楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント 最小限必要なもの

避けては通れない最小限の電気知識(1-1)

  

避けて通りたくなる気持ちを抑えて、電子工作をやる上では、これだけは知っておくと、少し違った例が出てきても応用できすので、サラッと確認しましょう。


例えば、「LEDを明るく光らせる時の抵抗値はいくらにする?」「トランジスタのベース電圧(電流)を変化させて明るさを変えるときに、どんな抵抗器を使えばいいのだろう」という場合が出てきたときに、やはり、考え方を知っていると便利だと思います。

ほとんどは回路図にあるものをそのまま使えばよいのですが、例えば、下の抵抗値を決めたい場合にやはり、自分で納得して数値がわかるのと、決まったことを(訳もわからずに)やるのとは違った満足感があると思います。

電子工作をやっていくと必ず、回路中の「抵抗値」を決めることに遭遇しますので、このページ以外でもゆっくりと説明しながら進めたいと思います。

検討したい回路の例図1:回路例

これらが出てくると、それに答えてくれるのが、電流・電圧・抵抗の関係・・・すなわち、「オームの法則」です。

オームの法則を、E=IR I=E/R などのように、式を丸暗記していても、これの答えを求めるのは難しいですので、頭の中だけではなく、実際に測定しながら確認していくと、意外とわかりやすいでしょう。

このような、直流低電圧の回路で、電圧、電流、抵抗の2つがわかって、他を知りたい場合にはオームの法則やキルヒホッフの法則などが力を発揮してくれます。

ここでいう「最小限の電気知識」は、オームの法則といってもいいような気がします。

まず、上の図1の左側の「LED点灯回路」で「抵抗値の合成」について考えていきます。ここでは、「これでもか!」というくらいの「くどい」書き方になっているかもしれませんが、お付き合いください。

・・・というのは、私自身もこれでつまづいていましたので、同じ疑問をもたれているかたもおられると思います。かなり回りくどい説明と思いますが、この「順序立てて考えていく」という方法を順を追って説明しますので(実にくどいですが)我慢してお付き合いください。

ここでは、まず、かんたんな回路で関連する項目などをチェックをしていきましょう。

使用する部品(部品一覧表)や購入等は、別に紹介します。後日、ある程度の部品をまとめて購入していただくのがいいと思いますので、まず、ここでは、頭(と電卓)だけで考えてください。


回路図と実体配線図

簡単なLED点灯回路図2:LED接続図

上に出てきた図と同じものですが、前の図とは違ったもののように見えませんか?

このように、ちょっと部品配置の書かてている位置が変わると、別回路のように見えてしまうことが多いのですが、これは、「慣れる」しかないのかもしれません。

つなぎ方は変えていません。3つの部品を直列に電線でつないだ状態の図です。

RとLEDの位置を入れ替えるとどうなるか? といえば、(後でわかってきますが)電流の向きが変わらなければ、入れ替えても同様で、この場合は、R→LEDでもLED→Rでも同じです。

(トランジスタなどでは、コレクタ側に抵抗をつなぐか、エミッタ側でつなぐかで変わります。これらも、必要なときに説明しますが、電流の流れを追っていくと納得できるようになるので、いつも、電流の流れをイメージする癖をつけるようにしましょう)

右側の図には、部品に具体的な数字を入れました。(実は、LEDに書いている数字の1.9V10mAは、5Vや220Ωとは違った内容が含まれています)

おかしい書き方をしていますが、これについては、あとで説明します。

そして、この回路図ですが、「BSch3V」というフリーソフト(こちら)を使わせていただいて回路図を作っています。

このソフトは無料ですし、結構使いやすく作られています。ただし、JISなどと一部異なる部品表記方法があるのですが、ここでは、このソフトに沿って、そのまま使わせていただいています。

この図では、5Vの電源(BATTERY)と、220Ωの抵抗器(R)、5mm砲弾型のLEDを「直列」につないでいます。すると、矢印のように電流が流れてLEDが点灯します。

実際に配線した様子はこんな状態です。

これはブレッドボードという、電子工作に便利な配電盤のようなものを用いており、これに部品をつないでいます。

実際にLEDをつけてみた 写真1:LEDの点灯

1.ブレッドボード

ブレッドボード写真2:ブレッドボード

ブレッドボードは、このように、たくさんの差込口がついたボードで、水色の部分が内部でつながっており(導通している)、その他とは絶縁されています。

赤青の+-は縦方向すべての穴がつながっており、A~E、F~Jとそれぞれ5つの穴が横方向につながっていますので、A-Jの穴に部品を差し込んで配線できるようになっています。

