ダイオード・リミッター回路の実験

1. 実験の目的

ダイオードを使用したリミッター回路について原理を
理解するととにも、回路を組み立て、動作を確認します。



2. 実験課題

ダイオードを用いたリミッターの回路を設計し、与えられた仕様の電圧レベルで
波形の振幅が制限されることを確認します。



3. 実験回路





4. 回路の動作原理




1. Vi＜0のとき
ダイオードD₂が導通し、Vo≒0となります。
ダイオードD₁は逆方向バイアスのため遮断(OFF)状態です。


2. Vi＞Vccのとき
ダイオードD₁が導通し、Vo≒Vccとなります。
ダイオードD₂は逆方向バイアスのため遮断(OFF)状態です。


3. 0≦Vi≦Vccのとき
ダイオードD₁、D₂ともに逆方向バイアスのため
遮断(OFF)状態になります。
このためVo = Viとなります。


より詳細な動作については、 ダイオード・リミッターの動作を参照してください。


5. 実験回路の設計

1. 設計仕様
(1)入力波形(Vi)は12[V](rms)の正弦波とする。
(2)リミット電圧は、上限:5[V]、下限:0[V]で振幅制限する。
(3)ダイオードの許容電流は5[mA]程度(?)で設計する。

想定される入力電圧Viの最大値が決まらないとRもDも選定出来ませんので
(1)としました。そうすると、Viの最大値は±12×√2 ≒ ±17.0[V]です。



2. 抵抗Rの選定
Vi＞0のとき、R両端の電圧の最大値は17.0 - 5.0 = 12.0[V]なので、
D₁に流れる電流を5[mA]に制限するためには
R = 12.0 / 0.005 = 2400[Ω]

以上の抵抗が必要です。
一方、Vi＜0のときR両端の電圧の最大値は0 - 17.0 = -17.0[V]なので、
D₂に流れる電流を5[mA]に制限するためには
R = 17.0 / 0.005 = 3400[Ω]

となります。E-6系列から選定し
R = 3.3[kΩ]とします。
Rの最大消費電力P(max) = V_R² / R = 17.0² / 3300 ≒ 0.09[W]なので1/8[W]以上
の抵抗器ならOKです。今回は手持ちの1/4[W]タイプP型カーボン抵抗を使いました。


3. ダイオードの選定
ダイオードは手持ちのBAT43を使いました。
今回の使用方法(要求仕様)とBAT43の仕様を比較したものが下記の表です。
結果として、とくに問題はありません。


項目	要求仕様	BAT43の仕様	判定	備考
順方向電流(IF)	5[mA]	200[mA]	OK
逆方向電圧	5[V]	30[V]	OK






6. 実験方法

(1)下図の実験回路を組立ます。


2本のダイオードはダイオードブリッジボックスを 使用しました。
(注：下図のD₁〜D₄と実験回路のD₁〜D₂)は 対応していません。
また、下図のD₂、D₄は本実験では導通することはありません)


(2)簡易安定化電源の電源を入れます。
(3)トランス・ボックスの電源を入れます。
(4)簡易安定化電源の電源の5[V]は正確ではないので直流電圧計、またはテスターなどで
　測定します。
(5)ViとVoの波形を2chオシロスコープで観測します。




7. 実験機材

   1. トランスボックス
   2. ダイオードブリッジボックス
   3. 簡易安定化電源 (5[V]端子)
   4. 抵抗器: 3.3[kΩ]
   5. オシロスコープ
      
   6. 直流電圧計(テスター)
      
   
   

8. 実験結果

観測波形を以下となりました。
ch1(上): 交流入力(Vi)
ch2(下): 出力(Vo)

ch1: 10V/div
ch2: 2V/div

Vccは4.84[V]でした。




9. 測定結果・考察

5[V]付近と0[V]付近で振幅制限されている波形が観測出来ました。



10. 参考文献

とくになし。



11. 関連項目

1. 電子回路−ダイオード
2. トランジスタ・パルス回路の解析− ダイオード・リミッターの動作
3. リコン・ショットキバリア・ダイオード(SSD)の静特性の測定
4. トランスボックス
5. ダイオードブリッジボックス
6. 簡易安定化電源 (5[V]端子)