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

電子工作に最小限必要なこと・・・オームの法則 抵抗の合成(1-2)

  

多くの電子工作の入門書では、電気や電子の理論や法則、電子の挙動などの内容から始まっているので、これらに抵抗を感じる人も多いと思いますが、これらは、電子工作を楽しむだけでは、先に学ぶ必要もないので、必要になったときに勉強すればいいと思っています。 

例えば、オームの法則やキルヒホッフの法則などを使う場面はそんなにありません。 ただ、法則や原理は電子工作をより楽しめる道具になることは確かですから、かんたんなことは早めに理解しているとさらに面白くなると思います

ここでは、オームの法則や抵抗の合成などを書いていますが、難しいものではないので、読み流して確認していただくといいでしょう。

オームの法則

LED点灯基本回路

これは前ページで使った図です。 

例えば、5Vの電源で砲弾型のLEDを点灯させる場合の「電流制限用の抵抗値」を計算するという場合に、オームの法則を利用して算出します。(詳細は、LEDのページで出てきます)

このHPでは、電源の電圧とLEDの仕様(特性)から、オームの法則を用いてRの値が計算することや、バイポーラトランジスタの電圧・電流制限用の抵抗値を計算すること・・・などが出てきます。

もちろん、計算出来なければどうにもならないということではありませんが、オームの法則を知っているといろいろな場合に役に立ちます。

「オームの法則」を使うと、電圧、電流、抵抗のうちの2つがわかれば、残りが計算できる「すごい法則」で、これを使う場面はよく出てきます。 

2つの法則があって、「①導線の電流は両端の電位差に比例し、その比例定数は一定で、その逆数が抵抗である」「②導線の抵抗は長さに比例し、断面積に反比例する」というものです。 文字で書くと難しそうですが、・・・

第1法則は 「電流=電圧/抵抗」という式で表され、これが非常に役に立ちます。

第2法則は、1mでAオームの導線は、2mになると2Aオーム、その断面積が2倍になると 抵抗値はA/2オームになるという内容です。

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いろいろな電子回路においては、「常にオームの法則が成り立つ」として進めるのが基本ですし、電子回路では、導線の抵抗があっても、その影響はないものとして考えるのが普通です。

 「オームの法則はどのような回路でも成り立っている」・・・としないと先に進まないからです。

ここで、電流はI、電圧はE、抵抗はRと表記されているものや、それぞれA,V,Rと表示されているなどもあリます。 いずれでもいいので、覚えやすいもので覚えるようにすればいいでしょう。 例えば、

電圧(V)=電流(A)x抵抗(Ω) から この単位を基本にしていることと、

E=IR  I=E/R  R=E/I 
V=AR  A=V/R  R=V/A

などが自分の覚え方で簡単に頭に浮かべばOKですね。

V=IRとおぼえている方もいるでしょうし、また、電圧=電流x抵抗 と覚えているかもしれません。どのように覚えてもいいので、計算できればいずれでもいいでしょう。

このHPでは当面は直流を扱うだけですので当面のところは簡単で、交流を扱うようになると、コイルやコンデンサが抵抗のように働くので複雑になってきますが、ともかく、このHPで扱う回路では、オームの法則が正しいことと、テスターで測った値は正しい・・・ということを基準にして考えることで進めます。

もちろん、その他にも、電流が流れるときに抵抗があると熱が発生して、誤差が生じたり部品の特性などを変えてしまうのも問題になります。

例えば、家庭のコンセントをタコ足にしてたくさんの電気を使うと、電線や電気器具が熱くなりますし、このHPの実験をしていても、1/8Wなどの小さい抵抗器やトランジスタが熱を持っていることがあるのですが、これらはオームの法則や測定誤差の原因になっているはずですが、オームの法則を考えるときには、この発熱は無視することになります。

測定値は常に問題が内在している

LEDに電流制限抵抗をつけて、いろいろな部分の電流や電圧を測ってみました。(赤字が実測値)

つぎに、220Ωを330Ωに変えて測定しています。(青字が測定値)

電流制限抵抗を替えた時の回路測定例

(読み流すだけでいいですが・・・)すこしおかしいところがあります。

①電圧降下の和が電源電圧になっていない ②電流値が違う ・・・ などですが、測定ではこのような問題点は出てきます。

測定値は、計算のように安定した答えを出してくれないことも多いのですが、こういう「測定上の問題」は皆無ではないことも頭にとどめておいてください。

精密測定をしているわけではない

テスターは「測定」というよりも「確認」だと思っておきましょう。

私は何も考えずに、「5Vでは220Ω」と覚えていますが、LEDが暗いと思えば、抵抗値の小さいものに変えて、電流をたくさん流せばいいですし、電流を流しすぎてLEDが切れてしまえば、「流しすぎるといけない」ということを覚えればいいと思っています。

オームの法則で計算しても、きっちりとした抵抗値は販売されていないでしょう。

楽天

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て、飛び飛びのものしか製造販売されていませんし、下の写真のセットのように、E系列ではなくて、そこから使いやすそうなものがセットされているのも実情です。

合成抵抗を用いたり、可変抵抗器(半固定抵抗器)を使って代用したりして、「適当に」使っていくことも多いのですが、そんなに気にすることでもありません。

LEDの場合は明るさで見当がつきますが、例えば、トランジスタのベース電圧用に計算した値が30kΩとすると、下で見るように、最も近い33kΩでいいですし、その前後の22kでも39kでもいいと思えるようになってくると、結構、電子工作が楽しめます。 変な言い方ですが、「動けばよい」のです。

抵抗器のセット例

次は抵抗の合成についての簡単な説明です。これについても、必要なときに覚え直してもいいでしょう。


抵抗の合成について

ここでは、2つの抵抗を直列・並列につなぐ場合の抵抗値について知っておくと便利です。

実験回路では、適当な抵抗器がなければ、2-3コをつないで使うこともできます。

直列の抵抗値は、足せばいいだけなので、私もよく使います。 しかし、並列の計算は分数の計算をしないといけないので、少し大変です。 

しかしこれも、やり方を覚えておいて、必要になれば計算できるようにしておけばいいでしょう。

3つの分数計算となると、見るだけでうんざりするでしょうから、「こういうこともできる・・・」という程度で見ておいてください。

1)直列

直列合成抵抗

直列の場合は、足し合わせれば「一つの抵抗」と考えられるということで、これは簡単です。

直列にすれば、「抵抗値は増える」イメージが持てれば、ここではこれでOKです。

2)並列

並列合成抵抗

並列の場合は、分数計算をしなければなりません。

同じ抵抗値のものが2つの場合では、例えば、5kΩであれば、合成抵抗は半分の2.5kΩになるというのを直感できるようになってきますので、これだけ知っているだけでも、かなり実用的です。

これらの抵抗と電流電圧関係を一覧にすると、次のようになります。合成抵抗と電流電圧の基本式

ここでは、直列の場合は、回路に流れる電流が等しい(I=I1=I2)、並列の場合は、各抵抗器に掛かる電圧が等しい(V=V1=V2)というところがポイントです。

この考え方はよく出てきて使います。

以上です。 キルヒホッフの法則や重ね合わせの法則なども紹介されていますが、このHPの内容では使うこともありませんので、もしも出てくるなら、そこで説明することにして以上の説明で終わりにします。

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