そしてまた、どこからでも、両側にある赤青の部分を電源にすることで、簡単に電気を取り込める仕組みになっています。(もちろん、外部の電源からこの赤青の+-に給電しますが、これらについては、都度つどで説明します)

その穴の間隔は0.1インチ(約2.5mm)で、その穴に部品を差し込むことで「結線」ができるようになっています。

スイッチやICなどの電子パーツの多くは、この0.1インチを基準にして足が出ていますので、それらもここに差し込むだけで、ハンダ付けをしないで簡単に回路を組むことができるようになっています。

このために、回路の確認のためにはもってこいの部品で、確認が終わればバラせばそれで片付きます。

ブレッドボードを使った配線例写真3:配線例

2.電源

電子工作では、電圧が5-12V程度で1A程度までの「直流電源」がよく使われます。(オペアンプでは±15Vが必要なものもありますが、これは、オペアンプが出てきたときに説明します)

このために、一番かんたんなものは「乾電池」が利用出来ます。単3電池などを電池ケースに入れて使うと簡単便利です。

ただ、注意しないといけないのですが、ご承知のように、4個を直列にすると「6V」・・・というわけにはいきません。

単3用乾電池ケース写真4:電池ケース

テスターで測ってみると新品の乾電池はほとんどのものが1.6V以上ありますので、4つを直列にすると、1.6x4≒6.4Vになっています。

さらに悪いことに、使っていくうちに電圧がどんどん低下していきます。それを知っておけば使いやすい電源です。

また、家庭には、古い「ACアダプター」が余っていると思います。家庭用のコンセントに差し込むと、3~12V程度のDC電流が使えるものです。適当な電圧のものがあれば使えますね。

しかしこれも、意外と電圧がいい加減ですので注意しないといけません。専用品以外で使う場合は注意したほうが良さそうです。

市販のDCアダプターの電圧例写真3:DCアダプターの電圧例

例えばこの電源(アダプター)の仕様は「DC6V 600mA」となっていますが、写真のように、4V近くも高い電圧になっています。

テスターがあれば、電圧を測ってみるといいでしょう。

この写真のテスターは高級なものではないですが、テスターは必要です。まず用意しましょう。(この記事の後ろの方で説明しています)

このアダプターは、電子回路用には使っておらず、リレーを動かしたり、モーターを回したり・・・という外部の電源に利用しています。

このように、機器の状態や内容を知れば、手元にあるものでも、いろいろなところで使えます。しかしここでは、電子回路に使用できるような『安定した電圧』がほしいので、ここでは、古い携帯電話(スマホ)の充電用アダプターを少しだけ細工して利用します。

このスマホ充電器はほとんどのものが「定電圧電源」なので、電圧は非常に安定しています。

リチュームイオン電池の充電に使うものですので、かなり信頼出来ます。これなら、みなさんも家庭にいくつか転がっていると思います。

この製品の銘板には、「5V 1A」と表示されています。容量的にはこれで充分ですが、大きいものがあれば、それに越したことはありません。

スマホ充電器を改造したブレッドボード用電源写真4:加工後の定電圧電源

この写真のように、余っていたスマホ充電器のコードの先にブレッドボード用のピンを取り付けました。ワニ口クリップでもいいでしょう。

この充電器は写真のように、USBのプラグで接続されているのをみるとわかるように、パソコンなどからでもスマホの充電ができるようにと、コードの両端にUSBプラグの付いた5Vの充電器になっているタイプが多いと思います。

それはそのまま置いておいて、スマホに差し込む側についている、ミニUSBプラグの根本を切断して、そのコードの皮をはぐと、シールドの網の中に4本の細い線が入っています。 

この製品の線の色は赤・黒・緑・シロでしたが、テスターで4本の電圧を測ると、そのうちの「赤と黒」の2本に5Vの電圧が出ています。

この赤の線がプラス側でしたが、テスターを使うと、どちらがプラスかがわかりますね。

この赤と黒の線に、ブレッドボード用のピンをはんだ付けして、さらに、その他でも使いやすいように、1対の予備の線(これは後で、ワニ口クリップを付ける予定)をつけておいて、絶縁テープで固定しました。

