半導体21【電験3種理論】ダイオードのクリッパ回路の電圧-電流特性（V-Iグラフ）を判別する！平成24年度 A問題13 完全解説

2026年7月14日2026年8月9日

電験3種理論科目電子理論（半導体等）平成24年度 A問題13 ダイオードで波形を切る！V-I特性はどのグラフ？

今回は平成24年度理論科目 A問題13を解説します。抵抗R₁とダイオードからなるクリッパ回路に負荷R₂（＝2R₁）を接続した回路で、入力電圧VとR₁に流れる電流Iの関係（V-I特性）を表すグラフを選ぶ問題です。

ダイオードが導通するか遮断するかで回路の合成抵抗が変わり、V-I特性の傾きが折れ曲がります。V>0ではダイオードが導通してI=V/R₁、V<0では遮断されてI=V/(R₁+R₂)=V/3R₁となる点がポイントです。

平成24年度理論科目 A問題13：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。

電験3種理論科目半導体等平成24年度 A問題13 問題文 — 平成24年度理論科目 A問題13 問題文

出典：一般財団法人電気技術者試験センター「平成24年度第三種電気主任技術者試験」理論科目 A問題13

電験3種理論科目【電子理論（半導体等）】平成24年度 A問題13

　図は、抵抗R₁[Ω]とダイオードからなるクリッパ回路に、負荷となる抵抗R₂[Ω]（＝2R₁[Ω]）を接続した回路である。入力直流電圧V[V]とR₁[Ω]に流れる電流I[A]の関係を示す図として、最も近いものを選ぶ。

　ただし、順電流が流れているときのダイオードの電圧は0[V]とし、逆電圧が与えられているダイオードの電流は0[A]とする。

入力直流電圧V[V]とR₁[Ω]に流れる電流I[A]の関係を示す図（V-I特性）として、最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。ただし、順電流が流れているときのダイオードの電圧は0[V]、逆電圧が与えられているときのダイオードの電流は0[A]とする。

（1）原点を通る1本の直線（正負とも同じ傾き）。
（2）V<0ではI=0（横軸に沿う）、V>0では正の傾きの直線。
（3）原点から左右とも上昇するV字形（|V|に比例）。
（4）V<0で急な傾き、V>0で緩やかな傾きの折れ線。
（5）V<0で緩やかな傾き、V>0で急な傾きの折れ線。

図　抵抗R₁とダイオードのクリッパ回路に負荷R₂(=2R₁)を接続した回路（問題図）

出題のポイント：ダイオードのON・OFFで回路が2通りになる

ダイオードは「導通」か「遮断」かの2状態しかありません。入力電圧の符号でどちらになるかが決まり、そのたびに回路の形が変わります——だから $V$-$I$ 特性は折れ線になります。

回路は $R_1$ が直列、その先の節点に $R_2$ とダイオードが並列という構成です。ダイオードはアノードが節点側——節点が正のときに導通します。

理想ダイオードの2状態

$$\text{順方向}：V_D=0\ (\text{短絡})\qquad\text{逆方向}：I_D=0\ (\text{開放})$$

※問題文の「順電流が流れているときの電圧は0 V」「逆電圧のときの電流は0 A」が、まさにこの定義です。

ダイオードが導通すると節点が0 Vにクランプされます。すると $R_2$ には電圧がかからず、電流も流れません——$R_2$ が回路から消えたのと同じです。

平成24年度理論問13の理想ダイオード回路について、Vが正ならダイオードONでI=V/R1、Vが負ならOFFでI=V/(3R1)となる理由を元回路とともに示す解説 — 入力電圧の符号でダイオードの状態が切り替わり、有効な合成抵抗がR1と3R1に変わるため、V-Iグラフの傾きも変わります。

解説：正負2つの場合に分けて計算する

$$V>0：\text{ダイオード導通}\ \Rightarrow\ \text{節点}=0\ \mathrm{V}\ \Rightarrow\ I=\frac{V}{R_1}$$

❶ 正のとき
傾き $1/R_1$（急）

$$V<0：\text{ダイオード遮断}\ \Rightarrow\ R_1\ \text{と}\ R_2\ \text{の直列}$$

❷ 負のとき

$$I=\frac{V}{R_1+R_2}=\frac{V}{R_1+2R_1}=\frac{V}{3R_1}$$

❸ 傾きを計算
傾き $1/(3R_1)$（緩やか）

正側の傾きは負側の3倍です。$1/R_1$ と $1/(3R_1)$——原点を通り、第一象限が急・第三象限が緩い折れ線になります。

$R_1=100\ \Omega$ として数値で確かめると、$V=+100\ \mathrm{V}$ で $I=1\ \mathrm{A}$、$V=-100\ \mathrm{V}$ で $I=-0.33\ \mathrm{A}$——確かに3倍の差です。

