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電気回路について

2001/12/11 16:44

noname#2748の回答

noname#2748

2001/12/11 23:59 回答No.3

専門用語というよりは部品の名前ですね。コンデンサは電荷により電気を蓄える素子です。向かい合った二枚の電極に電圧をかけると、それぞれの電極にプラスとマイナスの電荷がたまります。電荷とはちょうど静電気のようなものだと理解しておけばよいでしょう。電極が電荷で一杯になるまで電流が流れて、一杯になった時点で電流はとまりますが、加える電圧の向きを逆にすると、今度は逆向きの電荷で一杯になるまで流れます。このようにコンデンサは電圧の変化のある電流だけを流し電池のような一定の電圧を保った物の場合、最初の一回だけ流れて後は流れません。また、交流のように電圧が変化する場合は、変化が早いほど（周波数が高い）よく電流を流す性質があります。この性質を利用し直流と交流が混ざったものから交流のみ取り出したり、ほしい周波数のだけをより分けたり、一定の周期で変化する電流を作ったりといろいろな回路に応用される、最も基本的な素子のひとつです。を蓄えられる電気の量は電極の面積に比例し電極の距離に反比例します。また、一般のコンデンサでは電極の間に誘電材という材料を入れて電気を蓄える量を大きくする工夫がされています。また、電解コンデンサでは電極の間に電解液を染ませた紙を挟んで、化学的な方法を利用することにより大きな電気を蓄えられるようにしています。コンデンサの電気を蓄える能力の大きさをキャパシタンスといい、単位はＦ（ファラッドとよびます）を使いますが、これは実際に使うには大きすぎる単位なので、通常μＦ（マイクロファラッド・１００万分の１Ｆ）ｐＦ（ピコファラッド・１０億分の1Ｆ）などの単位を使います。コイルは電気を磁気のエネルギーに変えて蓄える素子でコンデンサーとちょうど逆の性質を持っています。コンデンサが蓄えた電気を放出するとき、蓄えた電圧と同じ向きの電圧で放出しますが、コイルでは蓄えた電気を放出する時の電圧の向きは蓄えた時と逆になります。これを逆起電力といいますが、コイルに電流を流したときと切ったときでは磁力の変化の方向が逆になることに起因します。先にも書いたとおりコイルではコンデンサの逆で周波数が高くなるほど電気を通しにくくなる性質があり、直流ではただの電線と同じです。またコンデンサでは蓄えられた電圧以上の電圧が出てくることはありませんが、コイルでは電流を遮断した瞬間に加えた電圧よりも高い電圧が出て（ただし電力は大きくなりません）きます。これを利用して元の電圧より高い電圧を得る回路を作ることもできます。パソコンなどの電源で多用されているスイッチング電源はこの性質を利用た回路です。また、コンデンサ同様に必要な周波数だけをより分けることもできます。コイルの場合もコンデンサの誘電材と同様な役割を果たす材料があり、これをコアと呼びます。低い周波数では鉄心が多用され、周波数が高くなるとフェライト（酸化鉄を焼き固めたもの、磁石の材料でおなじみ）などが使用されます。コイルの電気を蓄える能力をインダクタンスと呼び単位はＨ（ヘンリーです）このためコイルのことを別の呼び方でインダクターという場合もあります。トランスは複数のコイルからなり、電力を一旦磁力に変換し別の（別でない場合もある）コイルで再度電力に変換する部品です。トランスで扱えるのは電圧の変化がある電流のみで直流を扱うことはできません。なぜこのような面倒なことをするかというと、交流であればトランスに巻かれたそれぞれのコイルの巻き数に比例した電圧を簡単に得ることができるからです。たとえば電柱の上に載っているトランスですが、電柱までは１００Ｖではなくもっと高い電圧で送電されています（これはインピーダンスの問題でそのほうが効率がよいから）それは、一般家庭で使用する１００Ｖや２００Ｖに変換するのに複雑な回路なしでトランスだけでできるという利点があります。トランスの入力：出力の電圧の比はそれぞれに巻かれたコイルの巻き数に比例します。