2 Let’s Play with LED
今回の講義の目標は、LEDを光らせることです。電子回路がどういうものかのかを体感してみましょう。 目次 2.1 電子回路 2.2 デバイス 2.3 LED 2.4 実習 2.1 電子回路 この講義では、マイコンボードを中心にした電子回路(electronic circuit)を作っていきます。電子回路とは何か、ということはあまり難しく考えないことにしましょう。ここでは、様々な電子部品を電線で結んだものとしておきます。当然、電気を流します。 もう少し正確に言うと、電子部品に電圧をかけて電流を流すということになります。電子部品は、電流が流れて初めて仕事をしてくれます。小学校の時に、豆電球を光らせる実験をしたことと思います。あれです。電流はプラス極からマイナス極に流れます。電線をうまくつなぐことで、電子回路を作ります。 電圧と電流 電圧の強さは、ボルト(V)という単位で表します。電流の量は、アンペア(A)という単位で表します。一般的に、電圧を強くすればするほど、電流は多く流れます。1.5Vの電池1つで豆電球を光らせるより、2つの電池を直列につないで3Vにした方が、豆電球は明るく光るのでしたよね。 しかし、電流を阻害するものがあります。それが抵抗です。プラスとマイナスの間に繋がれた抵抗が大きくなればなるほど、流れる電流は少なくなります。抵抗の大きさは、オーム(Ω)という単位で表します。 電圧と電流と抵抗の間には、有名なオームの法則という関係が成り立っています。電圧をE、電流をI、抵抗をRで表した時、以下の関係が成り立っています。 E = R×I これは式の変形を行うと、以下のようにも表せます。 I = E/R 多くの場合、電圧は決まっていて抵抗を使って電流を制御することになるので、I = E/Rの方が直感的に理解しやすいですね。つまり、抵抗R(分母)を大きくすればするほど、電流Iは小さくなります。 では、逆にRをどんどん小さくしていくと、どんなことが起こるのでしょうか。Rが0に近づくと、Iは無限大に近づいていきます。電池のプラス極とマイナス極を電線で直接結ぶと、ちょうどこのような状況になります。電線自体にもわずかながら抵抗はあるのですが、とても小さいです。このような時、回路は短絡している、あるいはショートしているといいます。ショートすると大量の電流が電子回路に流れ、電子部品は破壊され、電池は熱を発して最悪の場合発火したり爆発したりします。特にリチウムイオン充電池を使っている場合には非常に危険です。 回路は絶対にショートさせてはいけません！ ショートさせないためには、適切な場所に適切な大きさの抵抗を入れる必要があります。 直列回路と並列回路 回路には、直列回路(serial circuit)と並列回路(parallel circuit)があります。豆電球の例で考えましょう。豆電球を直列につなぐとは、以下のようにすることです。 豆電球は、光を発する抵抗だと考えましょう。よって、回路はショートしていません。 並列につなぐとは、以下のようにすることです。 豆電球を直列でつなぐのと、並列でつなぐのとでは、どのような違いがあったか思い出しましょう。 直列につなぐと、豆電球を1つだけつないだ時よりも暗く光ります。 並列の場合のそれぞれの豆電球の明るさは、1つだけの時と明るさが変わりません。 電池の持ちは、直列の場合には豆電球を1つだけつないだ時よりも長持ちし、並列の場合には早く無くなってしまいます。 2つの抵抗を直列につないだ場合、全体の抵抗値は2つの抵抗値の合計になります。豆電球の場合も同じで、1つつなぐよりも2つつないだ方が、より抵抗が大きくなります。抵抗が大きいのですから、オームの法則から計算できるように、回路全体を流れる電流は小さくなります。よって、豆電球は弱く光ります。同じ豆電球を2つ直列につないだ場合、それぞれの豆電球にかかる電圧は、電池の電圧の1/2となります。 2つの抵抗を並列につないだ場合は、少し複雑です。まず、電圧から考えます。並列回路の場合には、2つの豆電球それぞれにかかる電圧は等しくなります。この場合では、電源の電圧と、2つの豆電球それぞれにかかる電圧は同じです。つまり、局所的に見ると、豆電球1つを1つの電池につないだ時と同じ電圧・電流が、それぞれの豆電球に与えらえることとなります。よって、明るさは1つの時と2つの時で変わりません。 今度は、回路全体の抵抗を考えます。2つの豆電球の抵抗値を、それぞれR1、R2と呼ぶことにしましょう。並列に繋いだ部分全体の抵抗値をRとします。 この時、RとR1、R2の間には以下のような関係が成り立ちます。 1/R = 1/R1 + 1/R2 今、R1とR2がそれぞれ200Ωだったとしましょう。すると1/R = 2/200となり、Rは100Ωだということが分かります。 1つの豆電球を繋いだ時の抵抗値が200Ωに対して、2つの豆電球を並列に繋いだ時の抵抗値が100Ωになるということです。何だか不思議ですね。その結果、回路全体に流れる電流は、豆電球1つの場合よりも2つの場合の方が多くなります。結果、電池の減りが早くなります。 […]