Vが正のとき理想ダイオードを短絡に置き換え、節点電圧0V、R2電流0A、KVLからI=V/R1を導く等価回路付き解説 — V>0ではダイオードが順方向でONとなり、節点を0Vへクランプします。R2には電圧がかからず、電流はR1だけで決まります。

Vが負のとき理想ダイオードを開放に置き換え、R1とR2の直列回路からI=V/(3R1)を導き、節点電圧でOFF仮定を確認する解説 — V<0ではダイオードが逆方向でOFFとなります。R2=2R1を代入すると合成抵抗は3R1で、負側の傾きは正側の3分の1です。

答え原点を通り、$V>0$ で急・$V<0$ で緩やかな折れ線　→　選択肢(5)

誤答の正体：どちらの側が急か

選択肢	グラフの形	何が誤りか
(1)	原点を通る1本の直線	ダイオードの働きが反映されていない
(2)	片側だけ電流が流れる	逆側でも $R_1+R_2$ を通って電流は流れる
(3)	V字形（左右とも上昇）	負の電圧で正の電流は流れない
(4)	$V>0$ で緩やか	急・緩が逆
(5)	$V>0$ で急・$V<0$ で緩やか	正解

(4)が最も惜しい誤答です。折れ線になることは分かっているのに、急と緩が逆——「導通したほうが抵抗が小さいから傾きが急」と考えれば間違えません。

(3)のV字形は物理的にあり得ません。負の電圧をかけて正の電流が流れる——それは電源になってしまいます。受動回路では第一象限と第三象限しか通りません。

⚠️ よくある間違い
「ダイオードが導通すると抵抗が減る」——だから電流が流れやすく、傾きが急になります。遮断すると $R_2$ が直列に加わるので抵抗が増え、傾きは緩やかです。

☝️ ひっかけの作り方：$R_2=2R_1$ という条件を使い忘れないでください。これがあるから「3倍」という具体的な比が出ます。$R_2$ の値が違えば傾きの比も変わります。

深掘り①：数値で $V$-$I$ 特性を作ってみる

$R_1=100\ \Omega$、$R_2=200\ \Omega$ として、表を作ってみましょう。グラフの形が数字で確認できます。

$V$〔V〕	ダイオード	有効な抵抗	$I$〔A〕
+300	導通	$R_1=100\ \Omega$	+3.00
+100	導通	$R_1=100\ \Omega$	+1.00
0	境界	—	0
−100	遮断	$3R_1=300\ \Omega$	−0.33
−300	遮断	$3R_1=300\ \Omega$	−1.00

同じ大きさの電圧でも、正のときは3倍の電流が流れます。$+100\ \mathrm{V}$ で1 A、$-100\ \mathrm{V}$ で0.33 A——この非対称性がダイオードの働きです。

グラフは原点で「折れる」——2本の直線がつながった形です。不連続ではなく、傾きだけが変わります。

深掘り②：クリッパ回路とは何か

クリッパ（clipper）は「波形を切り取る」回路です。ダイオードを使って、電圧のある部分だけを通したり止めたりします。

回路	働き	用途
クリッパ（リミッタ）	波形の一部を切り取る	過大入力の保護・波形整形
クランパ	波形の位置（直流分）を移動	直流レベルの復元
整流回路	交流を直流にする	電源回路

クリッパは「形が変わる」、クランパは「位置だけ移動して形は同じ」——この違いで区別します。

本問の回路は、正の入力に対して出力（節点電圧）を0 Vに抑えます。入力波形の正の部分を切り取る——まさにクリッパの動作です。

実際の保護回路では、この構造で「機器に過大電圧がかからないようにする」のに使われます。入力保護のダイオードは、あらゆる電子機器に入っています。

深掘り③：理想ダイオードと実際のダイオード

本問は「順方向の電圧は0 V」という理想ダイオードで計算しました。実際にはどうなるかを知っておくと、実務につながります。

	理想ダイオード	実際のダイオード
順方向電圧	0 V	Si：約0.6〜0.7 V／Ge：約0.3 V／SBD：約0.3 V
逆方向電流	0 A	数 µA〜数 nA（漏れ電流）
切り替わり	0 Vできっぱり	なだらかな指数関数

実際のシリコンダイオードなら、$V$ が約0.7 Vを超えてから導通します。グラフの折れ点が原点から少しずれる——ただし電験3種では理想として扱うのが普通です。

問題文が「順電流が流れているときのダイオードの電圧は0 V」と明記しているのは、この理想化を宣言しているからです。但し書きは必ず読んでください。

⏱️ 本番での進め方
❶ ダイオードのON・OFFで場合分け——2つの回路を別々に計算。
❷ 導通すると節点が0 Vにクランプ——$R_2$ が消える。
❸ 抵抗が小さいほど傾きが急——導通側が急。
❹ 受動回路は第一・第三象限のみ——V字形の(3)は即消し。

💡 覚え方
「導通＝短絡、遮断＝開放」——理想ダイオードは0 Ωか∞Ωかの2択です。その2通りで回路を描き直せば、あとは単なる直流回路になります。