今回の実験

「E-Stationを使ってLEDを光らせる」で電流計を使って電流を計測しました。
今回は同じ回路を使い、電流計を使わずに電圧計を使って計算で電流を求めます。

※なぜわざわざ計算で求めるの？と思われる方もいらっしゃるかもしれません。
　しかし電子回路の検証では、電圧を測定し電流を求めるのが一般的です。
　理由はのちほど。

■実験手順
１．図のようにブレッドボード上に回路をつくります。


２．電源を投入し、全体の電圧V1とLED端の電圧V2を測定します。
３．抵抗Rの両端にかかる電圧をV1-V2で求めます。
４．オームの法則“I＝V/R”より電流値を求めます。

■測定結果
・以下のような測定結果となりました。

　　～モニターを拡大～

・測定の結果、V1＝5.07V、V2=1.89Vでした。
・したがって、抵抗両端の電圧は以下となります。

　　　5.07V-1.89V＝3.18V

・電流値は“I=V/R”より
　　　I＝3.18V/1kΩ＝3.18mA
この実験を通してオームの法則に従って電圧を測定し電流を求めることができることがわかりました。

※「E-StationでLEDを光らせる」の回で、電流計による測定値は3.15mAでした。
　今回の値との誤差は約1%であり同等の測定ができていることがわかりました。
※抵抗とLEDを逆に接続し、抵抗をGND（グランド）側に接続し抵抗端の電圧を測定すれば、
　そのまま抵抗値で割り算することで電流を求められます。
　今回は非線形素子（電流と電圧が直線的に変化しない）のLEDがGND側でしたので、
　上記の計算を行いました。

＜補足＞なぜ電圧計を使って計算で電流を求める方法が一般的？
大きくは２つの理由が考えられます。
１．電流計は回路に直列で挿入することが必要です。したがって完成した電子回路の観測を行う場合、
　電流計を挿入するために、プリント基板などのパターンを切ったり部品を外したりすることが
　必要な場合が多いためです。
２．電流計には内部に小さいですが抵抗分があり、その抵抗分が回路の振る舞いに影響を与える可能性
　があるためです。
　また、特に高周波やデジタル回路では波形への影響が考えられ大きな影響がでる可能性があるためです。
　（電圧計は大きな内部抵抗を回路に並列に接続するため、電流計に比べて影響は小さい）
　　
　　

今回の実験部材

■カーボン抵抗

今回の実験にはカーボン抵抗を使いました。正式には炭素被膜抵抗と言います。
比較的誤差が大きく（5%程度）また雑音が大きいですが、安価であることから広く使われています。
抵抗としては、他に誤差の小さい金属皮膜抵抗、放熱性があり数～数十W程度に対応できるセメント抵抗などが使われています。

今回の実験

■実験手順
①回路の作成
以下の回路をブレッドボード上につくります。（電圧計V1と乾電池を直列に配線する）

②実験
E-Stationの電源を投入し電圧を測定します。

今回は新品のアルカリ乾電池を使用し、電圧計V1の測定値は1.60Vでした。
アルカリ乾電池の公称電圧は1.5Vですが、新品時の解放電圧（OCV　*1）は1.6V程度が一般的です。
そのため正常に測定できていることがわかります。
　　*1：JISではアルカリ乾電池のOCVは1.68Vmax
この実験を通して電圧計の使い方を学ぶことができました。

今回の実験部材

■乾電池
※写真は今回の実験に使用した電池

乾電池は電解液を固体にしみ込ませて担持させ、扱いやすくした一次電池です。
（一回限りの使用のものが一次電池、充電して繰り返し使えるものが二次電池）
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、身近にある一次乾電池では、マンガン電池とアルカリ電池の2種類があります。
電極の材料はそれぞれ＋極に二酸化マンガン、－極に亜鉛を使っていることは共通ですが、電解液などに違いがあります。
アルカリ乾電池はマンガン電池よりも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。

今回は乾電池（＝一次電池）を取り上げていますが、二次電池を含めた広義の電池ではリチウムイオン電池が話題になることが多いですね。
リチウムイオン電池は高いエネルギー密度、長寿命、軽量といった特性を持ち、PCやスマートホン、電気自動車などには不可欠なものとなっています。
今後はさらに高エネルギー密度、安全性、急速充電性などが求められ、全固体電池の開発が進められています。　電池の進化への期待は高いですね。

今回の実験

■実験手順
①回路の作成
以下の回路をブレッドボード上につくります。

②動作確認
電源を投入し、LEDが光ることを確認します。

③実験
１．抵抗Rの値を1kΩを基準に、100Ω・300Ω・10kΩに変更し、LEDの光り方と電流の変化を観察します。
２．LEDには極性（短い方がマイナス極、長い方がプラス極）があるので、極性を逆に配線した場合にどうなるかを観測します。

今回の実験部材

LED

LED（エル イー ディー）はLight Emitting Diodeの略です。日本語では発光ダイオードと言います。
電流を流すことで発光する小さな半導体チップを樹脂で覆った光源です。小型、軽量、高い視認性、速い応答速度などの特徴を持つことに加えて、長寿命、低消費電力、水銀など有害物質を使用しないなど環境にやさしい部品です。