また、複数の回路のインピーダンス変換（電圧は十分大きいが電流は少ししか流せない回路から、電圧は小さくてよいが電流を多く流さなくてはならない回路への仲立ち・逆もあり）や電気的に絶縁しておく必要がある回路（トランスを挟んだことで二つの回路を電線でつなぐことなく接続できるので二つの回路を絶縁することができます）などです。リレーは電磁石を利用したスイッチで通常手で動作させるスイッチを電磁石の力で動作させているようなものです、接点の構成は一般のスイッチ同様多種多様なものがあります。リレーを用いる利点は小さな電流で（リレーの電磁石を動作させる電流だけでよい）で大きな電流のオン/オフができる。リレーを動作させる回路とリレーによってオン/オフされる回路が絶縁されているため、基本的に負荷の種類を問わないなどです。大きなものではリレーを動作させるコイルには１２Ｖで数百ミリアンペア程度の電力で、数千ボルト数百アンペアの電力をコントロールできるものもあります。ただし欠点としては動作が遅いことと、機械的な部分を持つため寿命が比較的短いことでしょう。タイマーはその名のとおりタイマーです一定時間動作を遅らしたり、一定期間だけ動作させる回路です単一の素子の名前ではありません。また、電力用のリレーと組み合わせるものでタイマーというものがありますが、これはモーターなどが無理な力がかかった状態に置かれたときに、一定以上の時間、定格以上の電流が流れたときに回路を遮断するもので、トリップタイマーなどと呼ばれています。電子回路用のタイマーとしては「５５５」というＩＣが有名です。これは数点の部品を外付けするだけで比較的安定なタイマーを構成することができます。バリスタは日本語では負性抵抗素子と呼ばれ、加えられる電圧が大きくなると抵抗値が小さくなる素子で、ノイズの除去や必要以上の電圧が回路にかかるのを防ぐ役割で用いられます。サージアブソーバーやリミッター回路につかわれます。サージアブソーバーとは電源回路などに外的雑音が発生した場合に回路に異常な高電圧がかからないようにする回路です。バリスタを利用したリミッター回路とは電話などで使用されていますが、マイクから入る音が大きすぎる場合に一種のＡＧＣ（オートゲインコントロールの略で一種の自動ボリューム）として働きます。半導体とは名前のとおり導体と不導体の中間に位置するものです。ただし一般的に半導体素子として使用されているものは、高純度に生成された半導体に目的にあわせた不純物（これも高純度に生成されたもの）を混ぜて使用します。ダイオードは半導体素子の一種で一定方向にのみ電流を流す性質があります。この性質を利用して整流（交流から直流を得る回路）や誘導負荷（コイルやモーター）が発生する逆起電力に対するサージアブソーバー・スイッチング（電流の方向でオン/オフを切り替える）などの用途に使用されます。この仲間は非常に多数の種類がありＬＥＤ・ツェナーダイオード・バリキャップ（ダイオードとしては使用せずコンデンサとして使用する変り種）・ＰＩＮダイオード・フォトダイオード・ダイアック・ＧＵＮダイオード・ショットキーダイオード等々です。ＬＥＤはダイオードの一種でもちろんダイオードとしての性質も備えていますが、使用の目的はダイオードとしてではなく電球のような発行素子として用います。ＬＥＤとはＬｉｇｈｔ　Ｅｍｉｔｔｉｎｇ　Ｄｉｏｄｅの頭文字で直訳すれば、光放出ダイオードとなります。ダイオードを構成する半導体の不純物としてある種のものを選択することで接合部から光を発生するようになります。不純物の種類や量により可視光領域から赤外領域までいろいろな波長の光を発生します。サイリスタは一般にＰＮＰＮの四層構造を持ち日本語ではシリコン制御整流素子（ＳＣＲ・Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｃｏｎｔｏｒｏｌ　Ｒｅｃｔｉｆｉｒｅ）と呼ばれています。アノード・ゲート・カソードの３つの電極を持ちカソード・アノード間にかけられた電圧をゲートによって制御します。整流とスイッチの二つの役割をひとつの素子で行える素子です。基本的に電力制御用の半導体スイッチとして用いられています。リレーのような機械的な部分がなく、高速での動作も可能なため便利な素子なのですが、直流をスイッチングする場合は少々厄介な性質があり、一度オンになってしまうと電源がオフになるまでオフにできないということです。