楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

テスターとオームの法則から始まる電子工作

  

ともかく、私自身、電子関係では素人ですが、楽しめる電子工作を始めようと思って、何冊かの書籍を購入しました、図書館でもかなりの本を借りて、30冊以上は読んだでしょうか?

手元にある本

それでもまだ「直流」止まりで、交流までは進めていません。つまり、このような、電子理論を勉強してから何かしよう!・・・というやり方は、私のような電気電子を学んでこなかった他部門の仕事をしてきたシニア世代には、あまりいい方法ではない感じもします。

独学で学ぶにも、系統だっていてわかりやすい書籍がないですし、失礼ですが、理科系の本を書く人の書き方が下手なのか、私の理解度がついていけないのか・・・ともかく、本を読んでいても、わからないことが多すぎて、本を読んでも解決してくれないので、このやり方は「電子工作を楽しむ」ためとしては、おすすめするようなものではない感じがします。

それならどうするのか?・・・ですが、どうも実践中心のほうが面白いと思います。ともかく基本回路を作って実験しながらその変化(バリエーション)などを楽しむ方法です。

ここでは、その一つとして、テスターとオームの法則で、意外と知らない、気づかないことが多いですよ・・・ということを紹介します。

とくに、少し電子工作に馴染んでくると、予期しない疑問が次々に出てきます。それは、ネットで調べても、本にも書いていなければ、それが頭にモヤモヤと残るのですが、ともかく、自分で考えられる範囲でいろんなことをやってみる・・・ということを取り上げています。

内容は大したものではありませんが、何かの役に立てば・・・と思います。


LEDの電流制限抵抗値

バカみたいな内容かも知れませんが、LEDが点灯しているとすると、回路に電流が流れて電圧降下があるので、LEDにも何らかの抵抗があるように思っていました。(LEDを点灯しようという本文はこちらに書いています)

例えば、テスターでLEDの状態を測った経験のある方も多いと思うのですが、こんな経験はありませんでしたか?

私の場合は、200Ωレンジ(最低レンジ)では抵抗値は表示されませんがLEDは点灯します。そして、2000Ωレンジにすると、LEDは点灯しませんが、一瞬ですが、抵抗値が表示されます。さらに、20MΩレンジでは、明らかに変な抵抗値が表示されます。・・・・・

このようなことを体験したことはありませんか? もしも無ければ、やってみるとこのような変な現象に出くわすでしょう。

LEDは何らかの「抵抗器」のようなものなのでしょうか?

もちろん、LEDはダイオードなので、抵抗器のようには抵抗値が測れないのはなんとなくわかりますが、私自身、電子工作の初心者ですので、、このような、かんたんなことでも、今でもよくわかっていません。

LEDを点灯するための回路は次のようになっており、書籍には、まずは電流制限抵抗値をどうして決めるのかの説明がされているものが多いでしょう。次の例で・・・

   回路例1図1

ある書籍の説明例では・・・

電源が5Vで、仕様(順電圧)が2VのLED を点灯させる場合の抵抗値はいくらが適当ですか?・・・・・ ということで説明をしています。

ここには、もしも、手元にある220Ωの抵抗をつないだ場合を考えると、

①電源の電圧5VからLEDの電圧降下分2Vを引いた3Vの電圧降下を抵抗Rが分担しているということになりますので、
②このときに「直列につないである」ので、RとLEDに流れている電流は同じです。ここで・・・
③オームの法則を使って必要な抵抗器の抵抗の大きさを決めることができる・・・のですね。

回りくどい表現ですが、抵抗Rに流れている電流は、オームの法則を使って、I=E/Rから、3/220≒0.0136A すなわち 13.6mA の電流が流れていると計算できます。

