Background

• 仕事でメカトロニクスの理解が必要になった
• 昔習ったが、もう電気を全く覚えていない
• また、電子工作系の知識も不足している
• 漏電して感電するのも怖いので改めて学習した

電気とは

電気は、電子という小さな粒の動きに関係している。 とくに金属の中では、電子が動きやすく、その流れを利用したものが電気である。

水にたとえると分かりやすい。

• 電流 = 水の流れる量
• 電圧 = 水を押し出す力
• 抵抗 = 水の流れにくさ

まず覚える3つ

1. 電流（A）

電気がどれくらい流れているかを表す。 単位は アンペア（A） である。

• たくさん流れる → 電流が大きい
• 少ししか流れない → 電流が小さい

2. 電圧（V）

電気を押し出す力である。 単位は ボルト（V） である。

乾電池1本は約 1.5V である。 家庭のコンセントは日本では普通 100V である。

3. 抵抗（Ω）

電気の流れにくさである。 単位は オーム（Ω） である。

• 抵抗が大きい → 電気が流れにくい
• 抵抗が小さい → 電気が流れやすい

いちばん大事な式

これが電気の基本中の基本である。

V = I × R

• V：電圧
• I：電流
• R：抵抗

これを オームの法則 という。

たとえば、

• 電圧 10V
• 抵抗 5Ω

なら、

• 電流 = 10 ÷ 5 = 2A

となる。

電力と電力量

電力とは？

電気がどれだけ仕事をするかを表すものである。 単位は ワット（W） である。

式は以下である。

P = V × I

• P：電力
• V：電圧
• I：電流

たとえば、

• 100V
• 2A

なら、

• 100 × 2 = 200W

である。

これは「その機械が200W分のエネルギーを使う」という意味である。

電力量とは

電力量との違いは以下の通りである。

• 電力（W）：瞬間の強さ
• 電力量（Wh, kWh）：どれだけ使ったか

例： 1000Wの電子レンジを1時間使うと 1000Wh = 1kWh となる。

直流と交流

直流（DC）

電気が一定の向きに流れるものである。

例：

• 乾電池
• モバイルバッテリー

交流（AC）

電気の流れる向きが周期的に入れ替わるものである。

例：

• 家庭のコンセント

回路とは

電気は、ぐるっと一周できる道がないと流れない。 この電気の通り道を 回路 という。

• スイッチON → 道がつながる → 流れる
• スイッチOFF → 道が切れる → 流れない

直列回路と並列回路

直列回路

部品を1本の道に一直線につないだ回路である。

例： 電池 → 抵抗1 → 抵抗2 → 戻る

特徴

• 電流はどこでも同じである
• 電圧は分かれる
• 抵抗は足し算になる

公式 合成抵抗 = R1 + R2 + …

直列回路の例

2Ωと3Ωの抵抗を直列につなぐと

合成抵抗 = 2 + 3 = 5Ω

10Vをかけると

$$ I = 10 / 5 = 2A $$

各抵抗にかかる電圧は

• 2Ωの抵抗：V = 2A × 2Ω = 4V
• 3Ωの抵抗：V = 2A × 3Ω = 6V

合計すると 4V + 6V = 10V となる。

並列回路

部品を枝分かれするようにつないだ回路である。

特徴

• 電圧はどの枝でも同じである
• 電流は分かれる
• 抵抗は小さくなる

公式

$$ 1/R = 1/R1 + 1/R2 + … $$

2つだけなら

$$ R = (R1 × R2) / (R1 + R2) $$

並列回路の例

例

6Ωと3Ωを並列につなぐと

