単相交流27【電験3種 理論】ダイオードのクリッパ回路で図の出力波形が得られる回路を選ぶ！平成30年度 A問題13 完全解説

今回は平成30年度 理論科目 A問題13を解説します。ダイオードD・抵抗R・直流電源Eからなるクリッパ回路に正弦波電圧v_i＝V_msinωtを入力したとき、図1の出力波形v_oが得られる回路を、図2の(a)〜(e)から選ぶ問題です。

クリッパ回路はダイオードのオン・オフで波形の一部を「切り取る」回路です。図1はv_iがEより低い区間で出力がE一定、Eより高い区間でv_o＝v_iとなる「下側クリップ」。各回路でダイオードの導通条件を調べます。

出題のポイント

平成30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 【電気回路（単相交流）】 平成30年度 A問題13

　図1は、ダイオードD、抵抗値R〔Ω〕の抵抗器、及び電圧E〔V〕の直流電源からなるクリッパ回路に、正弦波電圧v_i＝V_msinωt〔V〕（ただし、V_m＞E＞0）を入力したときの出力電圧v_o〔V〕の波形である。図2(a)〜(e)のうち図1の出力波形が得られる回路として、正しいものの組合せを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。ただし、ω〔rad/s〕は角周波数、t〔s〕は時間を表す。また、順電流が流れているときのダイオードの端子間電圧は0V、逆電圧が与えられているときのダイオードに流れる電流は0Aとする。

（1）(a),(e)　（2）(b),(d)　（3）(a),(d)　（4）(b),(c)　（5）(c),(e)

ポイント解説：ダイオードの導通条件で「切り取る」区間を見極める

図1の出力は、v_iがEより低い間は一定値E、v_iがEより高い間はv_i自身に等しくなっています。つまり「Eより下側をEで切り取る」クリッパで、出力はつねにE以上です。

この動作は、並列（シャント）位置に「ダイオードDと直流電源Eの直列」を置くと実現します。v_iがEより低いときDが導通して出力をEに固定し、v_iがEより高いときDが遮断して出力＝v_i（抵抗Rには電流が流れず電圧降下なし）となります。図2では(a)と(d)がこれに当たります。

問題の解説

STEP1　図1の波形を読む

出力v_oは、v_i＜Eの区間で一定値E、v_i＞Eの区間でv_o＝v_i。ピークはV_m、谷はEで平らになる「下側クリップ」波形です。

STEP2　この動作を作る回路の条件

並列枝にDとEの直列を置きます。v_i＜E→D導通→v_o＝E（Eで固定）。v_i＞E→D遮断→電流が流れずRの電圧降下0→v_o＝v_i。ダイオードの向きは「v_iが低いとき導通」となるように選びます。

STEP3　各回路を判定する

(a)：直列D＋並列(R＋E)。v_i＞EでD導通しv_o＝v_i、v_i＜EでD遮断しv_o＝E → 図1と一致。(d)：直列R＋並列(D＋E)。v_i＜EでD導通しv_o＝E、v_i＞EでD遮断しv_o＝v_i → 図1と一致。他はダイオードの向きや配置が逆で上側クリップ等になり不一致。よって(a),(d)の(3)です。

答え：(3)（(a)と(d)）

まとめ

図1の波形	vi＜EでE一定・vi＞Eでvo＝vi（下側クリップ）
動作	並列のD＋E直列でviが低いとき導通
該当回路	(a)と(d)
答え	(3)

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