第一種電工 令和4年度午後 問13｜電気機器・蓄電池・配線器具

サイリスタは「一方向にしか電流を通さない」「ゲートに信号を入れたときに電流が流れ始める」という性質をもつ半導体です。図の回路では、電源の正の半周期でゲート信号を入れた瞬間から出力が出て、電流が0になる半周期の終わりまで流れ続けます。負の半周期は逆向きなので電流は流れず、出力は0です。エの波形は、正の半周期の途中で出力が切れ、さらに負の電圧まで出ているので、この回路では作れません。正答はエです。

逆阻止3端子サイリスタには次の性質があります。①順方向（アノード→カソード）の電圧がかかっているときに、ゲートに信号を入れるとオン（導通）する。②一度オンすると、ゲート信号を取り去っても、電流が0になるまでオンし続ける（ゲートではオフできない）。③逆方向には電流を流さない。抵抗負荷の図の回路では、正の半周期のどこかでゲート信号を入れればその瞬間から出力が現れ、半周期の終わり（電圧が0になる点）で自然にオフします。ア（制御角0°）、イ（約30°）、ウ（約90°）はいずれも点弧の時刻を変えた位相制御の波形で、得られます。エは、正の半周期の途中で出力が0になっており（②に反する）、負の半周期に負の電圧が出ている（③に反する）ため、得られません。正答はエです。

本問はサイリスタによる単相半波の位相制御で、得られる出力波形の条件を問う問題です。

【得られる波形の条件】

• 出力が現れるのは正の半周期だけ（逆阻止）
• 出力が始まるのは点弧（ゲート信号）の時刻で、制御角αで表す
• 抵抗負荷では、出力は電源電圧が0になる点（180°）まで続き、そこで自然にオフ

つまり、得られるのは「正の半周期のαから180°まで」の波形だけです。

【各波形の判定】

• ア：α＝0°。ダイオードによる半波整流と同じ形で、得られる
• イ：α≒30°。正の半周期の途中から出力され、得られる
• ウ：α≒90°。電圧の最大値の位置から出力され、得られる
• エ：0°〜90°で出力して90°で切れ、さらに負の半周期の90°から180°に負の出力がある。途中で消すことも負の電圧を出すこともできないので、得られない

【出力電圧の大きさ】抵抗負荷の単相半波位相制御では、出力電圧の平均値はV_d＝(√2V/2π)(1＋cosα)［V］（Vは電源電圧の実効値）で、αを大きくするほど小さくなります。α＝0°で√2V/π≒0.45V、α＝90°でその半分です。

【関連する素子】正負の両方向に位相制御したい場合は、2個のサイリスタを逆向きに並列にするか、双方向に導通できるトライアックを使います。また、ゲート信号で途中でオフできる素子としてはGTO（ゲートターンオフサイリスタ）やIGBTなどがあり、インバータに用いられます。普通のサイリスタは「ゲートでオンはできるがオフはできない」点が、本問を解く決め手です。