モータの鳴らし方byHanDen

電子工作の初心者がモータを演奏したりVVVF音を再現したりする方法を紹介するブログ ホビー向けの電子工作を基礎から書いていきます 記事のミス等のお問い合わせはTwitterにてお願いします。 当ブログを参考に製作をする際は必ず自己責任にて行ってください 当ブログを参考にしたことによる損害等の責任は一切負いません ドメイン取得につきURLを http://vvvf.blog.jp から http://blog.henden.net に変更しました

回路編 第2回 抵抗器

電子部品の細かな話の第1回目は抵抗器です。

抵抗器というと内部に電気抵抗を持っているだけの電子部品ですが、使い方は本当にいろいろあります。使い方によって同じ部品で済む場合もあれば、違う部品を使う場合もあります。

 

抵抗器の種類

カーボン抵抗

P_20170611_000147

一般的に電子回路で使う抵抗と言えばこのカーボン抵抗です。炭素を抵抗体とした抵抗器で安くてそこそこの精度を持った抵抗器です。

 

金属皮膜抵抗

カーボン抵抗では要求される精度を満たせないくらい精密な抵抗値が必要な場合に使う抵抗器です。カーボン抵抗よりは価格がちょっと高いかなと。

 

酸化金属皮膜抵抗

カーボン抵抗では電力が足りないときに使う抵抗。小型で比較的大きな電力を扱えるというのが特徴です。

 

チップ抵抗

細かな場所に回路を押し込みたい時などに使う抵抗器。基板の表面に実装できるのでコンパクトになりますが、はんだ付けがしにくいので趣味で使う分にはあまり使わないかなあと。抵抗体は金属皮膜抵抗と同じはずです。

セメント抵抗

 酸化金属皮膜抵抗をセメントで固めたもの。放熱性が高くなるので、大電力を扱えます。

 

電子回路で使う抵抗値固定の抵抗器は大体この5種類あれば十分かなと思います。

 

他には巻線抵抗器や大電力に耐えるホウロウ抵抗器とかメタルクラッド抵抗器とかありますがパワーのある回路を除き、電子回路レベルで使うことはあまりないです。

 

抵抗値固定でない抵抗器

可変抵抗

P_20170611_195206

つまみを回すことで抵抗値を変えることができる部品。基本的には3ピンの部品両端の2ピン間は可変抵抗記載の抵抗値で固定されており、中央のピンと両端のどちらかのピンの間の抵抗値が0から可変抵抗に記載の抵抗値の間で変わります。両端を電源とGNDにつなぐと分圧の原理で回転角度のセンサとして使えます抵抗値の変わり方には複数の種類がありAカーブ、Bカーブ、Cカーブって呼ばれています。基本的には線形的に抵抗値が変わるBカーブが使われます。Aカーブはオーディオのボリュームに使われますが、Cカーブはあまり使われないと思います。

 

半固定抵抗

P_20170611_200100

可変抵抗のつまみがないバージョンでドライバーなどを使って回すことで抵抗値を変更します。調整は必要なものの、値を変更することが少ない箇所に使います。カーブはBカーブのみです。

 

抵抗値の読み方

抵抗器は大型ものやチップ型のものでは数字で抵抗値が書いていますがたいていの抵抗器は色で抵抗値が示されています。その色の意味と抵抗値の読み方を説明します。

まずは抵抗器の色の意味を下の表でご覧ください。

抵抗値

初めにこの表で色を数字に変換します。

続いて出て来た数字を抵抗値に変換するのですがそれぞれの桁に意味があるので下の図をご覧ください。

抵抗

この図では3.3kΩの抵抗器の意味を示しています。読み方は図の左から10の位 1の位 桁数 精度となっており、桁数と精度の間は他のラインの間隔よりも広くなっています。

これより10の位と1の位を合わせて33 桁は10^2 精度は±5と読めます。これを合わせると 33×10^2 = 3300 = 3.3kΩ ±5%と読めますね。

 

回路図の図記号

下の図の通りですが左のギザギザの方が古い書き方で右の四角の方が新しい書き方です。JISの観点からいうと、右の四角の表記の方がいいのですが、昔からの名残で左のギザギザを使うこともよくあります。

