《理論》〈電気回路〉[H30:問13]ダイオードによるクリッパ回路の出力波形に関する論説問題

【問題】

【難易度】★★★★☆（やや難しい）

図1は，ダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)，抵抗値\( \ R \ \mathrm {[\Omega ]} \ \)の抵抗器，及び電圧\( \ E \ \mathrm {[V]} \ \)の直流電源からなるクリッパ回路に，正弦波電圧\( \ v_{\mathrm {i}}=V_{\mathrm {m}}\sin \omega t \ \mathrm {[V]} \ \)(ただし，\( V_{\mathrm {m}}＞E＞0\))を入力したときの出力電圧\( \ v_{0} \ \mathrm {[V]} \ \)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，\( \ \omega \ \mathrm {[rad／s]} \ \)は角周波数，\( \ t \ \mathrm {[s]} \ \)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\( \ 0 \ \mathrm {V} \ \)とし，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\( \ 0 \ \mathrm {A} \ \)とする。

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

【ワンポイント解説】

機械科目のパワーエレクトロニクスのような問題です。計算は必要ありませんが，概念をきちんと理解していないと解けない問題です。試験では１問５分程度で解く必要がありますので，本問で言えば1回路当たり1分で導出する必要があります。

【解答】

解答：(3)
(a)
ダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)が導通するのは\( \ v_{\mathrm {i}}＞E \ \)の時であり，そのときの出力電圧\( \ v_{0} \ \)は\( \ v_{\mathrm {i}} \ \)と等しくなる。
また，\( \ v_{\mathrm {i}}＜E \ \)の時，ダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)は導通せず，回路には電流が流れないため，出力電圧\( \ v_{0} \ \)は\( \ E \ \)となる。
よって波形は下図のようになる。

(b)
ダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)が導通するのは\( \ v_{\mathrm {i}}＜-E \ \)の時であり，そのときの出力電圧\( \ v_{0} \ \)は\( \ v_{\mathrm {i}} \ \)と等しくなる。
また，\( \ v_{\mathrm {i}}＞-E \ \)の時，ダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)は導通せず，回路には電流が流れないため，出力電圧\( \ v_{0} \ \)は\( \ -E \ \)となる。
よって波形は下図のようになる。

(c)
ダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)が導通するのは\( \ v_{\mathrm {i}}＜E \ \)の時であり，そのときの出力電圧\( \ v_{0} \ \)は\( \ v_{\mathrm {i}} \ \)と等しくなる。
また，\( \ v_{\mathrm {i}}＞E \ \)の時，ダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)は導通せず，回路には電流が流れないため，出力電圧\( \ v_{0} \ \)は\( \ E \ \)となる。
よって波形は下図のようになる。

(d)
ダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)が導通するのは\( \ v_{\mathrm {i}}＜E \ \)の時であり，そのときの出力電圧\( \ v_{0} \ \)は\( \ E \ \)となる。
また，\( \ v_{\mathrm {i}}＞E \ \)の時，ダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)は導通せず，回路には電流が流れないため，出力電圧\( \ v_{0} \ \)は\( \ v_{\mathrm {i}} \ \)と等しくなる。
よって波形は下図のようになる。

(e)
ダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)が導通するのは\( \ v_{\mathrm {i}}＞E \ \)の時であり，そのときの出力電圧\( \ v_{0} \ \)は\( \ E \ \)となる。
また，\( \ v_{\mathrm {i}}＜E \ \)の時，ダイオード\( \ \mathrm {D} \ \)は導通せず，回路には電流が流れないため，出力電圧\( \ v_{0} \ \)は\( \ v_{\mathrm {i}} \ \)と等しくなる。
よって波形は下図のようになる。