$$ 1/R = 1/6 + 1/3 = 1/6 + 2/6 = 3/6 = 1/2 $$

だから

$$ R = 2Ω $$

である。

ショート（短絡）とは？

抵抗がほとんどない道ができて、電気が一気に流れすぎる状態である。 とても危険で、発熱や故障、火災の原因になる。

基本的なイメージ

まずの理解として大事なこと

電気の基礎は、まずこの4つを押さえるとかなり楽になる。

• 電圧 = 押す力
• 電流 = 流れる量
• 抵抗 = 流れにくさ
• 電力 = 使うエネルギーの大きさ

すごく簡単なイメージ

乾電池と豆電球をつなぐと光るのは、

• 乾電池が電圧をかける
• 回路がつながる
• 電流が流れる
• 豆電球がその電気を光と熱に変える

からである。

抵抗

リアクタンス

交流での「流れにくさ」のうち、 コンデンサやコイルによるものをリアクタンスという。

コンデンサとコイルの対比:

• コンデンサ：
  • 電気をためる、変動をならす
  • 電圧の変化を嫌う
• コイル：
  • 電流変化を抑える、磁気を使う
  • 電流の変化を嫌う

慣用電流

電子が見つかる前に、先に「電流はこの向き」と約束してしまったから、実際に動いている電子とは逆向きで表現もする。

• 電流は、回路図や式の世界では ＋ → －
• 電子は、金属の中では実際には － → ＋

極性

向きがある部品のプラス・マイナス、または電流の向きのこと

LED

LEDは極性がある。

• アノード：プラス側
• カソード：マイナス側

見分け方:

• 足が長い方がアノード
• 本体の平らな切り欠き側がカソード

回路記号では、ダイオード記号に光の矢印がついた形。

ダイオード

• 電流を一方向に流しやすくする部品
• 本体の線が入っている側がカソード

電解コンデンサ

• 極性あり
• 本体の帯表示は、たいていマイナス側
• 逆接続すると劣化、発熱、破損の危険がある

部品の役割

抵抗

役割：

• 電流を流れにくくする
• 電圧を分ける
• 信号の状態を安定させる

代表例：

• LEDに電流を流しすぎないための電流制限
• スイッチ入力のプルアップ・プルダウン

コンデンサ

役割：

• 電気を一時的にためる
• 電圧の変動をならす
• ノイズを減らす

よくある使い方：

• 電源の近くに置いて電圧を安定させる
• スイッチのチャタリング対策
• タイマー回路

電圧の揺れを吸収する部品。

ダイオード

役割：

電流を一方向にだけ流しやすくする

よくある使い方：

• 逆接続保護
• 整流
• モータやリレーの保護

逆流防止弁である。

トランジスタ

役割：

• 小さい信号で大きい電流を扱う
• スイッチとして使う
• 増幅する

よくある使い方：

• マイコンの出力だけでは足りない電流で
• モータを回す
• リレーを動かす
• LEDをたくさん点灯させる

電子的なスイッチである。

IC

役割：

複数の機能がまとまって入った部品

例：

• 555タイマ
• オペアンプ
• ロジックIC
• マイコン

一言でいうと： 機能のかたまりである。

回路図

• 部品をどうつなぐかを、記号で表した図である。
• 実物の見た目ではなく、どことどこが電気的につながっているかをみる

最低限読むべき記号

電源:

• VCC, VDD, +5V, +3.3V など：プラス電源
• GND：基準電位。一般にはマイナス側や0V扱い

抵抗:

• ジグザグ、または四角記号

コンデンサ:

• 2本線
• 極性ありは片側に＋表記があることもある

ダイオード・LED:

• 向きがある
• LEDは光を表す矢印つき

スイッチ:

• 開く・閉じる接点

回路図の見方のコツ

• 線がつながっているかを見る
• 点がある交点：つながっている
• 点がない交差：つながっていないことが多い

電源で最初に見る項目

• 必要電圧は何Vか
• 最大電流はどれくらい必要か
• ACかDCか
• 極性は合っているか

抵抗

気にするもの：

• 抵抗値（Ω）
• 定格電力（W）

電力はたとえば

• P = V² / R または
• P = I²R

で計算する。

例： 100Ωに5Vかかると

$$ P = 25 / 100 = 0.25W $$

コンデンサ

気にするもの：

• 容量
• 耐圧

たとえば5V回路なら、耐圧6.3Vでも理屈上は使えるが、10Vや16Vなど余裕を持たせることが多い。

トランジスタ・IC

気にするもの：

• 最大電圧
• 最大電流
• 消費電力
• 入力電圧範囲

最初は、 「絶対最大定格を超えない」 だけでもかなり重要である。

テスターの使い方

まず使う3機能

電圧測定

何を見るか：

• 電池が生きているか
• 電源が出ているか
• 部品の両端に何Vかかっているか

使い方：

• 並列につなぐ
• 赤を測りたい点、黒をGNDへ置くことが多い

導通チェック

何を見るか：

• 線がつながっているか
• はんだ不良がないか
• ショートしていないか

使い方：

• 電源を切ってから測る

抵抗測定

何を見るか：

• 抵抗値が正しいか
• 断線していないか

使い方：

• 通電中は基本測らない
• 回路につながったままだと正しく測れないこともある

電流測定は少し注意

• 電流を測るときは、テスターを直列に入れる必要がある。
• ここを間違えて、電源に並列で当てるとショートに近い状態になって危険である

フローティング

用語

• 開放：電気的につながっていない状態
• フローティング：電圧が決まらず、ふわふわ不安定な状態
• ハイインピーダンス（Hi-Z）：その端子がほとんど電流を流さず、回路に強く影響を与えない状態
• プルアップ：弱くVcc側につないで、何もしていないときにHighになるようにする
• プルダウン：弱くGND側につないで、何もしていないときにLowになるようにする

浮いているとはなにか

浮いている状態とは、その点の電圧がHighでもLowでもはっきり決まっていない状態。

そのとき、その入力は

• たまたまHighっぽく見える
• たまたまLowっぽく見える
• 周囲のノイズでころころ変わる

ということが起こる。

これをフローティングしているという。

フローティングとは

フローティングは、そのノードの電位がどこにも固定されず、宙ぶらりんな状態である。

たとえばこういう回路である。

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Vcc ---- スイッチ ---- 入力ピン

この回路でスイッチがOFFだと、入力ピンはVccにもGNDにもつながっていない。すると入力ピンの電圧は決まらず、浮く。

その結果、

• 誤動作する
• ノイズを拾う
• 触ると値が変わる

といったことが起こる。

開放とは

開放とは、文字通り回路がつながっていない状態である。 英語では open, open circuit という。

たとえばスイッチOFFで線が切れている状態は開放である。

ただし重要なのは、

• 開放 = つながっていない
• フローティング = 電圧が決まらず不安定

であり、似ているが同じ言葉ではない。

ハイインピーダンス（Hi-Z）とは

ハイインピーダンスとは、その端子がほとんど電流を流さない、非常に抵抗が大きいように見える状態。

通常の出力ピンは

• Highを出す
• Lowを出す

のどちらかで、回路をぐっと引っ張る。

しかしHi-Zでは、

• Highにも引っ張らない
• Lowにも引っ張らない
• ほぼ切り離されたように振る舞う

という状態になる。

プルアップとは

プルアップとは、対象の点を抵抗を通してVcc側へつなぐことである。

こうすると、何もしていないときはその点がHighになる。

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Vcc
 |
[抵抗]
 |
 +---- 入力ピン
 |
スイッチ
 |
GND

• スイッチOFF
  • → 抵抗を通してVccにつながる
  • → 入力はHigh
• スイッチON
  • → GNDに直結される
  • → 入力はLow

プルダウンとは

プルダウンとは、対象の点を抵抗を通してGND側へつなぐことである。こうすると、何もしていないときはその点がLowになる。

回路イメージ

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Vcc
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スイッチ
 |
 +---- 入力ピン
 |
[抵抗]
 |
GND

• 動き
  • スイッチOFF
  • → 抵抗を通してGNDにつながる
  • → 入力はLow
• スイッチON
  • → Vccにつながる
  • → 入力はHigh

つまり、通常時はLow、押したらHighになる。