・・・ この書籍の説明はこれで終わってしまっています。


例えば、手元に820Ωの抵抗があって、それを付けて回路を作ってみますと、これでも同様にLEDが点灯します。

もちろんその場合は、3/820≒0.004A すなわち約4mAの電流が回路内に流れていると計算できます。

本では、そういう説明は「くどい」ことなのか、それとも、それを書かなくても分かるのが通常レベルなのか、ともかく、ほとんどは詳しく書かれていません。

でも、本ではあまり書かれていないことを楽しむのも趣味の電子工作のように思います。そこからいろいろやってみると、結構楽しいのです。

例えば、5Vで3mmの高輝度LEDを制限抵抗値を変えて明るさを見てみるとします。 上の例は、普通のLEDですが、このLEDは順電圧(光らせるのに必要な電圧)は3Vですので、電源が5Vで47Ωの電流制限抵抗をつけた場合は、 (5-3)/47≒42.6mA の電流が流れるという計算値ですが、回路を組み、確かめて見ると、少し違います。 

やってみて、こんな一覧表を作りました。

高輝度LEDの実験実測値

高輝度LEDの点灯状況 全部点灯しています

左が47Ωでいちばん右が33kΩです。これだけやって見るだけで、結構楽しめます。

びっくりすることに、0.1mAの電流が流れるだけでこのLEDは光っていますし、電流の違いによる光り方の違いも実感できます。さらに、この抵抗値の誤差は1%のものでしたが、赤字のように、誤差を外れた物も結構多いこともわかります。

ただ、誤差の問題については私の側の問題もあるので、この測定値が正しいかどうかは別にして、使用する前にテスターで抵抗の値を測定してみると安心できるので、このことは意義がありますね。

0.1mAでも点灯します 0.1mAでも点灯

このように、「ともかくやってみて」 その後でその現象から理屈を考えてみると結構面白いのです。

しかし、残念ながら、このように深堀りしている本は少ないのが現状で、これには、何か理由があるのでしょうから、それはともかく「実際にやってみる」というのに徹するのが素人がやる電子工作の楽しみ方の一つ・・・かも知れません。

オームの法則とテスター

抵抗値を決めたり電流の値を決める場合に、「適当」もいいのですが、オームの法則を使って計算して、それをテスターで実測すればかなり安心できます。

この「オームの法則」は非常にうまく考えられているので、いつも感心しています。

もちろん、「抵抗」と言っても、交流になると難しすぎるので、ここでは直流だけの内容ですが、それは、テスターを使って調べるのが第一歩ですが、それでも初歩の段階で様々な疑問が出てきました。

ここに書いている内容は、たぶん、専門の方から見れば、笑ってしまう初歩レベルの問題かもしれませんが、そういう初歩のひとがつまずきそうな疑問をスキッと解決してくれる書籍が意外に見つかりませんし、WEB記事はほとんど見つからないことも多いのです。

それを打破するには、自分で試行錯誤しながら、自分自身が納得する解決をしなくてはなりません。

そのときに力になるのがオームの法則ですし、さらに、それに基づいて測定してみると、初めてその妙味に触れるのを感じるでしょう。

テスターとオームの法則で算出した値を両方見比べて「そこそこ正しい」数値ということが実感できます。

この「オームの法則は正しい」ということは理論的に証明されているということが前提になっているので、E=IR は正しいのですから、テスターとオームの法則は力強い味方ですね。

電流・電圧・抵抗

電気の流れを水の流れに例えると、電流=水の量、電圧=水を流す力です。

オームの法則では、ある電流を回路に流すと、①電圧と抵抗は比例する・・・とあります。

これをさらに言い換えれば、②電流についても、加えた電圧に比例する・・・という内容がオームの法則です。

これを式にすると、①電流=電圧/抵抗 ②抵抗=電圧/電流 という関係になるということですが、この左辺が定数だと考えると、分子が増えれば分母も増えないといけないことになるので、すなわち、それが「比例」関係になっている・・・というのがオームの法則です。