テスターでその電圧を測ると、4.94Vになっています。

USB用のシールド線 中には4本の線があり、5V電源は2本から写真6:線の加工

次はLEDです。

3.砲弾型のLED

現在は、白色光の高輝度タイプのものが安価で多く使用されるようになってきていますが、それではなくて、写真のような、従来からあるタイプのものもたくさん販売されていますので、それを使用します。

安価なためだけの理由ですが、高輝度タイプのものでも、考え方がわかれば同じように使用できます。

もしも適当なLEDが手元になければ、安いものですので、他の部品とまとめて購入しておくといいでしょう。結構遊べます。

このHPでは、しばしば、Amazonや楽天などの大きなサイトを紹介しています。しかし、部品類は、こちらで紹介しているようなWEBの通販ショップが購入しやすいので、普段からサイトを見ておくのも勉強になります。Amazon・楽天などは、セット販売が主なので、かえって買いにくいので、私が購入しているWEBショップを覗いて見ておいておいてください。→AmazonでLEDを見る 

砲弾型5mmLEDの例写真7:砲弾型LEDの例

このタイプを購入すると、2V15mAなどのような数字や、「順電圧VF (電流IF 20mA) 最大2.5V」 などと書かれています。

何も書いていなければ、高輝度タイプではない、このような仕様のものと考えていいですし、Vf=2.5V・If=20mAなどと書かれている場合もあります。

これは、「2.5V以上の電圧がないと点灯しません。そして、20mA以上の電流を流すと、短時間に破損します・・・」という意味です。

白色LEDなどの高輝度タイプは、3V以上となっているものが多いので、その数字に注意しておくといいでしょう。

たとえば「2.5V20mA」となっておれば、足の長い方から短い方に電流が流れるようにすると、2.5V 20mAで最大輝度になる・・・ということです。

基本的には、砲弾型のLEDは、ほぼ、下図(図3)のような特性なので、例えば、乾電池2個を直列にしてLEDにつないでも点灯します。

しかし、その電圧が乾電池2個では3V以上なので、グラフの許容数値以上のために、電流が流れすぎて、熱のためにすぐにLEDが破壊します。(ピカッと光って、切れてしまいます)

このような「電池を直接LEDにつなぐような接続」をすると、すぐにLEDがパンクしてオシャカになってしまいます。

LEDの特性例図3:LEDの仕様例

グラフでは、LEDの両端に2Vの電圧をかけると20mAの電流が流れるので、2Vx20mA=40mWの電力消費に伴って「熱」が発生します。熱は電流の大きさで発熱しますので、このグラフでは、30mA程度までは安全に使用できるということですね。

(ただし、試験温度が25℃ですので、温度の高いところで使用する場合は、別に考えないといけないということがこのグラフから読み取れます)

しかし例えば、図3のグラフ中の赤線を上に延長して、2.5Vまで伸ばしたときには、その時の電流が100mAあたりになっていますので、そうすると2.5x100=250と、電力が250mWとなるので、2Vの時の6倍の電力が流れて大量の熱がLEDの中に発生します。

そうなると、たちどころにLEDが溶けてしまう・・・ということになってしまいますので、「電流を多く流すことはLEDにとっては大敵」ということです。

そうならないように、上の回路図に書いてあるように、抵抗を直列につなぐことで電流を制限します。

この抵抗を「電流制限抵抗」といいます。

抵抗とLEDが直列につながれていると、両方に流れる電流が等しくなります。

そこで、「オームの法則」を用いて、その状態が計算できるようになります。

この「直列ではRに流れる電流とLEDに流れる電流が等しい」という点は重要で、これはよく出てきます。覚えておく必要があります。

図3の「順電圧(順方向電圧)」はこのLEDを接続することで生じる「電圧降下分」ですので、図2の右の回路図に「1.9V 10mA」とあるのは、 

①電流制限抵抗値は、5V-1.9V=3.1V を低下させる抵抗を付けてやればよい・・・ということになります。 

②オームの法則を使って、10mA=0.01Aから、抵抗=電圧/電流 にすうじをいれると、 3.1V/0.01A=310Ω ですので、310Ωに近い抵抗を使えば良いことがわかります。そして、・・・

③その時の消費電力Wは電圧x電流 ですので、 3.1x10=31mW(または3.1x0.01=0.031W)なので、抵抗器は1/4Wタイプの小さいものでも問題ない・・・ 