この点を改良したものにＧＴＯ　ＳＣＲ（ゲートターンオフＳＣＲ）というものがありますが、この場合でもゲート電流を切っただけではオフにならず、ゲートに逆方向の電圧をかける必要があります。ただし後述するトランジスタよりも大きな電力を扱うことができる点や交流を扱える点など便利な点もたくさんあり、大電力を扱う分野ではよく使われています。また、仲間にトライアックという素子がありこれは整流作用がなく白熱電灯の調光器などに使用されています。トランジスタはトランスとレジスターという二つの言葉の造語でエミッタ・ベース・コレクタの三つの電極がありエミッタ・コレクタ間の電流をベースに流す電流によって制御する素子です。リレーやＳＣＲのようなオン/オフの制御だけではなくその中間の任意の位置に制御することができます。ベースに流す電流の大きさに比例してエミッタ・コレクタ間の電流が変化しますのでアナログ増幅器には欠かせない存在です。トランジスタにも多くの種類があり、ＰＮＰ・ＮＰＮの一般的なバイポールトランジスタ・ＦＥＴ（チャンネル型・ＭＯＳがた）・ＰＵＴ・ＵＪＴ・フォトトランジスタ等々でそれぞれ用途に適・不適があります。フォトカップラーは発光ダイオードとフォトダイオードまたはフォトトランジスタを組み合わせた素子で内部にスイッチング回路を組み込みディジタル出力としたものが多いようです。役割としては非接触でのパルスカウントや回路の絶縁などに用いられます。一番身近なものとしてはマウスでしょう。一般的なマウスではボールの回転をローラーに伝えローラーに連動したタイミングローター（多数のスリットのついた円盤）をまわしその円盤が投光側と受光側の間の光を断続させることでボールの回転を読み取っています。このように投光側・受光側の間に物体を通す構造の物をフォトインタラプターと呼びます。ＩＣはインテグレーテッドサーキットの頭文字をとった物で日本語で言うと集積回路と呼びます。単一のシリコンチップ上に形成されたものをモノリシック型と呼び複数のシリコンチップ上に形成されたものをハイブリッド型と呼びます。どちらにせよひとつのパッケージに回路を形成した物です。トランジスタやダイオードなどの単一の性質を持った素子ではなく、ある目的のために作られた回路をひとつのパッケージに収めたものです。フォトカップラーなどもこの範疇に入ります。オペアンプは正式にはオペレーショナルアンプリファイアと呼び日本語では演算増幅器と呼びます。、出展はアナログ時代のコンピュータにあり入力インピーダンスが無限大・増幅度が無限大で出力インピーダンスが無限小というものです。実際にはこのような条件は不可能なのですが、その条件にできるだけ近づけるように設計されたアナログ増幅用のＩＣの総称です。これらの特徴は作動入力回路を備え、入力インピーダンスが極めて高く、無帰還増幅度が極めて高いということです。出力インピーダンスについては外部回路で補わない限り一般にあまり小さいとはいえません。以上きわめて大雑把に概論を書きましたが、ご質問の書く項目ごとに一冊本が書けるのではないかと思うほど、それぞれの特性についてはおくが深いものです。入門者であれば一度にすべてを知ろうするよりも、実地に回路を作り動作の確認と論理の一致を検証するような地道な方法をお勧めします。コンデンサや抵抗・コイルなど単一の素子だけでも十分に理解するにはかなりの時間が必要です。ただし、試作回路の設計にそれらのすべての知識が必要なわけではありません。回路図中に示される各部品の定格が大きく外れていても動作に支障がない場合も多くあります。しかしこれらの値が無為なものではなく、理想的に動作させるためのものでることは念頭において見ていく必要があります電子回路を設計する場合、単体部品の誤差や基盤設計上のインダクタンスやキャパシタンスなどにも影響される場合があるので、その分を見込んで設計するのが一般的です。最後にここに述べたのはあくまで一般論でこれに合致しない事例もありますし、各素子の中の詳細な種別に関しても記してありません。図解なしで書ける内容にも限度がありますし、文書の長さの制限からもとても無理です。多分オーム社あたりから詳細な説明がされている書籍が出ていると思いますのでそちらを参照されることをお勧めします。同じ値を持つ素子でも種別を間違えると正しく動作しない場合もありますので、用途にあった素子を選ぶということはきわめて重要です。