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

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1 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

2 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。

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

11 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

12 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。

13 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)

14 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　

15 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）

16 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

17 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

18 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

19 問題コーナー 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。