38PM54｜第38回 臨床工学技士国家試験 過去問

正答

3

この問題のポイント

この問題では、ツェナーダイオードによる電圧制限回路の入出力特性が問われています。

図の回路では、入力電圧V_iが1 kΩの抵抗を通って出力端子V_oに加わり、出力端子にはツェナーダイオードが接続されています。

ツェナー電圧が3 Vなので、理想特性では次のように考えます。

• V_i が 3 V 未満：ツェナーダイオードは動作せず、V_o = V_i
• V_i が 3 V 以上：ツェナーダイオードが降伏し、V_o = 3 V に制限される

したがって、グラフはV_i = 3 Vまでは直線的に増加し、その後は3 Vで一定となる選択肢3です。

解説

ツェナーダイオードは、逆方向に一定以上の電圧が加わると、ツェナー降伏により電流が流れ、端子間電圧をほぼ一定に保つ素子です。

この問題では「ツェナー電圧3 V」「理想特性」とあるため、ツェナー動作時には出力電圧が正確に3 Vに固定されると考えます。

まず、V_iが0〜3 Vの範囲では、ツェナーダイオードは降伏していません。理想的にはダイオードに電流が流れないため、1 kΩ抵抗にも電流が流れません。

抵抗に電流が流れなければ、抵抗での電圧降下はありません。

• 抵抗の電圧降下 = 0 V
• よって V_o = V_i

次に、V_iが3 Vを超えると、ツェナーダイオードが逆方向降伏します。理想ツェナーダイオードでは、出力端子の電圧はツェナー電圧である3 Vに保たれます。

このとき、入力電圧のうち3 Vを超えた分は、1 kΩ抵抗にかかります。

• V_o = 3 V
• 抵抗にかかる電圧 = V_i - 3 V

したがって、V_iとV_oの関係は次のようになります。

• 0 ≦ V_i ≦ 3 V：V_o = V_i
• V_i ≧ 3 V：V_o = 3 V

図で見るポイント
回路図では、出力端子V_oにツェナーダイオードが並列に接続されています。これは出力電圧を一定値で制限する基本形です。

ひっかけポイント
ツェナーダイオードは、3 Vを超えた瞬間に出力が0 Vになるわけではありません。出力電圧を3 Vにクランプすると考えます。

選択肢の確認

1．誤り。
V_iが3 V未満でV_oが0 V、3 V以上で突然3 Vになる階段状のグラフです。実際には、3 V未満ではV_o = V_iとなります。

2．誤り。
V_i = 3 Vまでは増加しますが、その後V_oが低下しています。ツェナーダイオードによる電圧制限では、3 V以上でV_oは3 Vに保たれます。

3．正しい。
V_iが3 VまではV_o = V_iとして直線的に増加し、3 Vを超えるとツェナーダイオードによりV_o = 3 Vに制限されます。

4．誤り。
V_iが3 V未満でもV_oが3 Vで一定になっています。入力が3 V未満のときはツェナーダイオードは降伏せず、V_o = V_iです。

5．誤り。
V_iが3 Vを超えるとV_oが0 Vになっています。ツェナーダイオードは出力を0 Vに落とすのではなく、3 Vに制限します。

覚えるポイント

• ツェナーダイオードは逆方向降伏で一定電圧を保ちます。
• ツェナー電圧3 Vなら、理想的にはV_oは3 Vでクランプされます。
• 降伏前はダイオードに電流が流れず、抵抗の電圧降下は0です。
• 0〜3 Vでは V_o = V_i です。
• 3 V以上では V_o = 3 V です。