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。