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

最小限必要なことのおさらい(1-1)

  

理論や計算は避けて通りたくなる基礎事項ですが、電子工作をやる上での最低限の理解は必要ですし、きっと役に立ちます。抵抗値、オームの法則などの関係事項を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でしょう。

電子工作の記事に回路図があれば、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や、変更するとどうなるのか・・・などがわかれば、少し違った満足感や充実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」を決める場合があります。

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に加えて、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ので、まず、これだけは押さえておきましょう。

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、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。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。頭の中で電流の流れを追うといいでしょう。

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す。この場合は、R→LEDとつないでも、LED→Rとしても同じです。

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がそれは後で・・・)

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。簡単に使えますので、一度サイトをご覧ください。

このソフトは無料で、結構使いやすく作られています。最新のJIS表記ではない部品表記もありますが、細かいことは考えずに、ここにある標準仕様のままで使わせていただいています。

上の図では、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。そして、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。お持ちでないなら、是非購入していただくのがいいでしょう。

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、食パンの上のどこでも、部品を挿していけるという意味でしょうか?

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の穴などをうまく使って、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では「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で便利です。

ただ、4個を直列にするときっちり「6V」・・・ではないのが、少し問題です。

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の電圧を測ると、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。それが問題でなければ、便利な電源です。

また、身近な電源では、家庭には、古い「ACアダプター」が余っているでしょう。

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そうです。

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)のように、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、電圧を測った上で使用するようにしましょう。

このように、「テスター」は絶対に必要です。高級なものよりも、使いやすいものを用意しましょう。(この記事の後ろの方で関連記事があります)

上のACアダプターは、リレーを動かしたり、モーターを回したり・・・というためのものとして使っていて、やはり、電子工作には使いにくいようです。

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、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するといいと思います。

下のような「スマホ充電器」は、リチュームイオン電池の充電に使うものですので、ほとんどのものが「定電圧電源」になっており、電圧は非常に安定しています。

これなら、みなさんも家庭にいくつかが使われないまま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。電気容量的にはこれで充分ですが、もしも容量の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。ハンダゴテを使って細工してみましょう。

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。

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。 

この製品の場合の線の色は「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。ここでは、他の2本(緑・シロ)は使いません。

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、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

次はこれから使用する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が安価で販売されていますので、それを使用します。

これを使うのは、安価なためだけの理由ですが、高輝度タイプのものでも、それにあった使い方をすることで使用できます。

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、いろいろなことをして遊べますから・・・。

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楽しいですし、勉強にもなります。

Amazon・楽天などは、製品類やセット販売が主なので、かえって買いにくいと思います。

→AmazonでLEDを見る 

砲弾型5mmLEDの例写真7:砲弾型LEDの例

このタイプのLED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、2V15mAのものと考えていいでしょう。 

Vf=2.5V・If=20mAなどと書かれている場合もあります。高輝度タイプは電圧の高いものが多いのですが、使い方や考え方は考え方がわかれば問題はありません。

これらの数字の意味は、2.5V20mAであれば、「2.5V以上の電圧で点灯し、そして、20mA以内の電流値で使用する」というもので、それを超えた条件で使用すると、短時間に破損します・・・というものです。

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」のLEDであれば、足の長い方から短い方に電流が流れるように接続すると、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、仕様からすれば点灯するはずです。

しかし、その電圧が乾電池2個では3V以上なので、グラフでは2.6Vまでしか書いていないように、何か問題がありそうだ・・・ということをこのグラフから感じとってください。

つまり、乾電池2個を直結すると、電圧が高いし、電流が流れすぎて、LEDはこわれてしまいます。

このグラフは縦軸が対数目盛になっているのに注意しないといけないのですが、LEDは熱に弱いために、電流が大きいと発熱しして、その熱のためにすぐにLEDが破壊します。(ピカッと光って、一瞬に切れます)

LEDの特性例図3:LEDの特性の例

このグラフでみると、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。

電流の大きさによって発熱しますので、長時間使いたいのであれば、30mAを超えないように電流を流せばいいことになります。

(ただし、この図は、試験温度Taが25℃となっています。周囲温度の高いところで使用する場合は、注意しないといけないということも、このグラフを読む時の注意しておきましょう)

ここで例えば、2.5Vでは電流が100mA近くまで流れるかもしれません。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の中に発生しますので、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。

LEDは「電流を多く流すことは大敵」だということです。

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。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るためですネ。

