整流回路の実験
ダイオード と コンデンサ を使って、整流回路 （交流を直流に変換する回路） を発振器とオシロスコープを用いて観察し、理解する。

実験 1

半波整流ラグ板に、ダイオード と １ｋΩの抵抗をハンダ付けする。

ダイオードの端子には極性があるので注意する。
白く塗られた側の端子を抵抗とつなぐ。
抵抗 1 kΩ（茶黒赤）

シリコンダイオード

抵抗器 １個 ４円

ダイオードの抵抗値をテスターで測定する。
テスターのスイッチを、Ωに設定して、赤電極を一番右のソケットに、黒電極を右から２番目のソケットに接続。
ダイオードの白電極を テスターのプラス（赤）電極に、ダイオードの黒電極を テスターのマイナス（黒）電極にあてたとき、逆にあてたときのダイオードの抵抗値を測定。

10MΩ

ダイオードは、電流の向きで抵抗値が１０倍近く異なる。

高級なダイオードほど1 MΩ

抵抗差が大きい。

実習用のダイオードは、最も安い製品 （１個 5 円）。

このダイオードは、黒電極から白電極に電流を一方向に流すことを理解して下さい。

オシロスコープ側

発振器側

発振器の周波数を 50 Hz に設定。
（商用交流と同じ周波数に設定。）

まず、ダイオードを介さない信号をオシロスコープで観察し、振幅を 4cm に調節。

ダイオードを通過した信号をオシロスコープで観察する。

その際、 CH1 の AC DC レバーを DC 側に設定する。
（直流信号測定モード）

正弦波のマイナス成分が除去され、ダイオードによって半波整流が行われることを確認して下さい。

その振幅を 4cm に調節して下さい。

オシロスコープで測定される信号は、１ｋΩの抵抗に発生する電圧を観察している。
この抵抗がないと、発生する電圧は、ダイオードや発振器、オシロスコープの内部抵抗で発生する電圧が測定され、不安定な波形になる。
興味のある人は、抵抗器を外した状態での波形を観察してください。

実験 ２ コンデンサによる平滑回路
円筒状の電解コンデンサ 10μF を 2個、100μF を 1個、1000μF を １個 用意する。（１個 40円）
電解コンデンサは、２枚の金属箔の間に電解液を染み込ませた紙をはさんで筒状に巻いたもの。
電解液に電荷が多量に蓄積されるので、小型でも大容量のコンデンサになる。端子に極性がある。

（マイナス端子が表示されている。足が短い方がマイナス。）
この実験では、弱い電圧しか扱わないので逆につないでもコンデンサが壊れることはない。

半波整流回路の抵抗と並列になるように、10μF の コンデンサを入れる。 ハンダ付けは不要。
マイナス電極を、回路のマイナス側につなぐ。

コンデンサの足を少し広げて、ラグ板の端子穴にひっかける。
波形が平滑化される様子を観察し、この脈流のリップル率を計算して下さい。

最も簡単な平滑化回路コンデンサを電源回路に並列接続する。

コンデンサは電荷を蓄えるので、電圧が低いときは放電して、リップル成分による電圧の変動が減衰する。

リップル率＝ リップル電圧（ｒ）／定格電圧（Ｖ）
ripple 【名】 さざ波、小波

１０μF のコンデンサを、さらに１個並列接続して、脈流のリップル率を計算する。

平滑化コンデンサが 10μF １個の場合に比べ、リップル率が半分に改善されることを確認して下さい。

コンデンサの容量は、並列にすると加算されることを理解して下さい。

次に、２個の１０μF のコンデンサを、直列接続して、脈流のリップル率を計算する。

平滑化コンデンサが 10μF １個の場合に比べ、リップル率が２倍に悪化することを確認して下さい。

コンデンサの容量は、直列にすると減少することを理解して下さい。

１００μF のコンデンサを、抵抗に並列接続して、脈流のリップル率を計算する。

平滑化コンデンサ 10μF １個の場合に比べ、リップル率が 1 / 10 程度に改善されることを確認して下さい。

１０００μF のコンデンサを、抵抗に並列接続して、脈流のリップル率を計算する。
ほとんど脈流成分のない直流に変換されていることを確認して下さい。
平滑化コンデンサの静電容量が多いほど良好な整流が行われることを理解して下さい。