・・・ということを順次に考えていくのですが、これらについては、後でもう一度説明しますので、ここでは、読み流して頂くだけでいいでしょう。

これらを計算する時には、V A Ω・・・ の単位について注意しておいて下さい。

1A=1000mA です。1m(メータ)は1000mm(ミリメータ)のように、ミリは1/1000をあらわす「接頭語」です。

その他の接頭語としては、大きな方では抵抗などでは、1000倍のキロ、キロの1000倍のメガなどが、また、小さな方ではコンデンサなどでマイクロ、ピコなどが出てきますが、これらは必要になる時に説明します。

高輝度LEDの例写真8:高輝度LEDの例

定電流ダイオードの例写真9:定電圧ダイオードの例 

現在では、高輝度タイプのLEDや色が順次に変わるなどのものもたくさん販売されています。

上の写真8は中国製のものですが、3.5-4.0V と書かれているのが「順電圧」と呼ばれるもので、それ以上の電圧を加えないと発光しないということです。

ここには電流量の表示がありませんが、明るくしすぎると寿命が短くなります。電流を調整(制限)するための「抵抗」をして使用するのが基本の使い方ですが、一つ一つ計算したり、それに沿って抵抗値を変えるのが煩わしい・・・ということであれば、「定電流ダイオード」(写真9)を使うという方法もありますし、すでにLEDに細工がされていて、抵抗がいらないものなどもあって、非常に多くの種類のLEDが販売されています。

それらについても、この砲弾型LEDについて理解しておれば、仕様を見て、抵抗値を決めてやれば、いいので、あとは同じです。(多くのLEDをつなぐ場合は別に説明します)

【結論としては】LEDは順電圧、標準電流を確認して使用します。通常の砲弾型LEDの場合は、グラフにあるように、順電圧2V以下・最大電流15mA以下で使うようにします。


抵抗値を決めるために、まず、回路の状態を測定して確かめよう

回路に流れる電圧や電流を見てみましょう。

各部品が取り付けられている状態で、テスターを使って、下の図4のように、電圧・電流値を測定してみました。

テスターで電圧電流を測る場合は、このようにつないで測定します。特に、電流については、回路に直列につながないといけないのが面倒なところですね。

電圧測定はテスター棒を部品の両端につければいいので簡単です。

LED回路の実際の計測例図4:LED回路測定例

赤字が実際の測定値です。図中のAは電流計、Vは電圧計をあらわしています。ここでは、デジタル表示のテスターを使っています。

1)5Vの電源は、実際には4.93Vになっています
2)220Ωの抵抗値に対しての実測値は216Ωになっています
3)LEDでの電圧は1.9Vとなっていましたが、測定すると2.09Vです
4)電流値は、仕様では10mAの予定のところが、12.8-12.9mA流れています
5)抵抗とLEDの電圧降下は2.83V、2.09Vでしたが、足すと4.92Vです 

などなど・・・ですが、何か数字が少しずつ異なっています。

さらに、これらの結果の数字を見て、いろいろな疑問が出てきたと思うのですが、実際に測定してみて、「数字が変だ」というような、何かの疑問が出てくればしめたものです。

例えば、この場合では、電圧降下分の和と負荷電圧4.94Vが0.01Vだけ違っていますし、抵抗値の呼び値220Ωと実測値とは4Ωも違っていますし、図2でLEDのところに書いてあったる数字と実際の測定結果が違う・・・などは気がつかれたと思います。

この測定結果の数字には、様々な「何かの問題」が含まれているはずです。

それらは測定するたびに変わりますし、変わったものが合わさって、この結果になっているということなのですが、それを突き詰めていくのは難しい場合がほとんどでしょう。

この測定では、「誤差の問題」「測定自体の問題」「環境の問題」「避けられない問題」などが隠れているということです。

ここではこれを詳しく説明しませんが、例えば、測ったテスターの誤差や、テスターをつなぐことによる影響、装置が安定するまでの時間をとっていない・・・など様々なものがこの結果に影響していることが考えられるのですが、この程度の「誤差」は「常にあるもの」・・・としておきましょう。

私が使用している、安価なデジタルテスター写真10:テスターの例

私は、この2つのテスターを使っています。

しばしば電流と電圧を同時に測りたいときにこれらの両方を利用するのですが、普段私は、右をメインに使っており、これは日本製品ですが中国製造のもので4000円程度です。(今の製品はもっと安くなっている?)

