直流回路27【電験3種 理論】直流安定化電源の定電流・定電圧モード切換で電流波形を求める！令和3年度 A問題6 完全解説

今回は令和3年度 理論科目 A問題6を解説します。上限100A・20Vの直流安定化電源に3つの抵抗（R₁＝R₂＝0.1Ω、R₃＝0.8Ω）とスイッチが接続され、SW₁・SW₂を順に開いたときの電流I〔A〕の波形を選ぶ問題です。

安定化電源は「電流が上限100Aを超えないよう」かつ「電圧が上限20Vを超えないよう」制御します。負荷抵抗が増えて必要電圧が20Vを超えると、定電流100Aから定電圧20Vモードに切り替わります。

出題のポイント

令和3年度 理論科目 A問題6：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（直流回路）】 令和3年度 A問題6

　直流の出力電流又は出力電圧が常に一定の値になるように制御された電源を直流安定化電源と呼ぶ。直流安定化電源の出力電流や出力電圧にはそれぞれ上限値があり、一定電流（定電流モード）又は一定電圧（定電圧モード）で制御されている際に負荷の変化によってどちらかの上限値を超えると、定電流モードと定電圧モードとの間で切り替わる。

　図のように、直流安定化電源（上限値：100A、20V）、三つの抵抗（R₁＝R₂＝0.1Ω、R₃＝0.8Ω）、二つのスイッチ（SW₁、SW₂）で構成されている回路がある。両スイッチを閉じ、回路を流れる電流I＝100Aの定電流モードを維持している状態において、時刻t＝t₁〔s〕でSW₁を開き、時刻t＝t₂〔s〕でSW₂を開くとき、I〔A〕の波形として、正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

時刻t₁でSW₁を開き、時刻t₂でSW₂を開くときの電流I〔A〕の波形として、正しいものを下図の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。

ポイント解説：SW開閉で負荷抵抗が増加、20Vを超えると定電圧へ

SW₁はR₂に、SW₂はR₃に並列で、閉じている間は各抵抗を短絡します。両方閉のとき負荷はR₁＝0.1Ωだけです。

定電流100Aを流すのに必要な電圧が20Vを超えると、電源は定電圧20Vモードに切り替わり、電流は減少します。各段階で必要電圧を確認します。

問題の解説

STEP1　両SW閉〜t₁（負荷R₁のみ）

負荷＝R₁＝0.1Ω。100A流すのに必要な電圧は100×0.1＝10V（≤20V）。定電流100Aを維持します。

STEP2　t₁〜t₂（SW₁開、R₁＋R₂）

負荷＝R₁＋R₂＝0.2Ω。必要電圧は100×0.2＝20V（＝上限ちょうど）。まだ定電流100Aを維持します。

STEP3　t₂以降（SW₂開、R₁＋R₂＋R₃）

負荷＝0.1＋0.1＋0.8＝1.0Ω。100A流すと100V必要で20Vを超えるため、定電圧20Vモードに切替。$$I=\frac{20}{1.0}=20\;[\mathrm{A}]$$よって波形は100A（〜t₂）→20A（t₂以降）で(2)です。

答え：(2)（100A→t₂で20Aに低下）

まとめ

〜t1	R1＝0.1Ω、10V、100A
t1〜t2	0.2Ω、20V、100A
t2〜	1.0Ω→定電圧20V、20A
答え	100A→20A …(2)

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