実験 ３

全波整流

ラグ板に、ダイオード ４個と １ｋΩの抵抗をハンダ付けする。

ブリッジ整流回路を作成。ダイオードの極性に注意する。

半波整流による脈流は、交流電力の半分を捨てているので効率が悪い欠点をもつ。
ダイオードを4個ブリッジ状につないだ回路（ブリッジ回路）による整流（ブリッジ整流）は、交流のマイナス成分をプラスに折り返した脈流を出力するので、両波（全波）整流になる。

発振器側

オシロスコープ側

発振器の周波数を 50 Hz に設定。
（商用交流と同じ周波数に設定。）

まず、ダイオードを介さない信号をオシロスコープで観察し、振幅を 4cm に調節。

ダイオードを通過した信号をオシロスコープで観察する。

その際、 CH1 の AC DC レバーを DC 側に設定する。
（直流信号測定モード）

正弦波のマイナス成分が除去され、ダイオードによって全波整流が行われることを確認して下さい。

その振幅を 4cm に調節して下さい。

全波整流回路の抵抗と並列になるように、10μF の コンデンサを入れる。 ハンダ付けは不要。

コンデンサの足を少し広げて、ラグ板の端子穴にひっかける。
波形が平滑化される様子を観察し、リップル率を計算。
半波整流と比べ、リップル率が何倍改善されているか計算してください。全波整流の利点を理解してください。

実験 ４

電磁誘導、トランスの実験

２個のコイル（インダクタンス）に電磁誘導を介して、交流電圧信号が伝わることを確認する。 トランスの原理を理解する。

電磁誘導 electromagnetic induction
電線を通る電流に変化がない場合は電界と磁界は無関係。 （定常状態）
電線を通る電流に変化がある場合は電界と磁界は相互作用する。 （非定常状態）
電界が変化すると磁界を発生し、磁界が変化すると電界を発生する。
（電磁誘導）

inductance 【名】誘導係数 （ 電磁誘導を生じる程度、大きさ ）、インダクタンス ( = 誘導子 （コイル） ）コイルの電気的な本質はインダクタンスなので、電気回路学では、コイルを インダクタンス と呼ぶ。

電磁誘導 electromagnetic induction
コイルの中で磁石を動かすと電圧が生じる。
コイルの電流が変化すると磁界が生じ電圧が発生する。
induction 【名】誘導、誘発インダクタンス （コイル）の単位 ： ヘンリー ( Ｈ )コイルに流れる電流が１秒間に１(Ａ)変化したときにコイルに発生した電圧が１(Ｖ)のとき、コイルの（１巻き分の）インダクタンス L を１(Ｈ)とする。
インダクタンス L （誘導係数 Inductance）
コイルに流れる電流の変化で、コイル内部の磁界が変化し、コイルに電圧（起電力）が発生する性質
起電力（V) ＝ ｎ L d I／ｄｔ

（n は巻き数）（＝ インダクタンス ｘ 電流の１秒間の変化）
電流の変化率が大きいときに高い電圧が生じる電磁誘導 electro-magnetic induction
なぜ、インダクタンス（コイル）に流れる電流が変化すると、コイル内部の磁界が変化するのか。
理由は、自然（ the Universe ）は変化を嫌うため。
universe 【名】 [the ～/the U～] (存在するすべてのものとしての)宇宙,森羅(しんら)万象.

レンツの法則Lenz's law

電流が変化しないように、コイルは導線の周囲に磁界を発生させる。
右ねじの法則で示す方向に、電流の変化を止める方向にコイル自らが、新たな逆向きの電流を発生させるため。

磁界が変化したときも、同じ理由で電流、電圧が発生する。

右ねじの法則

コイルを理解するための基本法則

電線に電流が流れると電線周囲の空間に、電線を取り巻くように電流の進行方向に対して右回りの磁力線が発生する。
右ねじ（右回しで入るねじ）の進行方向が電流の向き、回す方向が磁力線の向き。
（向き自体に本質的な意味はない。
人間が勝手に決めたもの。）