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今回はオペアンプについて考えていきます。オペアンプはアナログの代表的な素子と呼ばれています。

オペアンプはOperational Amplifierの略称であり、日本語では「演算増幅器」と呼んでいます。 回路図の記号では図１に示す通りになり、２つの入力の差(=演算)を増幅するものになります。

オペアンプには大きな特徴として次の２つがあります。「増幅度がとても大きいこと」「入力インピーダンスがとても大きいこと」

「増幅度がとても大きいこと」とは「小さい入力信号をとても大きくして出力することができる」と言い換えることができます。その率は数万倍となります。

一見、良さそうですが、少しの変化でもとても大きい変化になってしまうため、逆に扱いにくくなってしまいます。これを扱いやすくするために、入力と出力の間に抵抗を入れて、実用的な増幅度に設定します。この抵抗Rfのことを「帰還(feedback：フィードバック)抵抗」と呼んでいます。図３の場合は、反転入力（－）側に接続するので、負帰還の状態になっていると表現します。

図４に帰還がない場合とある場合のイメージを表わします。帰還が行われない場合は、帰還が行われる場合には、制限が行われ扱いやすくすることができます。

「入力インピーダンスがとても大きいこと」とは、「電流が流れないこと」と言い換えることができます。

「電流が流れない」ため、入力端子に抵抗がつながっている場合には、オペアンプには電流が流れず、接続されている抵抗にそのまま流れていくことになります。これにより、オペアンプの存在を考えなくてもよいことになります。

「増幅機能」の例として、図６に反転増幅回路を示します。

扱いやすくするために、帰還抵抗を使うことは先に述べましたが、帰還抵抗を入れることにより、イマジナリショート(仮想短絡)と呼ばれる現象が発生します。

イマジナリショートとは反転入力(-)と非反転入力(+)がつながるイメージになるという現象です。このことは、非反転入力(+)がGNDに接続されているため、反転入力(-)もGNDに接続されることになります。本来ですと、入力の電流はGNDに流れていくのですが、オペアンプの特徴である　「入力インピーダンスがとても大きい」ため、電流はRfに流れていきます。

図８に示す通り、入力側と出力側を流れる電流は同じになりまので、

Vin/Ra = -Vout/Rf

この式より

Vout = -(Rf/Ra)*Vin

となり、増幅度はRfとRaの比で決まることになります。

図９に実際に作成する反転増幅回路を示します。この場合の増幅度は　(Rf/Ra) = 20kΩ/2kΩ = 10　で10倍になることが求められます。また、本回路の場合は非反転入力(+)に2.5Vが入力されるため、中心電圧は2.5Vになります。

オペアンプを用いた「演算機能」の使用方法としては「加算、減算、乗算、除算、積分、微分、比較」などがあり、とてもたくさんの使用方法があります。

今回はその一例として、加算（足し算)に関して考えていきます。加算回路は先に述べた反転増幅回路の応用編とも言えます。

入力１～３の３つの入力がRa１～３を通して接続されています。加算回路の場合は、それぞれの入力に対する出力を求め、それを足し合わせたものになります。求め方は先の反転増幅回路と同じになります。

即ち

入力１に対する出力：Vout1 = -(Rf/Ra1)*Vin1 = -(6/2)*1  = -3

入力2に対する出力：Vout2 = -(Rf/Ra2)*Vin2 = -(6/3)*1  = -2

入力3に対する出力：Vout3 = -(Rf/Ra3)*Vin3 = -(6/6)*1  = -1

総出力：Vout = Vout1 + Vout2 +Vout3

                　    = (-3) + (-2) + (-1)

                　    = -6

この値が実際に出力可能かは電源電圧やオペアンプの種類によって変わってきます。

図１４に実際に作成する加算回路を示します。実験するE-Stationでは負(－)側の信号は扱えないため、正帰還を用いた加算回路となっています。この場合、非反転入力の電圧は平均値となるため1.32V+0.66V)/2=0.99V となります。また、増幅度は (1+Rf/Ra) = (１＋20kΩ/10kΩ) = 3　となります。

前回は半波整流回路について考えました。半波整流回路では、反対側に流れる（負の側）電気を流さないようにすることで、交流を直流にしていました。しかし、その方法では負の側の電気を捨てることになり、元々の交流の半分しか使わないことになります。そこで、負の側の電気も使おうと考えられたのが「全波整流回路」です。

半波整流の時と同様、電気の流れをコントロールするのにはダイオードを用います。半波整流では用いたダイオードは１つでしたが、全波整流では４つ用います。そして、図４のように接続します。このように接続した回路を「ダイオードブリッジ」と呼びます。