抵抗図

 

抵抗器の用途

電流制限

LEDFETIGBTのゲートなどに流れる電流を制限して、LEDの過電流による破損防止や、FETIGBTのスイッチング速度調整を目的として取り付ける。

分圧

マイコンの入力モード時などの入力インピーダンスが高い電子部品に電源とグランドの間の任意の電圧を印加したい場合に使用します。回路構成は電源とグランドの間に2本以上の抵抗器を入れたものとなっています。それらの抵抗値の値により分圧により出力される電圧が変わります。詳細は後半の設計の章で紹介します。

ヒーター

抵抗器に電流を流すことで電力を消費させ、その発熱を利用したものです。おもにストーブなどの熱を取り出すことを目的とした使い方。

電力消費

基本的にヒーターと同じであるが、熱を目的とするのではなく、回路内で発生した電力を熱に変換して消費させるのが目的。電車では発電ブレーキや抑速ブレーキで発電した電力を消費する際に使用される。

プルアップ・プルダウン抵抗

スイッチのみをマイコン入力に接続すると正しくスイッチの状態を読み込めない問題を解決するために使用される。詳細は後半で紹介します。

 

各用途での設計法

抵抗器のパラメータ設計では基本的にはオームの法則と電力の計算式さえ知っていればなんでも計算ができます。

オームの法則

V:電圧[V]

I:電流[A]

R:抵抗[Ω]

として

V=IR

 

電力の計算式

P:電力[W]

I:電流[A]

V:電圧[V]

として

P=IV


 

電流制限の設計法

オームの法則をそのまま使って計算を行いますが注意点があります。それは計算で使用する電圧のパラメータが「抵抗器に加わる電圧」であることです。

以下のように計算を行います。

Vr:抵抗器に加わる電圧[V]

I:電流[A]

R:抵抗[Ω]

として

Vr=IR

この式を抵抗値基準にすると以下のようになります。
キャプチャ

例としてLEDに流れる電流制限の計算をしてみます。

LED適正電流If10[mA] 順方向電圧Vf1.0[V] 電源電圧V5.0[V]とした場合のLEDの電流制限抵抗の計算をしてみます。

式2-1

抵抗値は抵抗器に加わる電圧を基準に計算するので、電源電圧からLEDの順方向電圧を引いたものを電流で割った式になります。この式で計算をするとLEDの電流制限抵抗の値は400[Ω]となりました。しかし、計算で出た値の抵抗値がそのまま販売されているとは限りません。というか基本的にはないことが多いです。そのため計算した値より大きい側で販売されている抵抗値を使用します。秋月のサイトで400Ω以上の抵抗値で最も低い抵抗値を探すと470Ωがあるので今回の場合この470Ωを使用すればよいです。

 

これで、抵抗値が決定されましたが、もう一つ計算しなければならない個所があります。それは抵抗器での損失による消費電力です。電子回路の小信号部ではほとんど考慮する必要はありませんが比較的大きな電力を抵抗器で消費する場合この計算が必要です

例えば、抵抗器にかかる電圧が20[V] 電流が0.1[A]だった場合抵抗器での消費電力

P = 20[V]×0.1[A]=2[W]

となります。したがってこの場合抵抗器の許容電力が2[W]以上のものを使わなければなりません。

しかし、先ほどのLEDの電流制限のような低消費電力の回路の場合4.0[V] 10[mA]が抵抗器で消費されており、電力を計算すると 0.04[W]となることがわかります。この場合は一般的に販売されている1/4[W]の抵抗器を安心して使うことができます。

 

分圧

分圧の設計もオーム法則をそのまま使用できます。

分圧回路の回路図は下の図のような回路です。

分圧

ここで、VccからGND間に流れる電流Iオームの法則により

I= Vcc/(R1+R2)

となります。

次にVoutの電圧を電流Iを用いて表す

Vout = I×R2

となり

式2-2

となりR1R2の抵抗値の比率により出力電圧を変化させることが可能です

例えば、電源電圧5V4Vを出力したい時はR11kΩとして

式2-3

と計算することができます。

この原理を応用すると可変抵抗を使った角度センサーが作れます。

 

