今回は平成30年度 機械科目 B問題16を解説します。パワエレ17・18（令和6年度下期・令和5年度下期）と同じ数値・同じ図の3度目の再出題ですが、★今回は選択肢の並び順が異なる点に注意が必要です。
時刻t1前後は電流iRが増加中（Lの充電＝経路(A)）、時刻t2前後は電流が減少中（Lの放電＝経路(B)）と判定する考え方は同じです。
ほぼ同じ問題が 【機械】令和6年度下期B問題16／【機械】令和5年度下期B問題16 でも出題されています。出題パターンが固定なので、セットで解けば確実な得点源になります。
平成30年度 機械科目 B問題16：問題文と選択肢
まずは、実際の試験問題を確認してみましょう。
出典：一般財団法人 電気技術者試験センター「平成30年度 第三種電気主任技術者試験」機械科目 B問題16
電験3種 機械科目 【パワーエレクトロニクス】 平成30年度 B問題16
図1に示す降圧チョッパの回路は，電圧Eの直流電源，スイッチングする半導体バルブデバイスS，ダイオードD，リアクトルL，及び抵抗Rの負荷から構成されている。また，図2には，図1の回路に示すダイオードDの電圧vDと負荷の電流iRの波形を示す。次の(a)及び(b)の問に答えよ。
（a）降圧チョッパの回路動作に関し，図3〜図5に，実線で示した回路に流れる電流のループと方向を示した三つの電流経路を考える。図2の時刻t1及び時刻t2において，それぞれどの電流経路となるか。正しい組合せを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
時刻t1 時刻t2 (1) 電流経路(A) 電流経路(B) (2) 電流経路(A) 電流経路(C) (3) 電流経路(B) 電流経路(A) (4) 電流経路(B) 電流経路(C) (5) 電流経路(C) 電流経路(B) （b）電圧Eが100〔V〕，降圧チョッパの通流率が50〔％〕，負荷抵抗Rが2〔Ω〕とする。パワー半導体デバイスSは周期Tの高周波でスイッチングし，リアクトルLの平滑作用により，図2に示す電流iRのリプル成分は十分小さいとする。電流iRの平均値IR〔A〕として，最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
（1）17.7 （2）25.0 （3）35.4 （4）50.1 （5）70.7
出題のポイント：電流の傾きでスイッチの状態が分かる
(a)は電流経路を選ぶ問題ですが、波形の「傾き」を見るだけで判定できます——電流が増えているか減っているかで、スイッチのオン・オフが決まるからです。
| 負荷電流 iR の傾き | スイッチSの状態 | 電流の経路 | リアクトル |
| 増加している | オン | 電源 → S → L → R → 電源 | エネルギーを蓄える |
| 減少している | オフ | L → R → D → L の閉ループ | エネルギーを放出 |
スイッチがオンなら、電源電圧がリアクトルと負荷に加わります。リアクトルには電源電圧から負荷電圧を引いた分がかかり、電流が増える——だから傾きは正です。
オフになると電源が切り離され、リアクトルのエネルギーだけで電流が流れます。抵抗で消費されるので電流は減る——だから傾きは負になります。
時刻t1 は電流が増加中なので経路(A)、t2 は減少中なので経路(B)——波形の傾きだけで決まります。
ダイオード電圧 vD も手がかりになる
図2にはダイオードの電圧 vD も示されています。こちらからも同じ判定ができる——2つの波形が整合しているかを確認すれば、より確実です。
| スイッチS | ダイオードD | vD | iR の傾き |
| オン | 逆電圧で非導通 | 電源電圧 E（大きい） | 正（増加） |
| オフ | 導通（還流） | ほぼ0（順電圧降下のみ） | 負（減少） |
vD が E のときスイッチがオン、0 のときオフ——スイッチとダイオードが交代で働いていることが、2つの波形から確かめられます。
(b) 負荷電流の平均値
通流率50 %
オームの法則
⚠️ よくある間違い
(1) 17.7 Aと(3) 35.4 Aは、25.0 に 1/√2 や √2 を掛けた値です（25/√2＝17.7、25×√2＝35.4）。直流チョッパの計算に √2 は出てきません——交流の実効値と混同させる罠です。
(5) 70.7 Aは100/√2——通流率も抵抗も使っていない値になります。
√2 が出てくるのは交流の話です。チョッパは直流を直流に変換する回路——実効値と平均値の違いを考える場面はありません。「√2 が出てきたらおかしい」と気づければ、3肢が消えます。
同じ問題が3度出題されている
この問題は、同じ数値・同じ図で3度目の出題です。ただし選択肢の並び順が年度によって異なるため、正解の番号は毎回変わっています。
(a)の内容は「t1が経路(A)、t2が経路(B)」で共通ですが、その組合せが何番に置かれているかは年度しだい——番号で覚えていると必ず外します。
覚えるべきは「電流増加中＝電源から給電、減少中＝還流」という内容です。これさえ理解していれば、選択肢がどう並んでいても正しく選べます——3度の再出題が、そのことを繰り返し教えてくれているとも言えます。
(b)の25.0 A も同じです。VR＝dE、IR＝VR/R という2手——値も手順も変わりません。
⏱️ 本番での進め方
①(a) 電流が増加中＝スイッチオン＝電源から給電の経路。
② 減少中＝スイッチオフ＝ダイオードで還流する経路。
③(b) VR＝0.5×100＝50 V → IR＝50/2＝25 A。
④ 直流チョッパの計算に √2 は出てこない。17.7 や35.4 は罠。
💡 覚え方
「傾きが正ならオン、負ならオフ」——波形の傾きがそのままスイッチの状態。そして「直流に √2 は出てこない」——この2点で(a)(b)とも決着します。
リプルはどれくらいの大きさか
問題文は「リプル成分は十分小さい」としていますが、実際にどれくらいなのかを見ておくと、条件の意味が実感できます。
本問は d＝0.5 なので、リプルが最も大きくなる条件です。それでも「十分小さい」とされているのは、周波数が高くリアクトルが大きいから——問題文の「周期Tの高周波でスイッチング」という一言が効いています。
| 条件 | リプルへの影響 | 平均値への影響 |
| 周波数 f を上げる | 小さくなる | 変わらない |
| インダクタンス L を大きくする | 小さくなる | 変わらない |
| 通流率 d を0.5 に近づける | 大きくなる | 出力電圧が変わる |
リプルがどれだけ大きくても、平均値は dE/R のままです。だから(b)の計算に f も L も出てこない——「リプルは平均を動かさない」という性質が、計算を単純にしています。
ただしリプルが大きすぎると、電流の谷が0を下回ろうとして不連続モードになります。そうなると出力電圧が dE から外れてしまう——「リプルが十分小さい」という条件は、連続モードを保証しているのです。
条件文には必ず意味がある——「十分小さい」「十分大きい」といった表現は、計算を単純化してよいという合図です。その裏で何が保証されているのかまで読めると、問題の構造が見えてきます。
まとめ
| t1（電流増加） | 経路(A) |
| t2（電流減少） | 経路(B) |
| (a) | (1) |
| VR＝Ed | 50V |
| IR＝VR/R | 25.0A |
| 答え | (a)-(1)，(b)-(2) |
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