図４のダイオードブリッジを用いて、構成したのが全波整流回路になります。

では、全波整流回路の動作を見ていきましょう。まずは正弦波の正(+)側の動作です。

①正(+)側の場合はここがスタートになります。

②ここではD4には逆に電流は流れないので、D1に電流が流れます。

③D3にも逆に電流は流れないので、R1に電流が流れます。

④R1には上から下に電流が流れます。

⑤D4のカソード側の電圧は⑤の位置より高くなるため、D4には電流が流れません。この結果、電流はD2に流れます。

⑥以上のルートを通って電流は帰ってきます。

以上の動作より、正(+)側の場合はD3、D4は電気が流れず、動作していないことになります。次は正弦波の負(-)側の動作です。

①負(-)側の場合はここがスタートになります。

②ここではD2には逆に電流は流れないので、D3に電流が流れます。

③D1にも逆に電流は流れないので、R1に電流が流れます。

④R1には上から下に電流が流れます。

⑤D2のカソード側の電圧は⑤の位置より高くなるため、D2には電流が流れません。この結果、電流は D4に流れます。

⑥以上のルートを通って電流は帰ってきます。

以上の動作より、負(-)側の場合はD1、D2は電気が流れず、動作していないことになります。

全波整流回路の正(+)側、負(-)側のそれぞれの動作を見ていきました。どちらの場合も、R1に流れる電流は④に示す通りで同じ方向になり、半波整流で捨てていた負(-)側の電流も用いることができます。但し、各簡略図に示す通り、経路にダイオードが2個存在するため、その分、振幅は小さくなります。

なお、全波整流回路において、入力信号と出力信号の基準電圧(GND)が異なるため、同一画面で表示ができません。このため、今回は2台のE-Stationを使って画面表示しております。

今回は整流回路について考えていきます。整流回路は「交流を直流に変換する回路」になります。

交流とは家庭のコンセントに来ている電気ですが、時間により流れる方向が変化します。

一方、直流とは電池による電気で、時間により流れる方向が変化しません。

即ち、「交流から直流への変換」とは「電気の流れる方向をコントロールする」という処理になります。

ここで重要となってくる素子が「ダイオード」になります。ダイオードは以下の記号で表されます。

ダイオードの三角形の底辺側をアノード、線の側をカソードと呼んでいます。実物にもカソードを示す線が書いてあります。

ダイオードの特性は「一つの方向にだけ電気を通す」というものになります。

図５の(a)のようにアノード側に＋、カソード側に-の電圧を加えた場合を順方向電圧と呼びます。この場合には電気を通します。一方、図５の(b)のようにアノード側に-、カソード側に+の電圧を加えた場合を逆方向電圧と呼びます。この場合には電気を通しません。

図６はダイオードによる整流回路です。次にダイオードに交流信号を入力した場合を考えていきます。交流信号は時間と共に正負が変わる信号です。信号の正(+)側が順方向電圧の状態になり、負(-)側が逆方向電圧の状態になります。よって、正(+)側は電気が流れますが、負(-)側は電気が流れない状態になりますので、出力信号は、図4に示すように正(+)側の半分だけの波形になります。このように半分だけを取り出す回路を「半波整流回路」と呼んでいます。

図７のように、正(+)側を取り出し、負(-)側をとり除くことが出来ましたが、元々の正弦波と同じく時間による大きさの変化が存在しています。このような波形を「脈流」と呼んでいます。このままでは使えないので、「平滑回路」で変化の少ないなめらかな信号にする必要があります。これに関しては、「平滑回路」編で説明していますのでご確認ください。

さて、、、

元々の信号のうち半分を捨ててしまいましたが、使わないのはもったいないですよね？安心してください。ここでは使わなかったもう半分を使う方法があります！それは「全波整流」という整流方式になります。少し回路が複雑になりますが、じっくり取り組んで頂ければ、きっと理解できると思います。興味がある方は、「整流回路(全波)」編をご覧ください！

今回は平滑回路について考えていきます。

平滑という言葉ですが、あまり聞きなれない言葉です。意味は、「平らでなめらかなこと」になります。具体的なイメージとしては次のようなものかと思います。

平滑回路も上記のようなイメージに沿っています。では、どのような回路になるかを見ていきます。

家庭に届いている電気は交流であり、一方電池は直流です。電池で動作している機器を、コンセントの電気で動作させるためには「交流」から変換して「直流」を作り出す必要があり、この回路のことを「交流-直流変換回路」と呼んでいます。

交流から直流への変換には段階を踏む必要があります。1段目の整流回路では「とりあえず直流」を作成し、２段目の平滑回路では「なめらかな直流」を作成します。

図３は交流-直流の変換回路図になります。回路各部の波形を見ていきます。

図４は整流回路の入出力波形になります。ダイオードは矢印の方向にだけ電気を通します。このことは入力された正弦波のマイナス部分をカットすることになります。また、ダイオードにより少し電圧が低下するので、出力波形は図のようになります。このように正弦波の半分だけを用いるものを半波整流と呼んでいます。但し、ここでの出力はプラス側の電気となるため、「とりあえず直流」になります。

「とりあえず直流」を得られましたが、でこぼこな出力となっており、電池のように一定値の電気を必要な機器には、このままでは使えません。そこで平滑回路の出番となります。

図７は平滑回路の入出力波形になります。コンデンサC2の充電と放電の作用により、ほぼ一定値に近い状態を作ることが出来ました。ちなみにコンデンサの容量を大きくすると、より一定値に近づけることが出来ます。