⼒された. a-b間に接続したのはどれか.(第42回ME2種)

28.

問題解説 • 図の回路a-b間に素⼦を接続して,(A)のような正矩形波パルス(0-10V) を⼊⼒したところ,(B)のような正矩形波パルス(0-6V)が出⼒された. a-b間に接続したのはどれか.ただし,ダイオードはすべて理想的であ る.(第42回ME2種介) グラフBからa-b間で6Vの電圧降下が起こってい る. 理想的なダイオードに降伏電圧がないと考えるの で,1は間違いである. 理想的なダイオードは順⽅向の電圧降下がないた め,2, 3, 5は間違いである. ツェナーダイオードの降伏電圧が6Vであるとす ると,4のツェナーダイオードが答えとなる.

29.

問題 問題 53 ツェナー電圧 3 V のツェナーダイオードを含む図の回路の V i と V o の関 係を示すグラフはどれか。 1 kX • 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) Vi 1. 3. 4. 1 2 3 4 5 6 V[V] i 6 V[V] o 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 V[V] i 6 V[V] o 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 V[V] i 6 V[V] o 5 4 3 2 1 0 5. 2. 6 V[V] o 5 4 3 2 1 0 Vo 1 2 3 4 5 6 V[V] i 6 V[V] o 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 V[V] i

30.

問題 問題 53 ツェナー電圧 3 V のツェナーダイオードを含む図の回路の V i と V o の関 係を示すグラフはどれか。 1 kX • 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) 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 4と3Vを下回っている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.電圧は1kΩの抵抗とダイオードで分圧され,且つダイ オードの抵抗は極めて⼤きいので,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. Vi 1. 3. 4. 1 2 3 4 5 6 V[V] i 6 V[V] o 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 V[V] i 6 V[V] o 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 V[V] i 6 V[V] o 5 4 3 2 1 0 5. 2. 6 V[V] o 5 4 3 2 1 0 Vo 1 2 3 4 5 6 V[V] i 6 V[V] o 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 V[V] i

31.

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 問題 52 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 V の 降下は0.6Vとする.(31回) o 1. 2. 3. 4. 5. 𝑉*-./ = 0.6, 𝑉*-01 = −0.6 最大値 V o max [V] と最小値 V o min [V] はどれか。 ただし、順方向の電圧降下は 0. 6 V とする。 電流 𝑉*-./ = 0.6, 𝑉*-01 = −3.0 𝑉*-./ = 3.0, 𝑉*-01 = −3.0 𝑉*-./ = 3.6, 𝑉*-01 = −3.6 -3. 0V 0 0. 6V 電圧 𝑉*-./ = 6.0, 𝑉*-01 = −6.0 Vi 図1 6、V o min = -0. 1.V o max = 0. 6 6、V o min = -3. 2.V o max = 0. 0 0、V o min = -3. 3.V o max = 3. 0 Vo 図2

32.

問題 問題 • 52 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 V o の 最大値 V o max [V] と最小値 V o min [V] はどれか。 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 ただし、順方向の電圧降下は 0. 6 V とする。 電流 上のダイオード -3. 0V -0.6 0 0. 6V 3.0 電圧 Vi 図1 下のダイオード Vo 図2 6、V o min = -0. 1.V o max = 0. 6 6、V o min = -3. 2.V o max = 0. 0 0、V o min = -3. 3.V o max = 3. 0 Viを正の⽅向に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 = 3. 6、V = -3. 4.V 6 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 = 6. 0、V = -6. 5.V 0 0.6Vが⽣じている.よって,Vomaxは3+0.6=3.6Vである. 同様に,Viを負の⽅向に⼗分⼤きくすると,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. o max o min o max o min

33.

クリッパ,リミッタ

34.

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

35.

ピーククリッパ回路の原理 特性図 • E>Viの時 I • 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. v 0 E>Vi E<Vi ピーククリッパ回路 A • 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 B

36.

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.

37.

問題 • 図に⽰すような波形の⼊⼒電圧𝑣0 が加えられたとき,出⼒電圧𝑣* の波 形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.(国家試験26)

38.

問題 • 図に⽰すような波形の⼊⼒電圧𝑣0 が加えられたとき,出⼒電圧𝑣* の波 形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.(国家試験26) ピーククリッパなので,4が答え.

39.

問題 問題 53 図 1 の電圧 V i を入力したとき、図 2 の電圧 V o 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。 • 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) V[V] i 3 V[V] o 3 2 2 1 1 0 1 -1 2 [ t ms] 0 -1 -2 -2 -3 -3 図1 1 2 [ t ms] 図2 1. 2. Vi 1V 2V Vo 3. Vi 1V 2V 1V 2V Vo 4. 1V 2V 1V 2V Vo 5. Vi Vi Vo Vi Vo

40.

