Transcript エレクトロニクスII 第2回：ACアダプター ダイオードと整流回路

エレクトロニクスII第２回：
ACアダプターを分解しよう
ーダイオードと整流回路ー
佐藤勝昭
ACアダプター
• 電話機、ノートパソコン、液晶テレビ・・
多くのエレクトロニクス機器にはACアダプターが必要で
す。電灯線はAC 100Vです。これをエレクトロニクス機器
に必要なDC 6V, 12V, 15Vに変換するのがACアダプ
ターです。
– AC=alternating current (交流)、DC=direct current (直流)
• 構成は、トランス、全波整流ダイオードブリッジ、コンデン
サーというシンプルなものです。
実体験コーナー
ACアダプターを分解すると
• トランス、４本のダイオード、
電解コンデンサからできている
ここにドライバを入れて
ハンマーで叩くと分解
トランス
ダイオード
電解コンデンサ
2200μF
実体験コーナー
ACアダプターの回路図
• タップつきトランスを用いる方法
• ダイオードブリッジを使う方法
いま分解した
アダプターの回路
実体験コーナー
トランスの役割
• 電灯線の100Vを必要な低圧
に変換
• 磁性体巻き心に１次コイルと
２次コイルを巻いたもの
• 電圧比は１次コイルと２次コ
イルの巻き数比で決まる。
軟磁性体の磁心
1次コイル
２次コイル
実体験コーナー
整流－半波整流と全波整流－
交流
RMS
E0
半波整流
• 電灯線：交流、正負の極性
が時間とともに正弦波的に
周期的に変化E=E0sint
• 半波整流：一方の極性の
みをとる
E’= E0sint
(2n<t<(2n+1))
E’=0 ((2n+1)<t<2(n+1))
• 全波整流：絶対値をとる
脈流
全波整流
E’= E0sint
(2n<t<(2n+1))
E’= -E0sint
((2n+1)<t<2(n+1))
半導体ダイオードと整流作用
• 半導体のｐｎ接合はｐ側が正のとき、ある閾値を超えると
電流がよく流れる（順方向）
• 逆方向に電圧を加えると
電流が流れにくい
• ツェナー電圧を超えると
急に電流が流れる
ツェナー電圧
スケール拡大
ダイオードを用いた半波整流
• ダイオードは、スイッチとして働く
• 負荷と直列にダイオードを入れるだけで半波整流
ができる。
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
～
負荷
0
5
10
15
ダイオードブリッジを用いた全波整流
• Aの電位がCより高いとA→B, D→Cのスイッチが開くの
でBが正, Dが負になる。
• Cの電位がAより高いと、D→A, C→Bのスイッチが開きB
が正, Dが負となる。
～
交流
電源
D
B
D
B
C
C
ダイオード
ブリッジ
A
A
A
負荷
＋
B
D
C
コンデンサの役割は？
• 脈流をコンデンサで平滑化して滑らかな直流を得る
• RC回路は積分作用をもち、低域濾波器となる
出力：リップルを含む直流
入力：脈流
1.2
0.8
1
0.6
0.8
0.6
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
0
2
4
6
8
10
12
14
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
うんちくコーナー
ダイオードの元の意味は二極管
• ダイオードの元の意味は、２極管（カソードとアノードのみ
からなる真空管）です。整流作用をもち、交流を単極性
の脈流に変える作用があります。
• 現在では、２極管と同じ整流作用をもつ半導体素子をダ
イオードといいます。
anode
陽極
cathode
陰極
filament
フィラメント
発展コーナー
半導体(semiconductor)とは
• 導体(金属)と不導体(絶縁物)の中間的な導電性
をもつ物質
• 金属では、温度上昇とともに導電性が低下する
（＝電気抵抗が上がる）が、半導体では温度上昇
とともに導電性が向上する(=電気抵抗が下がる)
• 半導体を特徴づけるのは、そのエネルギー状態
に電子の詰まった「価電子帯」と、電子がほとんど
占有しない「伝導帯」とがあり、両者を隔てる「バ
ンドギャップ」が存在することである。
発展コーナー
半導体の抵抗率
• (佐藤・越田：応用電子物性工学 図4.2)
発展コーナー
半導体の電気抵抗率の温度変化
•
佐藤・越田：応用電子物性工学
発展コーナー
半導体ｐｎ接合とは？
• ｐ形半導体：ホールがキャリアである半導体(例：B（ホウ素）添加
Si)
• ｎ形半導体：電子がキャリアである半導体 (例：P（リン）添加Si)
• ｐ形半導体とｎ形半導体を接合すると、電子・ホールの拡散により、
接合部に空乏層ができ、拡散電位差が発生する。
• 整流用ダイオードも、発光ダイオード(LED=light emitting diode)、
半導体レーザ(LD=laser diode)も、フォトダイオード(PD)、電荷結
合撮像素子(CCD=charge coupled device)もｐｎ接合が基本
• （物理システム工学実験I,IIテキスト、Fディジタル回路のp.140「F2 トランジスタ
でディジタル回路を作る」参照）
発展コーナー
ｐｎ接合の原理
• ｐ形半導体とｎ形半導体を接合すると、ｐ形側からホールがｎ形側
に、ｎ形側から電子がｐ形側に拡散する。
• すると境界には、ｐ形側ではホールのいなくなった（負に帯電した）
部分が、ｎ形側では電子がいなくなった（正に帯電した）部分がで
きる。この領域を「空乏層」という。
• この領域では、正負電荷の間に電位差が生じ、これ以上の電荷
移動を防いでいる。この電位差を「拡散電位差」または「内蔵電位
差」という。
p形
n形
接合形成
p形
ホールが拡散して
Ｎ領域の電子と再結合
n形
p形
-
+
+
+
n形
空乏層
電子が拡散して
Ｐ領域のホールと
再結合
演習コーナー
ダイオードの動作点
• 整流性：ダイオードは、理想的にはスイッチと考えられる。
• 実際には、閾(しきい)特性をもつので、スイッチ動作させるには、
ある電圧を必要とする。
• 動作点とは、ダイオードに実際にかかっている電圧と、流れている
電流で表される点
• ダイオードのIDとVDの関係はグラフで与えられる。キルヒホフの法
則からID=(E-VD)/R
• 両方を満足させるのは、交点である。これを動作点という。
VD
E
ID
ダイオード
特性
R
ID=(E-VD)/R
動作点
演習コーナー
ダイオードの動作点
ID
VD
• あるダイオードの順方向特性
は右図で表されるとする。この
とき次の問に答えよ。
• (1) 順電圧VD(V)
• ダイオードに直列に100の
抵抗を接続し、直列回路の両
端に7Vの直流電圧を順方向
になるように加えたとき、ダイ
オードに流れる電流ID、ダイ
オードの両端の電圧VD、抵抗
の両端の電圧VRを図に負荷
線を描いて求めよ。
問題コーナー
• 配布した紙に学年、学籍番号、氏名、連絡用メー
ルアドレスを書いて下さい。（なければ、学籍番号
のアドレスy225***@ug.tuat.ac.jpにメールしま
す。）
• pn接合ダイオードのI-V特性を測定するには、ど
のような装置を用意し、どのような配線をすれば
よいかを考えて、具体的なやり方を書いて下さい。