今週の実験

「バイポーラトランジスタ（BJT）の動作原理」
BJTの動作の基本「小さい入力電流を大きい電流にして出力する」を実験で確かめます。

実験方法
1,図のとおりに接続します。

2,VRを調整して電圧V0を2Vにします。
この時のVB（ベース電圧）を測定し、IB（ベース電流）を算出し求めます。
3,LED1、LED2が点灯しているかどうか観測します。
4,電圧VLの測定しIC（コレクタ電流）を求めます。（VL＝2Vとすると、IC＝3mAになります。）
5,IBとICの比（IC/IB）を求めます。この値は電流増幅率（β）といい。IBに比べてICがどれだけ大きいかということです。
6,ICが0.2mA、0.5mA、1mA、2mA、3mAの電流増幅率βを求めて記録します。またこのときVC（コレクタ電圧）も測定します。

実験結果
2,4,5の結果、算出式を下記に示します。

3,LED２のみ点灯します。
6,結果を下記に示します。

考察
・BJTのベースに0.01mAより小さい電流を流しても、コレクタに数mAの電流が流れLEDが点灯します。
・ベース電流IBを変化させてもベース電圧VBは0.55V～0.6Vの範囲で収まりで大きく変化しないです。
・ベース電流IBを大きくし、コレクタ電流を大きくするとコレクタ電圧は0Vに近づきます。
その場合　電流増幅率は急に小さくなります。

今週の実験

「CR回路で信号が遅れる」事を勉強します。

信号発生器からCR回路に正弦波入力したときのコンデンサCの電圧の変化を理解します。

実験方法
1,図のとおりに抵抗R（1KΩ）とC1（1μF）を接続します。

2,図の①にオスロスコープのC1に②をC2に接続して信号の入出力の波形を観測します。
3,信号発生器の周波数を500Hzにし、波形を観測します。
4,周波数が1000Hz以上にして波形を観測します。
5,周波数を100Hz以下に下げて波形を観測します。
（周波数が低いので、オシロスコープのTIMEスイッチをS側に倒します。）

実験結果
実験結果を以下に示します。

3,周波数500Hz時のオシロスコープ波形

C2（出力信号）の振幅がC1（入力信号）より小さくなり、
C1の信号の右側にC2の信号が表示されました。（波形が遅れました。）

4,周波数1000Hz時のオシロスコープ波形

3の500hz時よりもC2の振幅が小さくなり、より波形が遅れました。

5,周波数50Hz時のオシロスコープ波形

C2（出力信号）とC1（入力信号）の差がほとんどありません。

考察
実験方法3,4の出力信号が入力信号に比べ信号が遅れてるのは、信号発生器からの電圧がコンデンサCに伝わるとき、抵抗Rによって電流が制限され、コンデンサCに電荷が蓄積されるので遅れて、コンデンサCの電圧の立ち上げが遅れてしまうからです。

また振幅が小さくなる（電圧が小さくなる）のは、コンデンサに十分な電荷が蓄えられる前に①の電圧が下がり、それ以上コンデンサの電圧が上がらない為です。

50Hz信号の周波数が低くければ低いほどC1（入力信号）とC2（出力信号）の電圧の低下や信号の遅れの差はなくなります。

今回のCR回路のように、低周波数で入力と同じ波形が得られ、高周波数になると出力電圧が小さくなる回路をローパスフィルター回路といいます。

今週の実験

「コンデンサと抵抗の組み合わせを勉強します。」

前回の実験回路の抵抗Rとコンデンサの位置を入れ替えて実験し、コンデンサについての理解を深めます。

実験方法
1、図のとおりにC1（100μF）と抵抗R（100KΩ）とプッシュスイッチ2つを配線します。

2、スイッチ①を押すとV1の値が4V→3V→2Vと下がっていきます。
3、V1の値が2Vあたりまで下がればスイッチ①を離します。
（この時R1とGNDは繋がっている為V1の値は0Vになります。）
4、スイッチ②を押した時にLEDがどうなるか観測します。
5、3のスイッチ①を離すタイミングをV1の値を3.5V時にした時にどうなるか観測します。

実験結果

4,LEDが一瞬点灯した。

5,LEDは光らない。

考察

１、スイッチ①を押すとコンデンサに電荷がCR1の積（時定数）の速さで蓄えられコンデンサの両端電圧は5Vに近づきます。
これはV1で観測中R1を通って電流が流れている為、コンデンサの両端には（5V－V1）の電圧が蓄えられたことになります。

２、スイッチ①を離した時、コンデンサのプラス側に蓄えられた電荷は逃げ場がなくコンデンサに留まります。

３、スイッチ②を押すと、コンデンサの電荷はGNDに流れます。その時に電流はGNDからLEDを通り流れLEDが一瞬光ります。

[今週の実験部材]

