応用情報技術者試験の波形問題を克服！ダイオードと接地の仕組みを解説

こんにちは、おゆかよです。この記事では、応用情報技術者試験に出てくる「出力電圧の波形」について、回路図の読み方のコツをわかりやすく教えるね！

博士！応用情報の過去問を解いてたんだけど、この問題で完全に止まっちゃったの。

この図2の回路に図1の信号を入れると、答えが「ア」になるらしいんだけど……そもそも回路図の記号が何をしてるのか全然わかんないよ！

やあおゆかよちゃん。確かに、電気回路に馴染みがないと「どっちに電流が流れるの？」って迷うよね。でも大丈夫、この問題は「ダイオードの向き」と「接地（グランド）」の意味さえわかれば、パズルみたいに解けるんだ。

そもそもダイオードって何？
入力波形を「山」と「谷」に分けて考えよう
なぜ答えは「ア」なのか？
間違えやすいポイントと対策
まとめ

そもそもダイオードって何？

この三角形と棒のマークだよね。これがダイオードなんだっけ？

そうだよ。ダイオードは簡単に言うと「電流を一方通行にする水門」のようなものなんだ。三角形の底辺側（アノード）から、尖った棒がある側（カソード）へは電流を流すけど、逆方向には絶対に通さないんだよ。

図2を見ると……棒が上を向いてる！ってことは、下から上へは流れるけど、上から下へは流れないってことかな？

その通り！素晴らしい洞察だね。次に大事なのが「接地（グランド）」だよ。回路図の下の方にある、三本線のマークだね。これは「ここを基準の0V（ゼロボルト）にしますよ」という約束なんだ。

入力波形を「山」と「谷」に分けて考えよう

図1の入力信号は、0Vを中心に上がったり下がったりしているよね。これをプラスの時（山）とマイナスの時（谷）で分けてシミュレーションしてみよう。

1. 入力がプラス（山）のとき
電圧が0Vより高いから、電流は「上の線」から「下の線（接地）」に向かって流れたい。でも、ダイオードの向きは「下から上」だよね？逆方向だから、電流はダイオードを通れないんだ。すると、電流はそのまま右側の「出力」へ抜けていく。だから入力の形がそのまま出力されるんだ。

2. 入力がマイナス（谷）のとき
今度は上の線の電圧が0Vより低くなる。相対的に「下の線（接地）」の方が電圧が高くなるから、電流は「下から上」へ流れたくなる。ダイオードの向きを見ると……「下から上」だよね！

あ！流れる！ダイオードが開いた（導通した）ってことだね！

正解。ダイオードが導通すると、出力側の線はダイオードを通じて「接地（0V）」と直接つながった状態になる。問題文に「ダイオードの順電圧は0Vとする」とあるから、出力電圧は強制的に0Vに固定されちゃうんだ。

なぜ答えは「ア」なのか？

そっか！まとめると、
・プラスのとき → ダイオードを通れないから「山の波形」がそのまま出る。
・マイナスのとき → ダイオードを通って0Vに吸い込まれるから「まっ平ら（0V）」になる。
この2つを合わせると……「ア」の波形になるんだね！

その通り。このように特定の電圧以上（または以下）を切り取る回路を「クリッパ回路」と呼ぶんだ。今回の場合は、0V以下の負の電圧を削り取ったわけだね。

専門的に言うと、出力電圧 \( V_{out} \) は次のように表せるよ。
・入力 \( V_{in} \ge 0 \) のとき： \( V_{out} = V_{in} \)
・入力 \( V_{in} < 0 \) のとき： \( V_{out} = 0 \) （ダイオードが理想的な場合）実際の電子回路では、ダイオードにわずかな抵抗や順電圧（約0.7Vなど）があるから完全に0Vにはならないこともあるけど、試験では「理想的（順電圧0V）」として考えるのが一般的だね。