磁界 （磁場） Magnetic field
右ねじの法則によって、コイルに電流が流れるとコイル内部に磁力線の束（磁束）が通り、磁界が発生する （電磁石）。
磁界の強さ（電磁石の強さ）は電流の大きさに比例する。

コイルの巻き数に比例する。

発振器の周波数を 50 Hz に設定。
（商用交流と同じ周波数に設定。）

まず、信号を直接オシロスコープにつなぎ、振幅を 4cm に調節。
発振器側

オシロスコープ側

次に、発信器の信号をインダクタンス（10mの電線を巻いたコイル） に接続する。

発振器側

オシロスコープ側の端子にも、インダクタンスを接続する。
２個のインダクタンスが重なっていない状態で、波形を観察する。 信号電圧が低いので、オシロスコープの振幅調整つまみを低電圧測定側に回す。
ほとんど交流信号が検出されないことを確認する。
オシロスコープ側

発振器側

２個のインダクタンスを重ねると、５０Ｈｚの波形が出現することを確認する。
電磁波の存在、電磁誘導の現象を理解してください。

インダクタンスの重ね具合を調整すると波形の振幅が変化することを確認する。
オシロスコープ側

発振器側

オシロスコープ側のインダクタンスの １方の端子をインダクタンスから外して、指でつかむと５０Ｈｚの波形 （ハム雑音）が出現することを確認する。

人体が、壁面にある商用交流電線からの電磁波を受けるインダクタンスになっていることを理解して下さい。

発振器の周波数を上げると、電磁誘導による交流信号の伝わる能率が上がることを確認する。
逆に、周波数を下げると、交流信号が伝わりにくくなることを確認し、理由を考えてください。
発振器の周波数を 1 kHz 以上に上げる。
オシロスコープで観察される波形が明瞭になり振幅が増加することを確認する。

インダクタンスの重なり具合を減らすと波形の振幅が減少することを確認して下さい。

２個のインダクタンスの位置で、オシロスコープ側のインダクタンスが受ける電磁波量が変化し、電磁誘導による起電力が変化することを理解してくださいオシロスコープ側のインダクタンスを 垂直に立てると波形の振幅がほとんど消失することを確認して下さい。

インダクタンスの位置、角度を変化させて振幅を観察し、発振器側のインダクタンスから発生している電磁波の向きや形状を推察して下さい。

オシロスコープ側のインダクタンスの巻き数を倍にする。
オシロスコープ側に、インダクタンスを１個追加して直列につなぐ。（線の巻かれた向きを揃えることに注意。）（波形の振幅が小さくなった場合は、逆向きにつないでいる。

線をつなぎ変えなくても、インダクタンスを裏返せばよい。）
オシロスコープ側

発振器側

インダクタンスの巻き数が 2倍になると出力電圧も 2倍に増加することを確認して下さい。

変圧器 （トランス）
交流電圧を変化させる。
鉄芯に複数のコイルを巻いたもの。

コイルの単位 ： ヘンリー ( Ｈ )コイルに流れる電流が１秒間に１(Ａ)変化したときにコイルに発生した電圧が１(Ｖ)のとき、コイルの（１巻き分の）インダクタンス L を１(Ｈ)とする。
インダクタンス L （誘導係数 Inductance）
コイルに流れる電流 I の１秒間の変化で、コイル内部の磁界が変化し、コイルに交流電圧Ｖ が発生するとき、電圧（V) ＝ ｎ L d I／ｄｔ
（n は巻き数）（＝ インダクタンス ｘ 電流の１秒間の変化）（ Ｌ は、コイルの大きさや形状で決まる値。）
逆にコイルに交流電圧（V) が加えられた時の、コイルに流れる電流の時間変化も、この式が成り立つ。

１次側コイルと２次側コイルの、インダクタンス Ｌの比が（ 相互インダクタンス）出力電圧を決定する。
V ＝ ｎ1 L d I／ｄｔ
V2 ＝ ｎ2 L d I／ｄｔ
したがって、 出力電圧 V2 ＝ ｎ２／ｎ１ ｘ Ｖ
出力電圧は巻き数の比率 ( 巻線比 ) で決まる。