スイッチングＡＣアダプター

・一般的なＡＣアダプタは、トランス（変圧器）と整流器とコンデンサで構成されています。単純な回路構成なので故障が少なく、安く作れます。例えば、９Ｖ２００ｍＡ表示のＡＣアダプタは２００ｍＡ流したとき、９Ｖの電圧が出ますという表示になっています。

・無負荷（電流を流さないとき）は２倍近い、１６Ｖ～１７Ｖ程度の電圧が出ているときがあります。また、一般的な安価なＡＣアダプタは一次側（ＡＣ１００Ｖのトランスの巻線）をわざと細くして、大きな電流が流れると断線するよう設計されています。定格いっぱいの電流を流すと寿命がとても短くなります。７０％程度（９Ｖ、２００ｍＡ表示では、１４０ｍＡ以下で使うと長寿命です。）

・スイッチング方式ＡＣアダプタは軽くて、大きな電力を取り出せます。大変優れたＡＣアダプタです。スイッチング方式のＡＣアダプタはＡＣ１００Ｖを直接整流し、高圧ケミコンで平滑して直流にします。この電力を利用してスイッチング回路により高い周波数交流を発生させます。これをまた高周波トランスから整流して、直流ＤＣ電圧を出力として　 取り出します。この高周波トランスからは、一般的な５０Ｈｚ/６０Ｈｚのトランスに対して、高効率な大きな電力を取り出せます。軽くて、小型で大容量のＡＣアダプタが得られます。無負荷（０％）～最大１００（１００％）まで電流を流しても、出力電圧は定格表示の電圧でほぼ一定に保たれています。

・最大定格で御使用になれますが、長時間お使いになる場合、定格の８０％程度で使うことをおすすめします。

今週の実験

「コンデンサに電荷を蓄える過程を実験します。」
コンデンサCに電荷が貯まる過程、電荷流失する過程を観察しコンデンサの性質を確認します。

実験方法
1、図のとおりにC1（100μF）と抵抗R（100KΩ）とプッシュスイッチ2つを配線します。

2、コンデンサC1に電圧計V1を接続しC1にかかる電圧を観測します。
3、初めにプッシュスイッチ②を押し、C1の電圧をV1＝0Vにします。
4、スイッチ①を押すと抵抗Rを通りC1に電荷が溜り電圧計の表示が5Vに近づいていくことを観測します。
5、プッシュスイッチ②を押し、電荷が流出しC1にかかる電圧が0Vに向かいます。
6、Ｒの抵抗を10KΩ、1kΩに変更、、またはコンデンサを10μF、1μFに変更した時にどのような動作の変化があるか確認します。
7、電圧値を5Vにしプッシュスイッチ①②を押さない間の電圧値を観測します。

実験結果

6,CRの電圧変化の違いを表に示します。

7,電圧に変化はおきませんでした。
考察

電荷が蓄えられえる速さはCRの積で決まります。
実験結果６で行ったＣＲの組み合わせの算出結果を表に示します。

また実験結果７では「電圧に変化はおきない。」との結果でしたが、実は少しずつ電圧が低下していきます。
それは、電圧計とコンデンサから電荷が流出する為です。
Ｃを5Vにし、電圧計を外して、しばらく経ってから電圧を測定することによって、電荷の流出がされているかの確認できます。

[今週の実験部材]

プッシュスイッチ

押しボタン（おしボタン、push-button）は、押すことでスイッチを開閉する部品。押しボタンスイッチ。
プッシュボタン。押釦。押している間だけスイッチがオンになる自動復帰型スイッチと、
押すたびにオンとオフが反転する位置保持型スイッチがあります。
より複雑な動作（押し初めだけオンになるなど）をするかのようなボタンもありますが、
そういうものもほとんどはこの2種類のいずれかと電気回路との組み合わせで実現されています。

通常状態では、接点が開いているので接続端子間は導通しません（電気を通さない）が、ボタンを押している間は、
可動接点と固定接点がくっつき、接続端子間は導通させるような接点を常時開（Normal Open）の
頭文字をとりNO接点又はa接点（arbit contact）といいます。
逆に通常状態では接点が閉じており接続端子間は導通します。
ボタンを押している間は、可動接点と固定接点が離れ、接続端子間は導通しません。
このような接点を常時閉（Normal Close）の頭文字をとりNC接点又はb接点（breakt contact）といいます。

今週の実験

「平滑回路」を勉強します。

1、前回の実験「整流回路」で作った回路のダイオードの出力部分にコンデンサC4（10μF）を追加し配線します。

2、電源を入れ前回同様にオシロスコープで信号を観測します。

実験結果
観測したオシロスコープの波形を示します。

実験結果から
入力された交流信号が少し歪んでいますが直流信号に変換されていることがわかります。

これは前回学んだ脈流がコンデンサC4に電荷が蓄えられ、
その電荷が消えなければ「回路図１の②部分」の電圧は一定に保たれます。(直流)