このとき、もしも左辺が「0(ゼロ)」であればどうなるかといえば、・・・ この法則は破綻します。

つまり、②で、もしも抵抗が0なら、ショートさせた状態ですので、電流が無限大に流れなければならないのですが、そんなことが起きることはありません。

しかし、①の場合では、「電流が0で流れていないのなら、抵抗は無限大である」ということについては、頭の中で納得できそうですね。


オームの法則を用いる場合は、導線などの抵抗はないものとして考えるのが原則ですが、未知の電流を測定するのに、このオームの法則の関係式を理解しやすくするためには、ある抵抗値(例えば1Ω)を用いて測ると、計算式がスッキリします。

これも、実際にやってみると納得できます。

「1」をかけたり割ったりするのですから、はっきりしていてわかりやすいですから、私は、こんな抵抗(1つ30円でした)も購入してあって、これで確認することもあります。

1Ω抵抗器の例

このオームの法則の式を見ていると、小さな電力では、短絡させて10Aレンジで電流を測っても、テスターが破損するなど、大変なことにならない感じがする・・・というように考えると、この式が見えてきませんか? 低電圧低電流の電子工作では、小さな電流を短絡して測ることもOKというのも、本には書いていませんが、私はやっています。


つぎに、E=IRからI=E/Rで、Rが1なら、E=I 電圧=電流になるのですが、ここで、「電流と電圧が同じ」というのも面白いですし、電圧を上げると電流が増えてくるということは、ある程度の電流がなければ電圧は上がらない・・・というようにも読めるのです。・・・。

こういう感じがわかってくると、少し面白いですし、こういう事を考えていると、「オームの法則は柔軟性があるもので、『うまく』使う」ということが大切なのかなぁ・・・」という感じになって来ます。

とにかく、自分でいろいろなものを測定していると、何かがわかってくる感じがしてくるのも面白いことです。

図1のLEDの回路で、電源の一方の+4.94V側から電気が流れていき、RとLEDによって電圧が降下して0Vになってマイナス極に帰っているのですが、片側(この場合は抵抗器R)の抵抗値がわかれば、反対側は特に必要ではない・・・ということがオームの法則ということだと考えると、・・・つまり、必要なものを求めるためだけのものがオームの法則であると考えれば、今回のLEDの抵抗などの必要以外のことを深く考えることはしなくていい・・・ということなのでしょう。

例えば、図1の回路で、実測した電源電圧が4.95V、固定抵抗が218Ωで12.8mAの電流が回路に流れている場合、LEDの見かけの抵抗は168Ωであれば、計算値としては成り立つのですが、そのLEDの見かけの抵抗値は「求める必要がない」と考えると、LEDの抵抗値がどうであってもいい・・・という結論と考えれば、LEDの抵抗値はテスターで測れない・・・という答えに納得できそうですので、こういう逃げ道で考える面白さも出てくるのでしょう。

つぎに、LEDの抵抗や輝度について見てみましょう。

LEDは熱で焼き切れる

LEDが切れてしまうのは、LEDにたくさんの電流が流れてしまって、「電流による発熱」で切れてしまいます。

上で書いたように、電流と電圧は等しいようなものということなので、LEDを光らせる最低限度の電圧を超えてしまうと、つまり、高い電圧を加えていくと、下に示した図2の「LEDの特性」で、自然と電流がたくさん流れてしまって切れてしまうということになるのです。

電流で切れるのですが、電圧を上げるのも良くないということですね。

だから、それを制限するために、「抵抗による電圧の低下」と「回路の直列による電流の制限」を同時に抵抗器でやっているということで、これは図1にある220Ωの抵抗のことを「電流制限抵抗」というのも、このように順序立てていくと納得できます。

つまり、電流を制限するのはもちろんですが、高い電源からの(電流だけではなくて)電圧を、LEDに適した電圧(LEDの順電圧)まで下げてやるためのもの・・・だということですね。

・・・。実は私は、このことが理解できるまでに、長い時間かかっていた初心者です。ダラダラと書いていますが・・・すみません。

テスターで直接測っても無駄です

最初に少し書きましたが、テスターを用いてLEDの抵抗を測ろうとすると、もっとわからないことが起こります。知っている方はいいのですが、知らなかった方は、一度、確かめてください。

