□ H20年12月期 A-17  Code:[HG0404] : 直列形定電圧回路の動作原理の回路図による説明
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05/14 04月期問題頁掲載
01/11 12月期問題頁掲載
2021年
10/17 09月期問題頁掲載
H2012A17 Counter
無線工学 > 1アマ > H20年12月期 > A-17
A-17 次の記述は、図に示す直列形定電圧回路について述べたものである。[ ]内に入れるべき字句の正しい組合せを下の番号から選べ。
(1) 出力電圧V0は、VZよりVBEだけ[A]電圧である。
(2) 出力電圧V0が低下すると、トランジスタTrのベース電圧はツェナーダイオードDZにより一定電圧VZに保たれているので、ベース・エミッタ間電圧VBEの大きさが[B]する。したがって、ベース電流及びコレクタ電流が増加して、出力電圧を上昇させる。また、反対に出力電圧V0が上昇するとこの逆の動作をして、出力電圧は常に一定電圧となる。
(3) 過負荷又は出力の短絡に対する、トランジスタTrの保護回路が[C]である。


低い 増加 必要
低い 減少 不要
低い 増加 不要
高い 減少 不要
高い 増加 必要
問題図 H2012A17a
Fig.H2012A17a

 まず、直列形定電圧回路の動作原理を簡単に見ておきましょう。その後で、この回路の動作を分析してみることにします。

[1]直列(シリーズ)形定電圧回路の構成と動作

 俗に、シリーズレギュレータと呼ばれる定電圧回路です。この回路の構成は、概略Fig.HG0404_aの左上のような構成になっています。
Fig.HG0404_a 直列形定電圧電源の動作原理
Fig.HG0404_a
直列形定電圧電源の動作原理
 フィードバック回路が出力電圧を常に監視しています。フィードバック回路の中には、基準となる電圧源があって、その基準に対して出力が低いか高いかを、電流制御回路に出力します。電流制御回路では、フィードバック回路から与えられた信号を元に、電流制限を強めたり弱めたりします。電流制御回路が負荷(出力)に直列に入っているので、「直列形」と呼ぶわけです。
 実際の電源装置では、フィードバック回路はトランジスタやオペアンプなどの増幅器と定電圧ダイオードの組合せ、電流制御回路はパワートランジスタが1個又は数個からなっています。
 この回路が負荷の変動(または入力電圧の変動)に応じて、どのように動作するかを追って、理解してみることにします。
  • 出力電圧が上昇しようとした時(Fig.HG0404_a右上)
    入力電圧が上昇した、あるいは、負荷が軽くなった、などの理由で出力電圧が上昇しようとした時は、フィードバック回路が電流制御回路に制限を強めるような信号を出します。
    実際には、トランジスタなどに加えるバイアスを減少させます。すると、電流制御回路での電圧降下が大きくなり、負荷端の電圧上昇が抑えられることになります。
  • 出力電圧が低下しようとした時(Fig.HG0404_a右下)
    上とは逆に、入力電圧が低下したり、負荷が重くなった、などの理由で出力電圧が低下しようとした時には、フィードバック回路が電流制御回路に制限を弱めるような信号を出します。
    実際の装置では、トランジスタのバイアス電流を増加させ、電流制限回路での電圧降下を小さくして、負荷の電圧を一定に保ちます。
 次に、特徴とその理由をまとめておきます。
  • 効率
    並列形よりは高い。負荷電流が少ない時は、電流制御回路に流れる電流も少なく、発熱が少ないため。
  • 短絡保護回路
    必要。負荷が短絡すると、電源側からの電流が無限に流れようとするので、電流制御回路が破損するおそれがあるため。
  • 電圧可変範囲
    並列形よりは広い。負荷に直列に電流制限回路が入る形なので、ここでの電圧降下を直接制御すればよいため。
  • トランジスタの耐圧と出力電圧
    トランジスタの耐圧(VCBO又はVCEO)は出力電圧よりも低くても可。出力が100 [V]でも入力が約120 [V]なら、トランジスタの電圧降下は20 [V]程で済むため。
 ここまで読んで、「何だか説明がおかしいぞ」と思われた方もいるかも知れません。問題の回路には、Fig.HG0404_aのような「フィードバック回路」なんて見当たらないからです。実はツェナダイオードとトランジスタの組合せそのものがフィードバック回路なのですが、それはこの後の説明で。

[2]問題の回路の動作…フィードバック回路はどこに?

 ここからは、問題の回路の分析に移りましょう。
 まず、回路の「左半分」である抵抗とツェナダイオードの部分の役割です。ツェナダイオードは、このように抵抗を通して逆バイアスをかけると、逆方向電流の大きさに関わらず、その両端の電圧がほぼ一定になる性質を持つダイオードでした。従って、この回路においても、RとDZが接続された点の電位VZは、入力や負荷の変動に関わらず、一定に保たれます。
 また、トランジスタTrの内部を見てみると、トランジスタが増幅動作している時は、ベース電位はエミッタ電位よりもVBE(VBE>0)だけ高くなっています。これは、トランジスタのベース−エミッタ間が、そこだけを見ればPN接合ダイオードが順バイアスされた状態で電流が流れているのと同じためです。VBEはシリコントランジスタで0.7 [V]程度になり、ベース電流や温度で少し変化します。
 ここで、出力電圧VOとVZ、VBEの関係を見てみると、
 VO=VZ−VBE …(1)
となりますが、(1)式をVZについて解くと、
 VZ=VO+VBE …(2)
となることが分かります。
 VZは一定なので、出力VOが変動した時のことを考えてみます。(2)式の右辺で、変動要因はVOで「フィードバック制御」で、それを打ち消すように変化するのがVBEなので、
  • Oが低下した時
    BEが増加コレクタ電流の増加=出力電流の増加出力電圧VO上昇
  • Oが上昇した時
    BEが減少コレクタ電流の減少=出力電流の減少出力電圧VO降下
という動作をして、常に出力電圧の変動と逆の方向に制御が働き、出力電圧が安定します。
 動作は分かりましたが、結局「フィードバック回路」はどこにあるのでしょうか?
 この定電圧回路では、あえて言えば、モノとしてはツェナダイオード+トランジスタそのものが「フィードバック回路」ということになります。負荷の変動をVBEの変化に換え、マイナス方向のVOの変動がコレクタ電流(≒出力電流)のプラスの変化に変換される、という仕組み自体が、配線図では表されない、デバイスの性質を利用した「フィードバック回路」なわけです。
 この回路には、温度変化でVZやVBEが変化したり、負荷電流でVBEが変化するなど、改良の余地はありますが、部品点数が少なくシンプルなため、ちょっとした安定化が必要な電源としてよく用いられています。

それでは、解答に移ります。
 …(1)式より、VOはVZよりVBEだけ低い電圧です
 …(2)式より、VOが低下すると、代わりにVBE増加します
 …直列形では負荷電流がTrを流れるため、保護回路が必要です
となりますから、正解はと分かります。