しかし入力信号が（－）信号の間はダイオードには電流は流れませんが、
コンデンサC4に蓄えられた電荷は抵抗R2を通ってGNDに流れてしまい「回路図１の②部分」の電圧は時間ともに下がってしまいます。
この電圧低下が写真の直流の歪みです。

テキストの解説によると、コンデンサC4の容量が大きいと電荷が流出しても②の電圧は大きく下がりません。
またC4とR2の積が1/50Hz(20msec)より十分低いと電圧の低下を抑えることが出来ます。
本実験の回路でいえば　R2×C4＝10kΩ×10μF=100msecになり電圧の低下は少ないと言えます。
そして、さらに平滑された直流電圧を作るには
回路図２のように、抵抗とコンデンサを追加し配線すれば波形がさらに平滑されます。

[今週の実験部材]

電解コンデンサ

アルミニウムなどの金属と電解質を使っています。
電解コンデンサには極性があるため、この極性を誤って接続すると破損する恐れがあります。（足の長い方が＋で、短い方の足が－です。）
また、容量的にもほかのコンデンサと比べて大きいのが特徴です。

形状が円筒状なのには理由があり、この構造（形状）にすることで
「電極の表面積を大きく取ることができ、コンデンサの容量を容易に大きくすることができる」からです。

以下に、電解コンデンサの種類を示します。
アルミ電解コンデンサ
タンタル電解コンデンサ
ニオブコンデンサ

今週の実験

「整流回路」を勉強します。
交流を直流に変換する原理をこの実験で観測し確認します。

実験方法
1、図のとおりにBBに回路を作成します。

2、入力側に信号発生器から正弦波出力を接続します。
3、入出力信号（回路図の③、④）を、コンデンサ10μF通してオシロスコープで観測します。
（コンデンサを通すのは画面中央で観測する為です。）
4、周波数が低いので、オシロスコープのTIMEスイッチをS側に倒し
Ｃ１,Ｃ２のGAINスイッチを下に倒します。（1V/cm）

実験結果
観測したオシロスコープの波形を図に示します。

考察

実験結果から

1、入力された信号がダイオードを通すことによって（－）部分がカットされ（+）部分のみの信号に変化していることがわかります。
2、入力された信号の電圧も出力側では約0.7V低くなっていることもわかります。

テキストによるとこの（+）だけの信号の事を脈流といい、これを元に直流を作っていきます。

本実験が初めて信号発生器やオシロスコープを扱う実験だったのですが、
自分で製作した測定器の機能をフルに活用している実感があり本実験はより楽しく実験を行うことができました。

[今週の実験部材]

ダイオード

ダイオードとは、半導体素子の一種で、単一の方向にしか電流を流さない性質を持った素子のことです。
ダイオードは、p型半導体とn型半導体が接合されて構成されています。それぞれの側から1本づつ電極が伸びており、p型半導体から伸びている電極はアノード、同じくn型半導体から伸びている電極はカソードと呼ばれています。
電流はアノードからカソードの方向にしか流れません。（今回の実験では①から②に電流が流れますが、②から①に流れません。）
この性質を利用して、ダイオードは整流回路などに用いられています。

[今週の実験]

「可変電圧電源を作りましょう!!」
可変抵抗器VRと電圧計V1を使用し、簡易的な可変電圧電源をつくり
電圧を変化させつくった可変電圧電源を観測する実験です。

・実験手順
1,図のとおりにBBに回路を作成します。

2,VRを左いっぱいに回し、電圧計の値が0Vなのを確認します。
3,VRを右いっぱいに回し、電圧計の値が3V（約2.96Vを表示）なのを確認します。
4,もう一度VRを左いっぱい（0V）にし、0.1V　0.5V　1V　2V　2.5V と右に回しながら
電圧計の表示を確認していきます。
・測定結果
2,　0V

3,　2.96V

4,　0.1V　　↓

0.5V　　↑
1V　　　↓

2V　　↑
2.5V

テキストの解説によると
この電源に繋がる回路に流れる電流が10mA以下の場合、ほぼ安定した電源といえるそうです。
可変抵抗器の抵抗値をもっと大きくすると、常時流れる電流値は小さくなるが、電源に繋がる回路に電流が流れると電圧が変化し、かつ大きな電流が取れなくなります。
逆に抵抗値を100Ωより小さくすると、常時流れる電流値は大きくなり、可変抵抗器の発熱、ACアダプタの容量不足等の問題の可能性がでてくるため今回の実験で使用した１００Ωは丁度いいようです。

[今週の実験部材]

