電子工作のすすめ その3:実際にやってみよう

これは、会社の若い人に初めて電子工作をやってもらったことを書いています。3ページ目です。

前のページでは、若い始めての人に電子工作に親しんでもらえるように、はんだごてなどの工具を購入して、電子工作キット「キットで遊ぼう 電子回路Vol.1」を使って、はんだごての練習やテスターの使い方やLEDの知識を知ってもらうまでの話でしたが、このページでは、LEDを点灯させながら、必要な知識などを説明したない湯を書いています。

もちろん、考えていることをやってもらうのは難しいことで、説明も不十分ですが、これについては、キットには付属しているものではなく、実習のために別に部品類を購入したもので体験してもらいました。 

電子工作をやってみようと考えている方も、「こんなかんたんなこと・・・」と思わないで、一度ここに書いた内容が理解できるか読んでみると、意外に知らないこともあるかもしれません。

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1. 豆電球をつけてみる

これは誰でも知っているような豆電球の点灯です。

実生活では豆電球を見ることもくなっているのですが、話の流れだとして読み流していただくといいでしょう。

電球の点灯

豆電球は図のように電源(ここでは1.5Vの乾電池)をつなぐと、電球の中のフィラメントが電流の作用で発熱して光りますね。

まずここで注意する点は、豆電球は、電池の電圧に見合ったものを使うようにしなくてはいけません。

1.5Vの乾電池では1.2V用の豆球を使うとよいのですが、実際に、豆電球の実験をしようとするだけでも、いろいろな基本的な問題があります。

だから、この上の図についてだけでも、全く初めての人に説明するのは大変なことで、「学校で習ったはず・・・」と言っても、殆ど忘れている人が多いでしょう。

最近では、「学校では実験をほとんどさせない」ので、習ったことでも覚えていないしいろいろなことを経験していないので、一から説明しないといけないでしょう。

 

豆電球に書いたボルト数にあった乾電池を直列にして、適当なものになるように点灯します。

指定の電圧より低い電圧では輝度(明るさ)は低くなりますし、高いと早くフィラメントが断線したり、耐用時間が短くなるだろうなぁ・・・ということを明るさを見て実感してもらうといいでしょう。

適正な状態(例えば1.2Vの豆球を1.5Vで点灯させた場合などでは)で点灯させたときに、思ったほど明るくないと感じるのではないでしょうか。

つまり、明るく輝いているものは、かなり無理をさせている場合が多い・・・ということなども、一般論ではなく、経験すると確かなものになるでしょう。

これらは実に単純なことなので、ほとんどの人は頭ではわかっています。

でも、これを自分で実験して確かめてみると、意外と、わかっていないことや、実際には違っていることがわかるのです。

最近は、学校では実験をしないで、教科書などに書いてあることだけを教えられることが多いので、これらは頭の体操と思って、ぜひもう一度やって見られることをおすすめします。

1.3~1.5V用の豆電球を電池1個点灯してみてから、6V用の豆電球を1.5Vの電圧で点灯させてみてください。暗いですね。さらに、1.5V用の豆電球に2個の乾電池を直列につないで3Vをこの豆電球につなぐと、非常に明るく輝く状態になります・・・。何気ないことですが、こういう機会に実感してみましょう。きっと、充実考えられると思います。

 

次にここで、豆電球と乾電池の直列並列についても確認して見ましょう。

これはもちろん、キットに付属のブレッドボードやテスターを使えば、電流電圧値を確認するのも簡単に行うことができます。特に「電球の直列」のときに、教科書に書いていないことが起こりやすいのですが・・・。

電池と豆球の直並列

大きい丸の光は、明るいことを示しています。このようになるのでしょうか?

このように、豆電球の直列した場合については、輝度に差が出やすいのですが、多分これは、学校で学んだことも経験したこともないと思います。

実際にやってみると、豆電球の特性などの影響で、このようにならないなどもあって、考える通りにならないこともあって、面白いことに出会うかもしれません。

これらのことは、やってみるとわかりますし、やった結果とその理由を考えていくと、「わからなかったことがわかった」という満足感にもつながります。

豆電球を並列につないだときは、電池の電圧に応じた明るさになります。しかし、直列の場合はよくわからないところでしょう。ともかく、やってみて、結果を見て納得すれば、確実な知識になるでしょう。

豆電球の直列では、原理的にはこの上図のようになりやすいのですが、やってみると、見た目にどちらの明るさも変わらない結果になったりします。これらは「実験してみる・やってみる」の面白さです。そして、その理由を考えるようになると、有望だと言えるかもしれません。

