応用情報技術者 2023年 春期 午前2 問22

ダイオードの半波整流【午前2解説】

正解の理由

解法ステップ

1. 回路の参照点を確認：下側端子がアース（0 V）であり、出力は上側端子の電位（上側出力 − 下側出力）を表す。
2. ダイオードの極性を判定：上側出力側の極が「ダイオードのカソード（負側）」、下側（アース）がアノード（正側）となっており、出力が負になるとアノード（0 V）→カソード（出力）へ順方向電流が流れて負側を0 Vに戻す（＝負側クランプ）。
3. 各半周期で導通状況を考える：
   • 入力が正の半周期：ダイオードは逆バイアス → 導通しない → 抵抗に電流が流れないので出力は入力と同じ（正の半波が出力）。
   • 入力が負の半周期：ダイオードは順バイアス → 導通して出力を0 Vにクランプ → 負電圧は出力に現れない（0 Vになる）。
4. 以上から出力波形は正半波がそのまま現れ、負半波は0 Vに張り付く形（半波整流の正出力）で ア と一致する。

選択肢別の誤答解説

• ア（正しい）
  正半波がそのまま出力され、負半波は0 Vにクランプされる波形。上の理由に一致する。
• イ（誤り）
  負半波のみが出力される波形。これが成り立つのはダイオードの向きが逆（上側がアノード、下側がカソード）で、正側をクランプする場合のみ。与えられた極性と順電圧条件では該当しない。
• ウ（誤り）
  出力が常に0 Vより上にオフセットしている表示になっているが、回路には直流電源やバイアスを作る要素がなく、入力が負になるたびに下がるはずの点で実際の挙動と一致しない。さらにダイオードの動作からして「一部だけ谷が0 Vに達する」形は説明できない。
• エ（誤り）
  連続して3山描かれるなど、不自然に周期性や山の数が限定されている図。入力は連続した正負の正弦波なので、負半周期がクランプされるかどうかで挙動は決まるが「3山だけ」などの限定は回路から導けない。

よくある誤解

• ダイオードの導通方向を見誤る：記号を正確に読み、アノード・カソードのどちらが接地されているかで「どちらの極性をクランプするか」が決まります。
• 抵抗があるから必ず電圧分割が起きると考える誤り：回路に負荷や電流路が無い（ダイオードがオフの状態）場合、抵抗に電流が流れず電圧降下は発生しないため出力は入力と等しくなります。
• 順電圧を無視しすぎる／過度に考える：本問は順電圧を0 Vとする理想条件なので、実用上は順電圧分だけクランプ電位がずれる点に注意（後述）。

補足コラム

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