この抵抗を「電流制限抵抗」といいます。これは計算で求めることができます。

電流、電圧、抵抗の2つがわかれば、「オームの法則」を用いて、その残りが計算できます。

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。

並列にすると、両方に加わる「電圧」が等しくなるということですが、この2つのことは覚えておいてください。これは、たびたび出てくる、重要なことです。

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」と書いてあるのは、 

①電流制限抵抗値は、5V-1.9V=3.1V を低下させる抵抗器をLEDと直列につないでやればよい・・・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 に数字をいれると、 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。

【単位を合わせる】 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。長さの1m(メータ)は1000mm(ミリメータ)ですから、この「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。

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もの、2本足でないもの・・・なども販売されています。

上の写真8のLED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。

このラベルには電流量の表示がありませんが、20-30mA以上の電流が必要なLEDなどには、電流値が表示されていますので、決められた条件で使うようにしましょう。明るくしすぎると寿命が短くなります。

ちょっと寄り道ですが・・・

LEDに流す電流によって、明るさがこの様になるかを見てみましょう。電流値を変えるのは、抵抗の値を変えればいいのです。

LEDによって、明るさが若干変わりますので、下左は、同じ抵抗の抵抗器(公称値220Ωのものから実測値が222Ωを選別したもの)を用いて、できるだけ輝度が揃うLEDを選別して、明るさを揃えておいたうえで、下右の写真のように、抵抗の値を変えて電流値を変えて時の状態の写真です。

 写真Q

肉眼では、電流の少なくなるにつれて、暗くなっていますが、写真のように、輝度は、大して変わらないことがわかります。 すなわち、LEDの明るさは、LEDそのものの特性で変わるので、必要以上に電流を流さないほうがいいということがわかります。本題に戻ります。


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回路の状態を測定します

あらためて、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でした
2)220Ωの抵抗値に対しての実測値は216Ωでした
3)LEDに1.9Vと書いていますが、測定すると2.09Vでした
4)電流値は、仕様では10mAの予定のところが、12.8~12.9mA流れていました
5)抵抗とLEDの電圧降下の測定値は2.83V、2.09Vでしたが、足すと4.92Vになります 

などなど・・・測定してみると、何か数字が少しずつ異なって、完全に合っていないものがでてきます。

実際に測定してみて、違いが出るのは当然かも知れません。

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。また、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っています・・・

つまり、この測定結果の数字には、誤差などの「何かの問題」が含まれているはずですので、違っていて当然でしょう。

つまり、「測定をする」こと自体に、「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」などがいつもつきまとっているのですが、それを検証して突き詰めていくのは、一般の家庭の環境では非常に難しいので、(変な言い方ですが)「正しいと思えるなら正しい」というようにしなければいけない場合がしばしば出てくるということも覚えておいてください。

例えば、測ったテスターの精度(誤差)や、テスターをつなぐことによる導線の損失などの影響、あるいは、温度の問題や装置が安定するまでの時間・・・などの様々なものがこの結果に影響しており、ある程度の「誤差」は「常にあるもの」・・・として考えて測定していくことになるのは仕方がないことです。

さてここで、測定に使うテスターですが、私は、この2つのテスターを使っています。

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

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います。これは日本製品ですが中国製造のもので4000円程度です。(今ではもっと安くなっているようです)

この価格のものでも充分に必要な測定ができます。(多分、できています) 

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るのですが、気になることもありませんし、それに慣れるようにしなければなりません。

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いてから測定しないと数値が安定しない・・・という問題がある程度です。このHP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、適当に、その数値で結果を判断しています。

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こともあって、結構重宝しています。

さて話はそれましたが、計算した結果の抵抗値は「310Ω」でした。それに対して220Ωの抵抗を使った理由ですが、・・・その理由は、「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、これは少し軽率かもしれません。しかし実は、今までにも、計算せずに、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としては、220Ωの次は330Ωまで飛びます。310Ωというのは、多分市販されていないでしょう。そこで、その330Ω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ので、手を動かしてそして確認するといいでしょう。

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。それもあって、特に気になるというほどではありません。

  

適当でいい・・・ということは?

「そういういい加減なことでいいのか・・・」と思われるかもしれませんが、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。

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。ここでも、「適当でいい」ということにしておきましょう。

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するのも一つの方法ですが、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・・・ということなのです。

そして、この「適当」というのはこれからもしばしば出てくると思います。しかし、この「適当」というのと、「いい加減」は違いますので、この「適当で・・・」という感覚が、わかっていただけますか?

抵抗値も飛び飛びのものしか販売されていません。抵抗器は、E系列という数列にそって作ることが決められているようです。

下の写真11のセット販売品の例でも、きっちりとE系列の規則に沿っていません。

だから、適当でいいということですね。

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し、もしも、適当な抵抗器がなくても、流れる電流が小さければ、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でしょうか、面白いですね。

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、寄り道しながら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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