2. 次にLEDです

LEDという言葉と、それが何なのかは、ほとんどの人が知っているのですが、点灯のさせ方は知らない人が多いでしょう。

ここでも、実習時に説明した内容を書いていますが、確認しながら読んで頂くといいと思います。もしもまだやったことのない方は、これをやっていただくと、意外と奥が深いことに驚かれると思います。

1回ではすべてを理解するまではいかないと思いますが、「なんでも実験して、手を動かしてやってみた・・・という経験をしたことは覚えています」 ぜひ、機会があれば、手を動かしてやってみることをおすすめします。

LEDの例 LEDの基本回路

これは「砲弾型」とよばれるLEDです。今では、高輝度LEDが広くでまわているので、少し古くなった感じですが、基本はこのタイプですので、これを用いています。

足の長さが長いほう(+ アノード)から短い方(- カソード)に電気が流れて発光します。右が基本の回路ですネ。

長い方の足に電池のプラス側をつなぎます。

上の豆電球と違って、電流を制限するために抵抗を直列につなぐ必要があリます。

これについては、「キットで遊ぼう 電子回路Vol.1」に、電源電圧に合わせた抵抗やLEDが付属していますので、それをブレッドボードを使ってつないでもらうことから始めるといいでしょう。

キットには砲弾型のものが10個程度付属しています。現在では、LEDの種類や形状がいろいろありますので、教える側も、何をどう教えていいのか、迷ってしまいますが、とりあえず、使えるもので回路を作って、点灯してみましょう。

[ここで質問]下図のように、このLEDの一つに1.5Vの乾電池を直接つなぐとどうなるのでしょう?

LEDを直結する

この図は、正しい接続の仕方ではありません。 かなり大胆で危険だという人もいるかも知れませんが、この実験を一度やってみるといいでしょう。

結果は、何も起こらないはずです。よく見ると、LEDの一部が光っているかもしれません。

つまり、乾電池1個(1.5V)では、発光させるための電圧が低すぎたために点灯しません。・・・これが答えです。(正解しましたか?)

そして、単3電池4つを直列にした状態(6V)でLEDをつなぐと、どうなるのでしょう?

答えは、ぴかっと光って一瞬でLEDがOUTになリます。(これをイメージできましたか?)

この実験は、普通はやってはいけないことですが、私の生徒さんのほとんどは、LEDを壊しました。

大して危険なことではありませんので、最初にこの強い光でLEDが一瞬に使えなくなることを体験しておくのはいいことだと思っています。

そうすれば、LEDには定電流化が必要なことやオームの法則を使って計算できること・・・が説明して理解してもらいやすくなります。

これは、LEDに流れる電流が大きすぎてLEDが瞬時にきれてしまったのですが、そのためには、LEDの規格値以下に電流値を下げることが必要で、上図の電流制限抵抗や直列の場合の抵抗とLEDに流れる電圧をテスターで確かめる・・・ということへの理解が進むでしょう。

 

最近の若い人の多くは、取説(テキスト)を読まないで「即実行」します。

LEDの基礎知識については、別に購入した電子工作キット「キットで遊ぼう 電子回路Vol.1」に沿って、テキストを読みながらすすめると、全く問題なくマスターできるのですが、若い人の多くは、勝手に何かをやります。

LEDに6Vの乾電池を直結するのを昭和生まれの私から見ると、冒険心の凄さや恐ろしさを感じてしまうのですが、正直言って、これはなぜいけないのか…ということを、上手く順序を追って教えていくということのほうが非常に難しいので、大きな費用や大した危険がないなら、「一瞬でLEDが破損する状態」を体験してもらうのも一つのやり方とおもいました。(100個以上をまとめて買うと、5円以下ですから予め、たくさん購入しておくといいでしょう)

そのために、「キットで遊ぼう 電子回路Vol.1」に沿って進めてもらいながら、並行してLEDの説明をしたのが、以下のような内容です。

まず、LEDについて知ってほしいことを話しました

LED一つをとっても、最低限知っておかないといけないことがいろいろあります。手を動かしてもらいながら、一通り説明しています。

砲弾型LED LEDの説明図

①LEDは「発光ダイオードLight Emitting Diode」のことで、半導体の素子で、いろいろな形状や仕様のものがあること。

②諸元については個々に違いますが、この写真のLEDは、Basic 5mm(5mm基本砲弾型)と呼ばれる標準的なもので、ここでは一般的な「1.8V 10mA」という数字を基本にして考えますよ・・・ということ。