この価格でも充分な測定ができます。そしてなんと、左のテスターはMade in Chinaで、何と、400円程度です。

両方を使って比較すると、最終桁では測定数値に違いが出ますが、気になることもありません。

唯一、安い方のテスターの難点をいえば、2分ほど電源を入れておかないと数値が安定しないという程度ですが、いずれにしても、この記事の内容程度では、精密測定の必要もありませんので、私は両方を愛用しています。

China恐るべし・・・で、何と、左の安いテスターは、トランジスタの簡易性能確認にも使えるようになっているので重宝します。

さて、計算した結果の抵抗値は「310Ω」でしたが、それに対して220Ωの抵抗を使った理由ですが、理由は、「それが手元にあったから・・・」だけです。

結果が仕様の範囲を超えていなかったから良かったものの、少し軽率と言えるかもしれませんね。(実際は、LEDの制限抵抗に220Ωを使うことが多かったので特に意識していなかったということですが・・・)

一般に販売されている抵抗値の220Ωの次は330Ωまで飛んでしまいます。例えば、それに替えてみるとどうなると思いますか? ・・・早速、回路を作って測定してみましょう。

電流制限抵抗を替えた時の回路測定例図5:LED回路の実測2

220Ωを330Ωに替えた結果は、この「青字」のようになりました。

抵抗220Ωが330Ωと大きくなると、抵抗内で電圧が少し落ちます。

電源の電圧はいつも変わらないことから、抵抗での電圧降下によって、一方のLEDに流れる電流も少なくなり、220Ωのときに比べてLEDはかなり暗くなりました。

この理由はわかりますか?

オームの法則でE=IR(電圧=電流x抵抗) なので、Rが大きくなると、Iは小さくなるということですが、こういうことを一つずつ確認することで理解が深まって楽しみが増すと思います。

もちろん、電流値が低くなるので、LEDの輝度は低下するのですが、砲弾型LEDは前がレンズになっていますので、特にそれが気になるというほどではありません。このことも実感するといいでしょう。

このように、「そういういい加減なことでいいのか・・・」という感じがするところがあるのですが、これからもしばしば出てきます。

そうなると、回路を考える時の「基準になるもの」「正しいもの」は何か?・・・ということになってしまうかもしれませんが、(変な言い方ですが)このように、回路の抵抗値やコイル、コンデンサなどで「適当な値でも構わない」という場面はしばしばあります。実用的には問題ない・・・ということでしょうか、これらについては、その都度説明します。

計算してみて、極端に変わらないような場合や部品の仕様を超えなければ問題はないということで、重要なのは、「LEDや抵抗が過電流で破損してはいけない」ということですから、普通は用心して、大きい抵抗器を使うということにしないといけませんね。

しかしともかく、この回路のポイントがつかめていれば、あとは、計算して「近い抵抗値」を取ればいいということになりますし、不安であれば測定してみるのが手っ取り早いかもしれません。

この場合では、先程のように、8.7mAの電流が流れている時の抵抗値は、電源電圧-LEDによる降下電圧で、(4.94-2.03)/0.0087≒334Ω と計算されます。しかし例えば、テスターの誤差もあるうえに、0.1mA測定値が変わるだけでも計算値は数Ω変わりますので、ある程度は「適当でいい」ということになります。

さらに、(大抵の場合は)計算通りの抵抗値が製造されていないので、まず、「LEDを破損させない」という前提に立てば、330Ωでなくて、その上の390Ωのほうがいい・・・ということかもしれません。

明るさや寿命が気になって厳密さを求めたいなら、可変抵抗器を使って最適な状態をみれば解決できるのですが、そこまで厳密に考える必要もないものなので、「適当」でいいのです。

そして、この「適当」というのはしばしば出てきます。しかしこの「適当」と「いい加減」は違いますね。

さらに余談ですが、この抵抗値は、E系列という数列にそって作ることが決められています。

・・・と言っても、下の写真11の例のように、きっちりとその規則に沿っていない場合も多くあります。(この商品は、安価ですが便利なセットで、1000円以下だったと思います)

だから、このようなセットを1つ購入しておいて、いろいろな抵抗を持っていると、ちょっとした実験が簡単にできます。なければ、流れる電流が小さいので、可変抵抗器でも代用できますね。

さらに余談ですが、この写真の左下に「0Ω」というのがあるのが見えますか? 確かにテスターで測ると0Ωです。製造会社の設計者の遊び心か何かでしょうか?

1/4W抵抗器のセットの例写真11:抵抗器のセット例


HPの内容は、このくらいに、ゆっくりと進めていきますが、おそすぎると感じる方はご容赦ください。

次は、すでにここでも出てきましたが、この「オームの法則」や「抵抗の合成」について見ていきます。

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