電子回路18【電験3種 理論】エミッタ接地増幅回路の動作点と出力電圧を負荷線で求める！令和2年度 B問題18 完全解説

今回は令和2年度 理論科目 B問題18（選択問題）を解説します。エミッタ接地トランジスタ増幅回路で、(a)動作点V_CE=6Vのときのベース電流I_B、(b)交流信号を加えたときの出力電圧v_oの最大値を、出力特性（図2）と直流負荷線から求める問題です。

コレクタ側の直流負荷線 I_C＝(V_CC−V_CE)/R₂ を図2に描き、動作点や信号による変化を読み取ります。R₂=1kΩ、V_CC=12Vです。

令和2年度 理論科目 B問題18：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「令和2年度 第三種電気主任技術者試験」理論科目 B問題18

電験3種 理論科目 【電子理論（電子回路）】 令和2年度 B問題18

　図1に示すエミッタ接地トランジスタ増幅回路について、次の(a)及び(b)の問に答えよ。I_B・I_Cはベースとコレクタの直流電流、i_b・i_cはその信号分、V_CEはコレクタ-エミッタ間の直流電圧、v_ceはその信号分、v_oは出力電圧、V_CC=12Vはバイアス電源、R₂=1kΩは抵抗、C₁・C₂はコンデンサ（使用周波数でインピーダンスは無視できる）。図2はトランジスタの出力特性である。

(a) 動作点V_CE=V_CC/2=6Vに選ぶとき、動作点でのベース電流I_Bの値[μA]として、最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（1）20　（2）25　（3）30　（4）35　（5）40 μA

(b) この動作点で最大値10μAの交流信号電流i_bが加わったとき、図2の出力特性から求められる出力交流信号電圧v_o（=v_ce）の最大値[V]として、最も近いものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

（1）1.0　（2）1.5　（3）2.0　（4）2.5　（5）3.0 V

出題のポイント：直流負荷線から動作点と出力振幅を読む

直流負荷線はV_CE=12−1kΩ・I_Cです。V_CE=6VではI_C=6mAとなり、出力特性との交点からI_B=30μAなので(a)は(3)です。i_b=±10μAではI_Bが20〜40μAとなり、V_CEは約8〜4Vへ変化します。中心6Vからの振幅は2.0Vなので(b)も(3)です。

解説(a)：V_CE=6 Vの動作点からI_Bを求める

解説(b)：動作点のまわりでどれだけ振れるか

\(i_b\) の最大値が \(10\ \mathrm{\mu A}\) なので、\(I_B\) は \(30\pm10\)、つまり 20〜40 µA の間を往復します。その両端で \(V_{CE}\) がいくつになるかを読めば、振幅がわかります。

\(I_B\)	図2の \(I_C\)	負荷線上の \(V_{CE}=12-I_C\)	動作点からのずれ
\(40\ \mathrm{\mu A}\)	\(8\ \mathrm{mA}\)	\(4\ \mathrm{V}\)	\(-2\ \mathrm{V}\)
\(30\ \mathrm{\mu A}\)	\(6\ \mathrm{mA}\)	\(6\ \mathrm{V}\)	動作点
\(20\ \mathrm{\mu A}\)	\(4\ \mathrm{mA}\)	\(8\ \mathrm{V}\)	\(+2\ \mathrm{V}\)

グラフを読まずに式だけでも出せます——\(v_o=R_2\,i_c=R_2h_{fe}i_b=1\ \mathrm{k}\times200\times10\ \mathrm{\mu A}=2.0\ \mathrm{V}\)。(a)で求めた \(h_{FE}=200\) がそのまま使えます。

解説(b)：ベース電流の変化から出力電圧振幅を求める

(b)の選択肢	値	どう間違えると出るか
(1)	\(1.0\ \mathrm{V}\)	\(i_b\) を \(5\ \mathrm{\mu A}\) と読んだ
(2)	\(1.5\ \mathrm{V}\)	\(h_{fe}\) を 150 と誤読
(3)	\(2.0\ \mathrm{V}\)	◎ 正解
(4)	\(2.5\ \mathrm{V}\)	グラフの読み取り誤差
(5)	\(3.0\ \mathrm{V}\)	★4 V〜8 V の全幅 4 V を…と混乱した形

いちばん危ないのは「最大値」と「全振幅（ピーク・ツー・ピーク）」の取り違えです。本問は 4 V〜8 V の間を振れるので全幅は 4 V ですが、聞かれているのは最大値＝片側の 2 V です。

深掘り①：動作点を \(V_{CC}/2\) に置く理由

負荷線の上で \(V_{CE}\) は 0 V〜12 V の間を動けます。動作点を真ん中の 6 V に置けば、上にも下にも 6 V ずつ余裕がある——これが最大の出力振幅を取れる位置です。

動作点が上に寄りすぎると、信号の山が飽和領域に入って頭が潰れます。下に寄りすぎると谷が遮断領域に入って底が切れます——どちらも波形ひずみです。

動作点を中央に置いて全周期を増幅するのがA級増幅です。ひずみは小さいが、無信号でも電流が流れ続けるので効率が悪い（理論最大50 %）という弱点があります。

効率を上げたいときは、動作点を遮断点付近に下げて半周期だけ増幅するB級にします。2個のトランジスタで上下を分担するのがプッシュプル回路です。

深掘り②：交流負荷線という考え方

本問の \(R_2\) はコレクタ抵抗そのものですが、実際の増幅回路では結合コンデンサの先に負荷 \(R_L\) がつながります。

直流的には \(R_L\) はコンデンサで切り離されているので効きませんが、交流的には \(R_2\) と並列になります——だから交流の傾きは直流より急になります。

この交流用の直線を交流負荷線と呼びます。動作点は共通で、そこから傾きの違う2本の直線が伸びている——直流と交流で見える抵抗が違うからです。

深掘り③：グラフを読む問題の進め方

グラフ問題は、読み取り誤差が入る作業をできるだけ減らすのがコツです。読むのは「負荷線の両端」と「交点の曲線ラベル」だけ——値そのものは式で計算します。

本問なら、\(V_{CE}=6\ \mathrm{V}\) は問題文が与えてくれています。\(I_C\) は式で 6 mA と出せるので、グラフでは「6 mA を通る曲線はどれか」だけを見ればよいのです。

出題履歴：出力特性からの読み取りはB問題の定番

トランジスタの出力特性と負荷線は、B問題で繰り返し問われるテーマです。平成30年度B問題16、令和6年度下期A問題13など、同じ図の読み方が使えます。

この分野はほぼ毎年どこかで出題されます。手を動かして解ける状態にしておけば、本番で確実に得点できます。

まとめ

直流負荷線	IC=(12−VCE)/1
(a)動作点	VCE=6V,IC=6mA→IB=30μA→(3)
(b)IB範囲	30±10=20〜40μA
VCEの振れ	4V〜8V=6±2V
(b)vo最大	2V→(3)

▼あわせて解きたい関連問題
・演算増幅器と正相・逆相増幅回路（電子回路17）：【理論】令和2年度 A問題13