ヒーター、電力消費の設計法

電力を抵抗器で消費させる場合は以下の式で計算できます。

P=I^2×R=(V^2)/R

 

例えば100[V]1000[W]のヒーターを設計したい場合は

式2-4

となります。

 

プルアップ・プルダウン抵抗の設計法

考え方としては分圧の考えの応用です。

下の図の左がプルダウン、右がプルアップです。

プルアップ

説明はプルダウン抵抗の方で説明を行います。

プルダウン抵抗の方で説明を行います。

SWが開いているとき、スイッチが押されていないとき(A接点の場合)SWの抵抗値を無限大と考えます。

これを分圧の式で計算すると

Vout = Vcc×(R/+R) 0[V]

となります。

これより、スイッチが開いているときは0[V]が出力されることがわかります。

逆にスイッチが閉じている、つまり押されている(A接点の場合)ときは、SW0[Ω]と考えることができます。

Vout= Vcc×(R/R+0)=Vcc

よって、スイッチが閉じているときは電源の電圧がそのまま出力されることがわかりますね。

プルアップの場合はVccGNDが入れ替わってるだけで、同じように考えればスイッチが開いているときにVccが出力され閉じているときは0[V]が出力されることが明らかですね。

最後に、Rの抵抗値ですが基本的には1~10[kΩ]程度の抵抗値を使うのが一般的です。それ以下だと電流が流れすぎてエネルギーの無駄使い、大きいとハイインピーダンスとなり正しく動作しない可能性があります

回路編 第1回 電子部品の概要

このブログの名前「基本から始めるVVVFの作り方」って名前のとおり電子回路をほとんど触ったことがない人にもわかるように本当の基礎の基礎から電子回路について紹介をしていきたいと思います。ただし、電子回路に興味がない人はそっとブラウザを閉じてください。後半では高電圧を扱うので危険です。危険な回路を扱うのに興味がないなんて論外ですので…

 

電子回路のキソってことでまずは電子部品にどういうものがあるかってことを紹介していきたいと思います。

各部品の詳細はまた個別の記事にしますので…


抵抗器
P_20170611_000147

言わずと知れた電子回路では必須の部品。内部に正確な抵抗を持った電子部品です。電流制限とか分圧とか様々な使い方がありますね。写真は電子回路でよく使うカーボン抵抗です。ほかにも流せる電流の大きさに応じていろいろな抵抗器がありますがそれはまた次回

 

コンデンサ
P_20170611_144117

これも電子回路では必須の部品。内部に電気エネルギーを蓄えることができる部品ですね。

VVVFでは電力の平滑化とかノイズの除去とかに使います。使い方によっては簡単なタイマーとしても使えたりします。原理とか使い方の詳細はまた次回以降で

 

コイル
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電子部品の中の受動デバイスの
3つのうちの1つだけどちょっと地味であんまり使われない部品。電子回路で使うというと昇圧系くらいかなあーと。これもコンデンサと同じでエネルギーをためたりノイズを除去したりできる部品です。電車ではチョッパー制御の主要部品に使われていたりVVVFのノイズを架線に戻さないために使われていたりしますね

 

 

ダイオード
P_20170611_141340

端的に言うと電気を一定方向のみに流す部品。だけど、半導体の原理を応用して一定電圧を保つために使われたりいろいろな派生部品があります。

 

LED
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最近は省エネ対策で電球とか蛍光灯をLED変える動きがあるのでおそらく聞いたことないってことはないでしょう。電球は基本的に抵抗器でそこから出る熱を光に変えているのに対してLEDは電力を直接光に変えているので効率が良いというわけです。電子回路的にはダイオードの一種ですが、流せる電流とかに制限が厳しいので抵抗器で電流制限をしなければなりません。

 

トランジスタ
P_20170611_150615

アナログ回路では電流を増幅する部品として使われてデジタル回路ではスイッチとして使われる部品。VVVFでは主素子を動かすための部品に使われると程度かなと…とはいえ、初期のVVVFでは大電力に対応したパワートランジスタが使われていたりします。電子回路で使われるイメージとは違うけど、後で出てくるFETとかIGBTに比べるとパワー素子としては大電流に対応できるんですよね…