③白色(青色)LEDは少し違うということ。

④足が2本出ていて、アノード(+:長いほう)→ カソード(-:短いほう)に電気が流れます。逆の電圧をかけても光りません。

⑤規定より低い電圧や逆向きの電圧では少ししか発光しませんし、大きな電圧や電流をかけると、その印加方向にかかわらずに破損して元には戻りません。(大抵の人は、LEDをオシャカにしました。それでいいと思います)

このために、電流を制限する「抵抗器」を回路中に入れてやる必要に話がつながります。

 

電流量が増えると明るくなるのですが、15mAを流した場合と20mA流した場合を比べると、すこし明るくなる程度ですが短寿命になります。

明るくしたいのであれば、電圧を上げる、抵抗値を下げる・・・などの方法があるのですが、購入したキットには適当な抵抗器が無かったので、別に購入した「定電流ダイオード」で体験してもらいました。

さらに、「LEDは熱に弱い」ために電流の熱作用を気にしないといけないことや、家庭用のLED照明なども熱がこもらないようにしないと寿命が極端に短くなってしまうことなども説明すると理解してもらえるでしょう。

熱に弱いので、基板などに直接はんだ付けをする場合にも充分に注意が必要だということも話しました。

 

⑥使用する電源は直流ですが、もちろん、LEDは「ダイオード」ですので、交流であっても、電圧と電流値が適当であれば、問題なく点灯します。(しかし、実験しませんでした)

 

DCアダプター12V

回路を考えるときのポイントとしては、①乾電池1つ(1.5V)では光らない ②電流を制限しないといけない ③つなぐ方向がある

・・・などですが、すぐには理解できないでしょうから、とりあえず説明して、時間内で好きに実験してもらうようにしました。

1.8V・10mA

LEDについては、結構、奥が深いので、いろいろな楽しみ方があります。実習では十分できませんでしたが、以下を読んで、興味があれば、やっていただくと面白いでしょう。

この1.8Vは「順方向降下電圧forward drop」のことで、「LEDを1つ使うと1.8Vの電圧降下をします・・・」ということです。だから、LED5個を直列につなぐと1.8x5=9V以上の電圧をかけないと光らないということになります。

12VのACアダプターを使用すると、12÷1.8≒6.7 で、6つぐらいまでであれば、直列にして全部を同時に光らせることができますね。

そして10mAについては、10mA程度の電流が流れると光ります・・・というもので、仕様書には推奨電流(Suggested using current):15-18mA や、許容電流(Max current):20mA などが表示されています。

充分な発光には推奨電流の15mA程度で考えてやるといいということになります。

 

このタイプのLEDはすべて同じで、20mA以上の電流を流すとLEDが破損しやすくなります。さらに、電圧が2Vを越えると、たくさんの電流が流れるので注意しないといけないことになります。

推奨電流を超えても、実際には、非常に明るくはなリませんので、もしも、もっと明るくしたい場合は、このLEDでは無理ということになり、高輝度タイプなど、別の種類をさがす必要があります。

 

LEDの直列と並列の話

直並列の説明 LEDの並列つなぎ

WEBの図をお借りています。左は直並列になっている図で、右は、個別に4つのLEDを光らせている図で、この左図では5個の直列になったLEDの組が並列に2組接続されています。

このスイッチを入れると、全部(10こ)のLEDが点灯します。右は並列で4つのLEDをそれぞれの抵抗を介して光らせるものです。

数個を直列にすると、その1組に対して抵抗は1つでいいのは長所ですが、直列にしたLEDの1つでも破損すると、全部が点灯しなくなります。

WEBの記事などでは、これらのことを簡単に書いていますが、これを実験するのは少し時間がかかります。

電源電圧はいくらにすればいい? 抵抗値はいくらのものを使えばいい?・・・などと話題をすすめるとかなり時間がかかりますし、始めての方には、少しむずかしいので、実験としては、やりませんでした。

 

直列の場合の明るさについては、LED1つ一つが同じ仕様のものであれば、同じ明るさになりますが、順方向降下電圧が異なったメーカーや種類の違ったLEDを直列に使うと、明るさにむらができることになります。こういうことは、やってみないと説明は難しいことで、是非一度試してみてください。

 

「キットで遊ぼう 電子回路Vol.1」では、これらを実験して、それぞれの部分での電圧、電流値をテスターで測定することでそれらを理解できるように考えられています。

いろいろやりたい方は、このキットはうまく考えられていますので、ぜひ、キットを利用してやってみるといいでしょう。

その他にも、面白いキットがあります。楽天のページですが、見ているだけで、面白いと思うのですが、キットではなくて、少しの部品を購入するだけで、結構遊べる「LED」ですので、楽しいでしょう。

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電流を制限する必要があります

LEDを点灯させるには、20mA以下になるように電流を制限するために「抵抗」を直列に入れたり、電流制限用のダイオードを直列に入れます。この「直列」に入れて電流を制限するというのは大事なことなので、じっくり説明したかったのですが、少し難しいのでしょうか?

