令和4年度 上期 電験3種 理論 問18の過去問解説

令和4年度 上期 電験3種 理論 問18

図1、図2及び図3は、トランジスタ増幅器のバイアス回路を示す。次の(a)及び(b)の問に答えよ。
ただし、$V_{CC}$は電源電圧、$V_B$はベース電圧、$I_B$はベース電流、$I_C$はコレクタ電流、$I_E$はエミッタ電流、$R$、$R_B$、$R_C$及び$R_E$は抵抗を示す。


図1

図2

図3

(a)次の①式、②式及び③式は、図1、図2及び図3のいずれかの回路のベース・エミッタ間の電圧$V_{BE}$を示す。

$$V_{BE}=V_B-I_E・R_E\tag{①}$$

$$V_{BE}=V_{CC}-I_B・R$$

$$V_{BE}=V_{CC}-I_B・R-I_E・R_C$$

上記の式と図の組合せとして、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

①式 ②式 ③式
(1) 図1 図2 図3
(2) 図2 図3 図1
(3) 図3 図1 図2
(4) 図1 図3 図2
(5) 図3 図2 図1

(b)次の文章a、b及びcは、それぞれのバイアス回路における周囲温度の変化と電流$I_C$との関係について述べたものである。
ただし、$h_{FE}$は直流電流増幅率を表す。

a 温度上昇により$h_{FE}$が増加すると$I_C$が増加し、バイアス安定度が悪いバイアス回路の図は(ア)である。

b $h_{FE}$の変化により$I_C$が増加しようとすると、$V_B$はほぼ一定であるから$V_{BE}$が減少するので、$I_C$や$I_E$の増加を妨げるように働く。$I_C$の変化の割合が比較的低く、バイアス安定度が良いものの、電力損失が大きいバイアス回路の図は(イ)である。

c $h_{FE}$の変化により$I_C$が増加しようとすると、$R_C$の電圧降下も増加することでコレクタ・エミッタ間の電圧$V_{CE}$が低下する。これにより$R$の電圧が減少して$I_B$が減少するので、$I_C$の増加が抑えられるバイアス回路の図は(ウ)である。

上記の記述中の空白箇所(ア)~(ウ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。

(ア) (イ) (ウ)
(1) 図1 図2 図3
(2) 図2 図3 図1
(3) 図3 図1 図2
(4) 図1 図3 図2
(5) 図2 図1 図3

解答・解説

正解(a):(3)、(b):(4)

(a)

下図の対応関係から、正解は(3)になります。

式①と問題図3

式②と問題図1

式③と問題図2

 (b)

電流増幅率$h_{FE}$は、

$$I_C=h_{FE}I_B$$

の関係があるので、温度上昇で$h_{FE}$が大きくなり$I_C$が増加した際に、$I_B$が抑制されるかを見ていきます。

問題図1の回路において、問題の式②より、

$$I_B=\frac{V_{CC}-V_{BE}}{R}$$

となります。

$V_{CC}$、$V_{BE}$がともに一定であることから、$I_B$も一定です。

この時、$h_{FE}$が増加すれば$I_C$が増加するので、安定性が悪くなります。

同様に考えていけば、図2に関しては問題の式③より、

$$I_B=\frac{V_{CC}-V_{BE}-I_ER_C}{R}$$

であり、$I_C$の増加にともない$I_E$が増加すれば$I_B$が抑制され、結果的に$I_C$も抑制されます。

図3では$I_B$が非常に小さいと仮定すれば、$V_B$は$V_{CC}$を$R$と$R_B$で分圧するので、

$$V_B=\frac{R_B}{R+R_B}V_{CC}$$

となります。

よって、$V_B$がほぼ一定になります。

さらに、

$$V_B=V_{BE}+I_ER_E$$

であり、$I_E$($=I_B+I_C$)が増加すれば$V_{BE}$が減少するため、$I_B$も小さくなります。

しかし、$R_B$にも電流が流れ、この分だけ損失が大きくなる点に注意が必要です。

よって、(ア)図1、(イ)図3、(ウ)図2となるので、正解は(4)です。

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