応用問題424 ダイオードを含む回路

解説

直感的理解
ダイオードは非線形素子なので、オームの法則だけでは解けません。負荷線($I = (E - V_D)/R$ を表す直線)とダイオード特性曲線の交点(動作点)を求めることで、電流と電圧が同時に決まります。

キルヒホッフの第二法則:

$I = (E - V_D)/R$ が負荷線の式。これをグラフに描くと:

グラフの交点から読み取ると:

$I \fallingdotseq 0.50\;\text{mA}$、$V_D \fallingdotseq 0.75\;\text{V}$

抵抗にかかる電圧:

$$V_R = E - V_D = 1.5 - 0.75 = 0.75 \;\text{V}$$

(あるいは $V_R = IR = 0.50 \times 10^{-3} \times 1500 = 0.75$ V で確認できる)

ダイオードの消費電力:

$$P_D = V_D \times I = 0.75 \times 0.50 \times 10^{-3} = 3.75 \times 10^{-4} \;\text{W} \fallingdotseq 0.38 \;\text{mW}$$
答え:
$$\text{ア:} I = 0.50 \;\text{mA}$$ $$\text{イ:} V_R = 0.75 \;\text{V}$$ $$\text{ウ:} P_D \fallingdotseq 0.38 \;\text{mW}$$
補足:負荷線法の一般的手順

1. 回路方程式 $E = IR + V_D$ から負荷線 $I = (E - V_D)/R$ を求める

2. 特性グラフ上に負荷線を描く(2点:$(0, E/R)$ と $(E, 0)$)

3. 特性曲線との交点を読み取り → 動作点 $(V_D, I)$

この方法は非線形素子を含む回路の標準的な解法です。

Point

ダイオード回路は負荷線法で解く。$E = IR + V_D$ を変形した直線(負荷線)を特性曲線上に描き、交点を動作点とする。消費電力は $P = VI$ で素子ごとに計算。