問題 問題 53 図 1 の電圧 V i を入力したとき、図 2 の電圧 V o 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。 • 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) 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,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. V[V] i 3 V[V] o 3 2 2 1 1 0 1 -1 2 [ t ms] 0 -1 -2 -2 -3 -3 図1 1 2 [ t ms] 図2 1. 2. Vi 1V 2V Vo 3. Vi 1V 2V 1V 2V Vo 4. 1V 2V 1V 2V Vo 5. Vi Vi Vo Vi Vo

41.

整流回路

42.

整流回路 • 交流を直流に変換する回路を整流回路という. • 半波整流 • ダイオード1個で構成される. • ダイオードは⼀⽅向にしか電流を流さないため,正弦波の半分だけが抵抗 に流れる. vi vo

43.

全波整流 • 全波整流では正弦波電源の正の部分はそのままに,負の部分を反転さ せる. • 図のようにダイオードをブリッジ状に組んだ整流回路をブリッジ全波 整流回路と呼ぶ. vi vo 電源の電圧が正のときの電流の流れ 電源の電圧が負のときの電流の流れ

44.

実効値

45.
[beta]
実効値
• 交流の1周期の平均電⼒が直流のとき同じの直流電圧のことを電圧の実
効値という.
• 抵抗Rにv(t)=Vsin(ωt)の電圧を加えたときの電⼒は
•𝑃 𝑡 =𝑖 𝑡 𝑣 𝑡 =

20 (4)
,

=

# 0 6780 94
,

• 1周期の平均電⼒は
• 𝑃> =
•=

! : # 0 6780 94
∫
: "
,

#0
;:,

𝑇−

cos 2𝜃 = cos! 𝜃 − sin! 𝜃 = 1 − 2 sin! 𝜃

𝑑𝑡 =

!
sin 2𝜔𝑇
;9

#0 : !
∫
:, " ;

+

1 − cos 2𝜔𝑡 𝑑𝑡 =

!
sin 0
;9

=

#0
×𝑇
;:,

=

#0
;,

𝜔𝑇 = 2𝜋

𝟏
𝟐

• よって,この場合実効値は振幅の となる.

=

#0
;:,

𝑡−

# #
;, ;

:
!
sin 2𝜔𝑡
;9
"

= 𝐼< 𝑉<

46.

実効値(覚える) • 交流 • ( ) • 全波整流(計算で2乗するため,交流と同じ値となる) • ( ) • 半波整流 ! */) ( • 𝑃/ = ∫" * • = • = (/ )*1 (/ 2*1 𝑡− / ,-./ /0 1 ! )/ ×𝑇 = 21 = */) ! 𝑑𝑡 = ∫ *1 " */) (/ sin 2𝜔𝑡 (/ (/ ( ( )1 ) • よって実効値はV/2 " = ) * )*1 ) = 𝐼3 𝑉3 1 − cos 2𝜔𝑡 𝑑𝑡 − ! )/ sin 𝜔𝑇 + ! )/ sin 0

47.

問題

48.

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.

49.

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. この図の回路は半波整流回路で,コンデンサで平滑化 しているとみなせる.また,抵抗とコイルの時定数は 10×10"# ×100×10$ = 1sなので50Hzの波形に対し⼗分 ⼤きいので,抵抗の影響は無視する. 1. 順バイアスのときコンデンサは充電され,電極間 の電圧は1Vとなる.時定数は周期より⼗分⻑いの でコンデンサは1Vの電圧を保つ.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の電位差 は2Vとなる.よって正しい. 2V + 1V + - 1V

50.

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. 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. 最⼤値は1Vである.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. 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. コンデンサの容量を⼤きくするとリプルは減る. よって間違い. + -

51.

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.

52.

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. b. c. d. e. 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.つまり1次側にも半波整流波形の電 流が流れる.間違い. AB間も正弦波である.正しい. CB間は半波整流である.正しい. 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. 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.

53.

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

54.

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.

55.

問題 問題 55 図の回路に電圧 V i = 100 sin (10 rt) [V]を入力した。出力電圧 • 図の回路に電圧𝑉0 = 100sin 10𝜋𝑡 [V] 値 [V] はどれか。 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 ただし、ダイオードは理想ダイオードとし、時間 t の単位は秒とする 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. !"" ; Vi 3. 100 4. 100 2 Vo 5. 200 1.10 2 2. 100 2

56.