LEDの抵抗値? LEDの抵抗値2

左のように、200ΩレンジでLEDの導通を測ると絶縁状態の「1」になっています。

これは、抵抗値が「測定の上限を超えた」という「1」ですが、2000Ωレンジでは、瞬間、変な値が出ますが、すぐに「1」になり、結局、LEDの抵抗値はテスターでは測定できません。

ちなみに、2000Ωレンジで測ると、一瞬ですが、1400-1600Ωの数字が出てすぐに消えます。しかし、どうもこの数字も変です。(なぜなのかは、電流値との関係でおかしいと直感できます)

しかしそれを、20MΩレンジで測ると、さらに変な値が出ます。(写真右)17.83MΩとなっています。

これはどうも、「LEDの性質」と「テスターの構造」の問題からこのような変な状態になっているというのは想像できます。

詳しくはわからないので、私の知識では深入りはできませんが、テスターは、内部の電池を使って、その電圧降下の大きさで抵抗を測る仕組みになっているので、このようなダイオードのようなものの抵抗値を測るのは不向きということなのでしょう。

さらに少し遊んでみます。


テスター2個で、テスター同士を測ると・・・

普通はこんなことはしないと思いますが、好奇心のある人はやってみると、いろいろ不思議なことに出会います。

ここで、テスター自体が、どんな電圧で抵抗値を測っているのかを調べてみました。

2つのテスターを使って、それぞれのレンジを変えて、テスターの「抵抗レンジの電圧」を測ってみました。

もちろん、この測定方法は正しい測定の仕方ではないのですが、どうなるのかを見るだけのものですので、やってみました。

(ここで、写真にでているマイナス表示は結線の仕方の違いですので、ここでは気にしないでください。コード(線)を入れ替えれば、マイナスは消えます)

テスターの抵抗値1 テスターの抵抗値2

右のテスターの抵抗レンジのうち200Ωレンジでは、約3Vの電圧になっています。これは正しい値の感じがします。

なぜなら、(かなりいい加減ですが) 黒いテスターは、電圧計(20Vレンジ)を使っていますが、これは電圧計なので、かなり高い抵抗値(内部抵抗値)になっているはずですから・・・。

内部抵抗値は、200Ωレンジで測定できる以上の抵抗になっているはずなので、写真左のように、絶縁状態の「1」が表示されています。これも正しいようですね。

次に、それを20MΩレンジにすると、黒テスターは緑テスターの電圧を、緑テスターは、黒テスターの抵抗値が出ているようになっているはずですが、黒に表示の電圧は0.19Vと、非常に低い電圧に下がっていて、他方は1MΩという、そこそこ高い抵抗値が出ています。

黒テスターの抵抗は1MΩ、緑テスターの電圧は0.19Vということですが、・・・ これは何か変ですね?


テスターの仕様や専門書を読むと、その理由は書いてあるのでしょう。しかし専門家ではないのでそれを追求しませんが、このように実際にやってみると面白い現象に出会います。 何かをやってみて、変に感じるということなどを経験することは大事でしょう。

測ってみることで、「間違った方法で値を測ろうとしているようだ・・・」ということがわかれば私のような初心者にも、自分なり納得できます。しかし、何もやらなければ疑問すら浮かびませんから・・・。

結局、測定している数字が何をあらわしているのかは、これだけではわかりませんが、ともかく、このテスターは、3V程度の電圧を加えて抵抗値を測っているということがわかりました。

テスターを開けて、中を確認すると、9Vの電池が使用されていました。その電圧を下げて抵抗測定に使っているようです。


3VあればLEDは点灯する?