 

FET
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主にスイッチの代わりとして使われる電子部品。一応アナログ回路でも使えるはずですがあまり使わないと思われ…上のトランジスタと用途は似ていますが動作原理が違います。最近だと材料をSicにしたSic-MOSFETを使用したVVVFの電車が徐々に出てきていますね。

 

IGBT

鉄道オタクなら高確率で名前は聞いたことがあるであろう、スイッチング素子です。上のFETの大電力版として基本的に使われています。内部の構造的にはFETとパワートランジスタを組み合わせたものです。

 

サイリスタ

電子回路ではほぼほぼ使うことがないと思われる部品。これもスイッチング素子ですが特徴は他の素子に比べて大電力に耐えることです。ただし、基本のサイリスタは一度スイッチを入れるとメインの電流を切らない限り電流が流れ続けるので使いにくいです。対策としてGTOサイリスタがあってこれは電車のVVVFでも使われていた部品ですね。

 

リレー
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上の4つの半導体のスイッチと異なりこれは電磁石で動く普通のスイッチです。なので、動作も遅いしノイズも出たりします。ですが、ただのスイッチなので電流制限はあれど損失が少ないので定格以上の電力を流してもある程度耐えます。あまり、電車だと似た感じの部品である電磁接触器が使われていますね

 

標準ロジックIC
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ICの中でも電子回路で比較的よく使う論理回路などの機能が入っているIC。回路的に動いているものなので各ICの種類ごとに決められた動作しかしません…しかし、あとで紹介するマイコンに比べて動作が速い、消費電力が少ない、安いなどの利点もあります。動作を変更しない個所に使えば最適ですね

 

マイコン
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最近の電子工作では使う確率が非常に高くなった部品です。中に書き込むプログラムに応じて動作を変えられるほか、回路で処理すると非常に複雑になることも楽々と処理してくれます。PICとかAVRH8などの単体マイコンのほかにArduinoなどのマイコンボードもあり初心者でも触りやすい時代になりました。

 

オペアンプ
P_20170611_145208

演算増幅器ともいう非常に高性能な増幅器。理想的なオペアンプでは入力のインピーダンスが無限大で出力のインピーダンスが0、増幅度が無限大などの特性をもつ夢のような増幅器。後ほど紹介するセンサーの信号を増幅する際などに使われるほか、演算処理もできます。

 

定電圧レギュレータ
P_20170611_145608

安定した電圧の電源がほしいときに使う部品で、入力された電圧を一定の電圧に変換して出力する。ただし、入力電圧 > 出力電圧+2V 程度にする必要があり、電圧の差は熱として出力されるので効率が悪いです。

 

 

スイッチングレギュレータ

定電圧レギュレータでは電圧の差を熱として放出したが、これは熱として出さずにスイッチングをして電圧を上げたり下げたりします。効率は良い分、回路が複雑で高価です。

 

ヒューズ
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言わずと知れた回路保護の部品。回路に一定以上の負荷がかかると電源を遮断します。電流で切れるものや温度で切れるものなどたくさんの種類があります。また、ポリスイッチと呼ばれる自動で復帰するタイプのものもあります。

 

センサー

回路が周りの状態を識別するために使用する部品。温度センサーや電流センサー、光センサーなどたくさんの種類がある。

 

フォトカプラ
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LEDと光センサーを組み合わせた部品。入力側と出力側の間は光でやり取りされているので完全に絶縁されています。主に回路保護で使用されています。VVVFでも論理部とパワー部の分離で使用予定です。

 

水晶
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内部に水晶が入っており電圧を加えると一定の周波数の信号の出力がされます。マイコンで時間を測るための部品です。

 

コネクタ
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回路と電線、電線と電線、回路と回路などをつなぐための部品。

 

ソケット
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ICなどの部品を基板に取り付けるための部品。直接はんだ付けすると取り外しできないがソケットを介すと取り外しを行いやすくなります。

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