電験三種 理論 問4：電磁気・回路理論

各ダイオードの動作電圧の向きを整理します。(ｱ)可変容量ダイオード（バリキャップ）：逆方向電圧を加えると空乏層が広がり接合容量が変化します。同調回路の容量可変素子として使用。(ｲ)定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）：逆方向電圧を大きくすると降伏現象が起き，その電圧でクランプされます。(ｳ)レーザダイオード：順方向電圧を加えると電子と正孔の再結合により誘導放出（レーザ発振）が生じます。(ｱ)逆方向，(ｲ)逆方向，(ｳ)順方向の組合せが正しく，正答は(2)です。

三種類のダイオードの動作条件の比較です。

【可変容量ダイオード（バリキャップ）：(ｱ)逆方向電圧】

逆方向電圧Vrを増加→空乏層幅W増大→接合容量Cj＝ε₀A/W が減少

電圧制御で容量を変化させてLC共振周波数を調整（電子チューナー）

【定電圧ダイオード（ツェナー）：(ｲ)逆方向電圧】

逆方向電圧→降伏電圧VZで電圧がクランプ

降伏メカニズム：VZ＜5V→ツェナー崩壊（トンネル効果），VZ＞5V→アバランシェ崩壊

【レーザダイオード（LD）：(ｳ)順方向電圧】

順方向電流→電子と正孔の再結合→誘導放出→コヒーレント光（レーザ）

光ファイバー通信（1.3/1.55μm帯），光ディスク（CD/DVD/BD）に使用

各選択肢の分析：(1)は(ｳ)が逆方向で誤り，(3)(4)(5)はいずれか間違い。正答(2)：逆・逆・順。

ダイオードの種類と動作原理は電験三種「理論」電子回路の基礎です。

【pn接合の逆方向特性】

逆方向電圧Vr印加時の空乏層幅：W∝√(Vbi+Vr)（Vbi：拡散電位≒0.6V for Si）

接合容量：Cj∝1/√(Vbi+Vr)（バリキャップの動作原理）

ツェナー電圧の温度係数：ツェナー崩壊は負（温度↑でVz↓），アバランシェは正（温度↑でVz↑）

【レーザダイオードの閾値電流と発振条件】

順方向電流が閾値電流Ith以上でレーザ発振開始（誘導放出がフォトン吸収を超える）

DFB（分布帰還型）LD：単一縦モード，波長安定性高→光ファイバー通信用

変調速度：数Gbps〜数十Gbps（光ファイバー高速通信の主役）

【電験二種への接続】

電験二種では，半導体のフェルミ準位，バンドギャップと発光波長（E[eV]≒1.24/λ[μm]），P-I特性（光出力vs電流）の温度依存性が出題されます。実務では，系統保護装置の定電圧基準（ツェナー），太陽光発電のバイパスダイオード（ホットスポット防止），電力変換装置の逆流防止ダイオード（整流器）の保守に直接関わります。

【電磁気・回路理論の統合的理解（電験二種レベル）】

電磁気理論と回路理論は，マクスウェルの方程式によって統一的に記述されます。

①マクスウェルの方程式（積分形）：

∮E·dl=－dΦB/dt（ファラデー法則），∮H·dl=I+dΦD/dt（アンペール・マクスウェル法則）

∮D·dA=Q_enc（ガウス法則），∮B·dA=0（磁束の連続性）

②回路素子とマクスウェル方程式の対応：R（オームの法則：J=σE），C（ガウス法則），L（ファラデー法則）

③電磁波（電磁場の波）：√(με)×光速＝1，平面波のインピーダンスη=√(μ/ε) [Ω]

【実務での電磁気・回路理論の応用】

・系統インピーダンス計算：短絡電流Ik=V/(√3×Z)，%インピーダンス法による計算

・電磁両立性（EMC）：設備が発生する電磁妨害（EMI）とイミュニティ（EMS）の管理，JIS C 61000シリーズ

・大電流設備の電磁力設計：母線の電磁力（F=μ₀I₁I₂l/(2πd)），地絡事故時の異常電磁力による母線変形防止

・高周波設備（インバータ，スイッチング電源）：スイッチングサージ電圧，EMI対策（フィルタ，シールド）

・接地システム設計：接地インピーダンス（抵抗+インダクタンス），高周波接地の表皮効果

電気主任技術者の業務では，電磁環境管理（EMC），接地設計，高調波対策がますます重要になっています。