回路系技術資料/電気回路 - 関東応援団＠ロボコンwiki

電気回路とは…

抵抗、コンデンサ、コイルの要素のみで構成された回路のこと。

よってトランジスタやダイオードなどは電気回路では扱わない。
これらは電子回路に属する。

また、それぞれの素子の原理は電磁気で扱うことになる。

ロボットで回路を作ろうとするといろいろな知識も必要になる。
だからといってすべてを理解するのは難しい。
よってロボットのための電気回路が必要になるわけだ。

基本:オームの法則

E＝RI
電圧は電流と抵抗の積に等しい。
合成抵抗や分圧の概念はここから。

重要:電力

P=EI=RI^2
電力は電圧と電流の積に等しい。
オームの法則より電圧を用いない式にも変更可能。
これに時間を加えると発熱量となる。

これだけわかったら、電気回路部品の簡単な概念を説明しよう。

抵抗

もっとも標準的な回路素子。
直流、交流ともに同じ働きをする最も簡単な素子でもある。
オームの法則に出てくるように、電流と抵抗値の積が電圧となる。
LEDの保護抵抗に代表されるように、簡単に分圧することができる。
また、合成抵抗という概念では、直列なら和、並列なら積/和となる。
ポテンショメータやCdSセルは抵抗が変化する素子であり、工夫することでセンサとして用いることもできる。

コイル

直流成分を透過し、交流成分のみを減衰、抑制させる素子。
電流より磁場が発生するため、電流を蓄える性質がある。
モータもコイルの一種として考えることもできる。
問題として、コイルには抵抗値が存在するため、理想のコイルとしてそのまま使うことはできない。
昇圧回路によく使われることもある。
直流の定常状態では短絡として扱われる。逆にパルスを入力した瞬間は開放として扱われる。
銅線で輪ができるだけでコイルの成分が存在してしまうため、測定ノイズの原因となることもある。

コンデンサ

交流成分のみを透過し、直流成分を抑える素子。
電極板に電荷を蓄えることで電圧を蓄える性質がある。
直流では、電源に並列につなぐことでノイズの抑制を行うことができる。
直流安定化電源には最後の平滑化に使われる。
コンデンサの動作はFETのスイッチング動作にも関係している。
直流の定常状態では開放として扱われ、逆にパルスを入力した瞬間は短絡として扱われる。
特殊な方法を用いることで昇圧回路にも用いられる。
二つの銅線があるだけでコンデンサの成分が存在してしまうため、測定ノイズの原因となる。

ロボコンを意識した電気回路

ここからは、ロボコンのためだけの電気回路を進めよう。

ロボットには充電池を用いることが多い。
つまり、直流電源を用いた回路が多いため、交流の知識はあまり必要ない。
しかし、モータの動作を考えてくるとそうもいってられず、過度特性という強敵が存在する。
すべてをいきなり理解するのは難しいが、一つ一つ覚えていこう。

抵抗

上記のとおり用途はLEDの保護抵抗に代表される。
やはり大事なのはカラーコード。抵抗値がわからないければ、使うこともできない。
カラーコードは抵抗に5本以上の線が入っているものもあるが、4本を用いることがおおい。
第1,2色帯が数値、第3色帯が桁を示す。
カラーコードは次のとおり。
黒→０
茶→１
赤→２
橙→３
黄→４
緑→５
青→６
紫→７
灰→８
白→９
金や銀(たまに他の色もある)が誤差率を示す第4色帯となっている。これで向きを判断しよう。
一般的な抵抗は誤差率5%の炭素皮膜。許容電力もあまり高くないので気をつけよう。
1kΩ抵抗は、茶黒赤金となっているので参考に。

加えて可変抵抗を使うことも多い。
3端子の可変抵抗は、2端子の間を1端子が動く形となっている。
そのため2端子は一定の抵抗値を持ち、他のパターンは可変となる。
ポテンショメータも同じ原理を用いている。

大事なことは、抵抗が入っている限りそこに流れる電流は電源電圧÷抵抗値以下となること。キルヒホッフ則でそれが良くわかるはず。昇圧を除けば。

コイル

使わない。
使うとしたら昇圧回路のみ。

コンデンサ

電圧の変動を抑えるため、様々な素子の隣に置かれる。電源、IC、マイコンなど。
電源を切ってもLEDが少しの間消えないのはこの素子の影響。
セラミックコンデンサ、電解コンデンサを中心に使うことになる。
電解コンデンサに限り、電圧の向きと大きさに制限がある。間違えて爆発させないように。
モータにもノイズ対策として使われる。
抵抗と組み合わせることで遅延回路を組むこともできる。