この200Ωレンジのテスターの電圧が3Vであれば、上のLED点灯回路では、きっと、LEDが点灯するはずですね。思い立ったことは、すぐにやってみました。

テスターの抵抗値3200ΩレンジではLEDが点灯します

テスターでLEDが点灯2000MΩレンジでは消灯

このように、200Ωレンジでは、バッチリ点灯しました。

もしも3Vであれば、普通のLEDを直結すると切れてしまう可能性が高いので、あらかじめ、この場合も220Ωの抵抗をつけて電流制限していますが、はっきりと点灯しています。(後でテスター仕様を見ると、電流がすでに制限してあるので、220Ωは取り付けなくてもよかったのですが・・・)

しかし、200Ωレンジを2000Ωレンジにすると、LEDはかすかに点灯する程度になり、それ以上のレンジ(最高2000MΩレンジ)までは全く点灯しません。

さらに、写真のように、2000MΩでは、テスターに表示される数字も変な数字が表示されています。

これらはなぜでしょう

テスターの仕様書を見てみました。

「使用電池9V(006P)、開放端子間電圧2.8V、測定電流max2.2mA(200Ωレンジ)76μA(2000Ωレンジ)」と書いてあり、それ以上のレンジではさらに電流が小さい仕様になっています。

つまり、測定された3Vは、この「開放端子間電圧」というものだったようです。

そして、最大2.2mA の電流が流れるので、LEDが点灯したということです。(2.2mAでも点灯することもビックリしますが、意外とLEDの点灯範囲が広いことも、こういうことをやるとわかってきます)

これらのことから、電流制限抵抗は付ける必要がないことがわかりますし、3VでもLEDが切れることはないだろう・・・ということが次々にわかってきます。

その他のレンジ(例えば2000Ωレンジ)にすると、仕様説明書にあるように、76μAと電流が制限されているので、この少ない電流では、LEDは点灯しない・・・ということです。

これで、テスターの抵抗値測定用レンジの電圧で、LEDが点灯するかしないのかについて納得できました。

LEDを点灯させる条件を知るには、LEDの仕様を見れば、それを確認できます。

LEDの特性例図2

このグラフをみると、LEDを点灯させるためには、最低でも1.7V・1mA程度以上であることが必要だということになります。

これ以下の数字は載っていませんが、先に実験したように、この普通タイプの2VのLEDでも、点灯するはずです。定電圧電源を使ってやってみると次のようになりました。

LED特性試験の例1

LEDの試験例

LEDの裸試験例

最初は、安全を考えて制限抵抗を入れて電圧をかけました。1.7V以下になると、急激に流れる電流が少なくなって1mA以下では「かろうじて光が見える」状態です。

そこで、抵抗を取り外して、上のグラフの実線範囲の2Vから電圧を下げてみると、やはり1.7V以下になると暗くなり、上のグラフの意味が納得できました。図2のグラフとは異なりますが、このようにしてこのグラフが作られていたということが分かると、何か、一歩進んだ感じがしませんか?


さて、このようなことを合わせると、上のテスターの200Ωレンジでは2mAの抵抗測定のための電流が流れる仕様になっていますので、いちおう「点灯する」範囲にある・・・ということがわかりますし、実験したことでそれに納得できました。


このようなことを何回か繰り返してやっていると、自分の頭の中で、このようなLEDに関する知識が「常識」となっていくのでしょう。

いわゆる、「経験」が加わって、「説明しなくても、自分の頭の中では『常識』になってくる」ということになって行くのですが、一番はじめに、「理科系の人の書籍の書き方が良くない・・・」と書いたのは、こういう理由かもしれません。

つまり、やはり、ある程度のことを経験しないと、本の内容すら理解できないということになるのですが、それでも、「それって、何かおかしい」ような気もします。

以上ですが、このように、万能で使いやすいテスターがなければ電子工作はどうにもなりません。テスターは「強い味方」ですので、まず、何時も用心いて使うことと、使い方になれる必要がありそうですね。 

他の電子工作記事を順に書いていっています。気が向けばお読みください。

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→こちらにもLEDの記事があります

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