さらに、オームの法則とキルヒホッフの法則などを少し詳しく理解すると、電子回路を考える上で役に立つのですが、もちろん、これらの法則などは、中学・高校で習っているはずなのに、きっと忘れていますので、ここでは、抵抗を直列にすると電流が制限されてLEDが破損しない・・・ということだけでもおぼえておいてほしかったことなのですが・・・。

・・・こういう状態であったので、オームの法則やキルヒホッフの法則については、十分な説明もできませんでしたので、さわりだけを簡単に説明しました。

電流制限抵抗値の計算

直列にすることで、同じ電流が回路に流れていること、LED自体にも内部抵抗があること、半導体素子で、電圧・電流の違いで、都度それが変化すること、LED1個を点灯させる場合の推奨電流は15mA(=0.015A)、LED順方向降下電圧は1.8V などの基礎的なことを知って、制限抵抗の計算ができるようになっておくといいでしょう。

LEDに抵抗を直列につなぐと、キルヒホッフの法則が適用され、それぞれの素子に同じ電流が流れることになります。そうなると、オームの法則で必要な抵抗値が計算できるということになります。

 

オームの法則は、電圧(E)=電流(I)x抵抗(R) でしたね。

 

LED1個を点灯させる場合を考えて12Vの直流電源につなぐとすると、抵抗によって12-1.8=10.2V を低下させてやればいいので、

 

① (電源電圧-順方向降下電圧)10.2V=(流そうと思っている電流値)0.015A x R からオームの法則でRを計算すると、680Ω になります。

② 少し長寿命にするためにLEDに15mA流すのではなくて、10mAを流すとすると、10.2V=0.01AxR から R=1020Ω となります。

③ LEDを3個直列にする場合は、抵抗によって低下させる電圧は 12-(1.8x3)=6.6V

なので、15mA流して点灯するには、6.6V=0.015AxR から R=440Ω になります。

 

使用してキットでは、単3電池4つの6Vで計算した抵抗値ですが、このように、テキストとは違ったことをすると時間がかかりますが、応用力はつきます。

とりあえず、みんなに実習してもらった時には、このような話をして、回路は「計算で求める」ということをイメージしてもらう程度で時間切れになりました。

1から説明して理解してもらうようになるには、1時間程度では無理ということです。

⑥販売させている抵抗の値はとびとび

抵抗

これは、「E12」という系列の抵抗群で、実際に販売されている抵抗器は、このように変な値で、とびとびの値(数学的に考えられた数列ですが)になっています。

このために、計算で求めた抵抗値のものがない場合は、目的を考えて近い値のものを採用することになります。

 

今回の計算値は ①680Ω ②1020Ω ③440Ω でしたので、①680→680Ω ②1020→1kΩ ③440→470Ω が既製品でありますので、これで回路を作って点灯してみることにします。

近いものがなければ、電流が流れすぎない方向で大きめのものを採用するのが通常ですが、計算すればわかるのですが、LEDの場合は、ある程度いい加減なものでいいこともわかるでしょう。

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LEDについて最小限の説明をしようとすると、以上のような内容ができれば十分と思います。

会社の若い人にこれらを実習してもらったのですが、購入した「キットで学ぼう電子回路」Vol.1のテキストは20ステップあって、3時間をそれに使ったのですが、7ステップほどしか進みませんでした。基礎だけを理解するように説明するのも大変です。

電子工作教材はWEBで探すといいでしょう。楽天で電子工作教材を探す

簡単に今回の実習の内容を紹介します。

これを実習しました

ADWIN社の「キットで学ぼう電子回路」キットを使用して、このようなことをやっています。

①と②の結果

15mA流した左と、10mA流した右側では、電流の大きい左側が明るくひかります。

LED3個直列

これはLEDを3個直列した場合です。

さらに、この抵抗の計算が大変な場合に、定電流ダイオード(CRD)という優れものがありますので、キットにはありませんでしたが、それについても実習してもらいました。

定電流ダイオード

LEDに使える10mA・15mA用があり、耐電圧も30-100V程度ですので、これを使用して、たくさんのLEDをつなげて電飾などを作るのも面白いかもしれません。

テキストは大して進みませんでしたが、若い人は、結構楽しくやっているようでした。

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次のページで最終です。 基本の自己保持回路を考えながら作って見ることに挑戦してもらいました。部品を小さなユニバーサル基盤に取り付けて動作をさせてみることをやって行きます。

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