問題 問題 55 図の回路に電圧 V i = 100 sin (10 rt) [V]を入力した。出力電 値 [V] はどれか。 ただし、ダイオードは理想ダイオードとし、時間 t の単位は秒とする • 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. '(( ) 3. 100 4. 100 2 5. 200 Vi Vo 1.10 2 2. 100 2 この回路は全波整流回路である.全波整流回路では,出力は正弦波の絶対値となる. 3.100 全波整流の出力の周期は正弦波の周期の半分なので,T/2である.よって,平均電力は &/! !4.100 21 1 &/! 𝑉 ! sin! 𝜔𝑡 2𝑉 ! &/! 1 𝑉 ! 𝑃4 = 7 𝑑𝑡 = 7 1 − cos 2𝜔𝑡 𝑑𝑡 = 5.200 𝑡− sin 2𝜔𝑡 𝑇/2 % 𝑅 𝑇𝑅 % 2 𝑇𝑅 2𝜔 % ! ! ! 𝑉 𝑇 1 1 𝑉 𝑇 𝑉 𝑉 𝑉 = − sin 𝜔𝑇 + sin 0 = × = = = 𝐼( 𝑉( 𝑇𝑅 2 2𝜔 2𝜔 𝑇𝑅 2 2𝑅 2𝑅 2 ) *%% 電圧の実効値は !なので, ! 23 𝜔𝑇 = 2𝜋 交流と全波整流の実効値は一緒.2乗するので絶対値があろうとなかろうと同じ値になる.

57.

問題 • 表は,正弦波交流波形Aとその整流波形B,Cについて,それぞれの平 問題 51 表は、正弦波交流波形 A とその整流波形 B、C について、それぞれの平均 均値[V]および実効値[V]を⽰している.標柱の空欄箇所(ア)および 値[V]および実効値[V]を示している。表中の空白箇所 (ア) および (イ) に記 (イ)に記⼊する値として,正しい組み合わせはどれか.(国家試験 入する値として、正しい組合せはどれか。 33回) 波形 電圧[V] 100 • (ア) (イ) 1. 31.8 60.4 2. 31.8 70.7 3. 45.0 50.0 4. 45.0 60.4 5. 45.0 平均値[V] 実効値[V] 波形 A 0 電圧[V] 100 0 70.7 (ア) 50.0 63.7 (イ) 波形 B 0 電圧[V] 100 0 70.7 (ア) 0 波形 C 0.01 0.02 (イ) 0.03 0.04 時間[s] 0.05

58.

問題 問題 51 表は、正弦波交流波形 A とその整流波形 B、C について、それぞれの平均 値[V]および実効値[V]を示している。表中の空白箇所 (ア) および (イ) に記 • 表は,正弦波交流波形Aとその整流波形B,Cについて,それぞれの平均値[V]および実効値[V]を⽰している.標柱の空欄箇所(ア)お よび(イ)に記⼊する値として,正しい組み合わせはどれか.(国家試験33回) 入する値として、正しい組合せはどれか。 波形 電圧[V] 100 • (ア) (イ) 1. 31.8 60.4 2. 31.8 70.7 3. 45.0 50.0 4. 45.0 60.4 5. 45.0 70.7 平均値[V] 実効値[V] 波形 A 0 70.7 (ア) 50.0 63.7 (イ) 0 電圧[V] 100 波形 B 0 電圧[V] 100 0 (ア) 0 波形 C 0.01 0.02 0.03 0.04 時間[s] 0.05 (イ) 1.31.8 60.4 2.31.8 70.7 3.45.0 50.0 4.45.0 60.4 5.45.0 70.7 全波整流Cの実効値は,正弦波交流Aと同じなので(イ)は70.7である. 半波整流Bの平均値は,明らかに全波整流Cの半分なので(ア)は31.8である. 問題 52 理想演算増幅器について正しいのはどれか。 a.周波数帯域幅は無限大である。 b.出力インピーダンスは無限大である。 c.同相除去比(CMRR)はゼロである。 d.入力端子に流れ込む電流はゼロである。

59.

問題 • 全波整流回路として正しく動作するのはどれか.(国家試験28回)

60.

問題 • 全波整流回路として正しく動作するのはどれか.(国家試験28回)

61.

平滑回路

62.

平滑回路 • 半波整流回路も全波整流回路も出⼒は直流ではない. • より直流に近づけるためには,交流成分(脈流)を軽減する平滑回路 が必要となる. • 平滑回路とは,出⼒を直流に近づけるため,出⼒の凸凹を平らに,な めらかにする回路である. • しかし,交流電源から直流を得る場合,完全な直流にならず交流成分 が残ってしまう. • この交流分をリプルと呼ぶ.

63.

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) 問題 53 出力電圧 V o においてリプル率の最も小さい回路はどれか。 1. Vs 2. C Vs R Vo 3. 2C R Vo 4. Vs Vs C R Vo 2C 2R V o 5. Vs 2C R Vo

64.

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) 問題 53 出力電圧 V o においてリプル率の最も小さい回路はどれか。 1. 2. Vs C 2C Vs R Vo 3. R Vo 4. Vs Vs C R Vo 2C 2R V o 2C R Vo 5. Vs リプリとは直流成分ではない微小な変化のことである. 問題 54 図の回路について、正しいのはどれか。 まず,全波整流のほうが直流に近いので,1,3は間違いである. ただし、A は理想演算増幅器とする。 R 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. a.反転増幅回路である。 V R 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. b.入力抵抗は R である。 A c.二つの抵抗に流れる電流は等しい。 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. + V V よって答えは5となる.d.V は V に等しい。 f s s s i e.R s を無限大にすると V i = V o になる。 s i o

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