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 ダイオード 電解コンデンサ 2200μF トランス

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 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 E’= -E0sint ((2n+1)<t<2(n+1)) RMS E0 半波整流 脈流 全波整流

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。 ～ 負荷

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。 A C B D ～ ＋ 交流 電源 ダイオード ブリッジ 負荷

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 入力：脈流 出力：リップルを含む直流

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。 filament フィラメント cathode 陰極 anode 陽極

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 - + p形 n形 接合形成 ホールが拡散して Ｎ領域の電子と再結合 空乏層 p形 n形 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。 ID=(E-VD)/R 動作点 R ダイオード 特性 E VD ID

演習コーナー ダイオードの動作点 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。 ID VD

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。