可変抵抗器

抵抗値を変更することができる抵抗器。「ポテンショメータ」とも言いいます。
英語では可変抵抗器全般を指してポテンショメータの語が使われるが、日本語でポテンショメータと言った場合、多回転型や、高精度な角度検出用のものを特に指しているのがふつうです。
狭義では、つまみなどが付き、簡単な操作で抵抗値が変えられるようになっているものを特に指して「可変抵抗器」と言います。
バリオームあるいはボリュームとも言う。抵抗体を露出させた固定抵抗器の端子間に、スライダと呼ばれる可動端子を設けることによって実現します。
スライダを直線的に移動させる形状のものと、円周上を移動させる形状のものがあります。

[考察応用]

「電流を求めます!!」（応用編）
前回の実験「電流を求めます!!」では、LEDの電圧を測定し回路全体の電流値を求める実験でしたが、
今回は設計者の視点で、前回の実験の回路構成でこのLEDを使用するには、
電流値をいくらに設定し、その為には抵抗を何Ωにすればよいか？を求めていきます。

・実験手順
1,今回使用するLEDのデータシートから順方向電圧VF（V)の値を読み取ります。
順方向電圧Vf（V)とは順電流IF（条件より20mAの時）を流したときに生じる電圧降下の値です。
2,読み取った値を回路図に書き込んでいきます。
3,前回の実験同様に抵抗にかかる電圧を求めます。
4,電流値は設定されていますのでオームの法則　I＝V/Rを変形しR＝V/Iで　抵抗値を求めます。
5,実際にその抵抗値で回路を組み光り方を観測します。

結果
1,今回使用するLEDの順方向電圧VF（V)の値は　If=20mAの時　Typ値　2.1V

3, 5V－2.1V＝2.9V
4, R＝V/Iより　　I＝2.9V/20mA＝145Ω

5, 光り方も大きく綺麗に光りました。

ＬＥＤの色や種類によってVfやIfの最大定格は違うので、
回路設計時には、データシートから特性を読み取り把握する事が大切だと思いました。

 今週の実験

「電流を求めます!!」

前々回の実験「LEDを光らせる」の回路の電圧を測定し、その値から電流を求める実験です。

・実験手順

1,図のとおりにBBに回路を作成します。
（実験「LEDを光らせる」の回路を接続し、抵抗RとLEDの間の①に電圧計を接続する）

2,LEDにかかる電圧値を測定します。
3,その時に抵抗R（1kΩ）にかかる電圧は（5V－LED）の電圧がかかることがわかります。
4,オームの法則　I＝V/Rより　電流値を求めます。

・測定結果

2,　LEDの電圧の測定結果は1.74Vでした。

3,　5V－V1＝3.26V
4,　I＝V/Rより　　I＝3.26V/1kΩ＝3.26mA

よって電圧測定からこの回路の電流値を求めることができました。

この実験通してオームの法則を使い計算を行うことで
電流、電圧、抵抗の関係（オームの法則）をより捉えることができました。

[今週の実験部材]

カーボン抵抗

最も安価で性能も安定しており、幅広い抵抗値（1Ω～数MΩ）をつくることができます。
オーディオ用として売られているものも多くみられます。ただし、大電力用のものはありません。

温度変化に対する安定度が高いのは100kΩまでで、それ以上の抵抗値ではマイナスの温度特性を持ちますが、通常のオーディオ回路では全く気にすることはありません。

ただし、雑音性能においてやや劣りますので、プリアンプなど低雑音が要求される回路では金属皮膜抵抗を推奨します。

今週の実験

・実験手順

①図のとおりにBBに回路を作成します。（電圧計V1と乾電池を直列に配線する）

②電圧計の結果を観測します。

測定結果から
電圧計V1の測定値は1.42Vであり
この乾電池の電圧は1.5Vなので電圧が正常に測定できていることがわかります。

この実験通してEETL実験室の電圧計の使い方を学ぶことができました。
又、電圧とは基準点（ここではGND）から見ての高さを表す言葉だということが実験後のテキストの解説を読んで深く理解できました。

今週の実験部材

乾電池

乾電池は、電解液を固体に染み込ませて担持させ、扱い易くした一次電池です。
（一回限りの使用で使い捨てるものが一次電池、充電して繰り返し使うものが二次電池）
いくつかの形状・電圧などが規格化されていて、高い互換性があります。
また身近にある電池では、マンガン電池とアルカリ電池の2種類があります。
中に入っている材料は両方とも、+極材料に「二酸化マンガン」、－極材料に「亜鉛」を使っていますが、
材料の量や形、部品そして、中の作りが違います。
二つの大きな特徴の違いは
アルカリ乾電池はマンガン電池よりパワーがあり、長持ちです。大きな電流を必要とする機器に向いています。
マンガン乾電池は休み休みに使うと、電圧が回復するという特徴があります。小さな電流で休み休み使う機器に向いています。