回路の仕組み

回路の基礎

おそらくこれらの用語を聞いたことがあるでしょう。それらが電気と関係があることは知っていましたが、どのように関係があるのか​​はよく分からなかったかもしれません。

心臓が血液を循環させる圧力を生成するのと同じように、バッテリーや発電機は回路中に電子を押し出す圧力や力を生成します。電圧は力であり、ボルト(V) で測定されます。一般的な懐中電灯の電池は 1.5V を生成し、標準的な家庭用電圧は 110V または 220V です。

電流、つまり電子の流れはアンペア(A) で測定されます。電気力（ボルト単位）と電流（アンペア単位）の積が電力であり、ワット（W）単位で測定されます。 1.5V を生成し、懐中電灯を通して 1A の電流を生成するバッテリーは、1.5V x 1A = 1.5W の電力を供給します。

あなたの体を流れる血液はただ乗りすることはできません。血管の壁は流れを妨げ、血管が細いほど流れに対する抵抗が大きくなります。心臓によって生成される圧力の一部は、血管内に血液を押し出すためだけに使われます。電子がワイヤ中を移動すると、原子に衝突します。これにより、電子の流れが妨げられます。ワイヤは電流の流れに対して抵抗を提供します。抵抗の大きさは、ワイヤーの材質、直径、長さによって異なります。ワイヤの直径が小さくなると抵抗が増加します。抵抗はオーム(Ω) の単位で表されます。

オームの法則は、電圧、電流、抵抗に関係します。

抵抗 (Ω) = 電圧 (V) / 電流 (I)

オームの法則は、R = V/I と書くことができます。

電気回路は、ワイヤーと、電球、トランジスタ、コンピューターチップ、モーターなどの他のコンポーネントで構成されています。電流抵抗が低い導体と呼ばれる金属でできたワイヤがコンポーネントを接続します。銅とアルミニウムは最も一般的な導体です。金は耐食性があるため、小さな電子チップにワイヤを取り付けるためによく使用されます。

白熱電球では、電流は、電流の流れに対して高い抵抗を提供する細いタングステン線または金属フィラメントを通って流れます。電子が原子に衝突すると、摩擦、つまり運動エネルギーの損失によって熱が発生します。フィラメントの温度が十分に高い場合、フィラメントは輝き始め、光を発します。これは白熱です。電球の一般的なフィラメント温度は約 4,600 度 (摂氏 2,550 度) です。残念ながら、電球に供給されるエネルギーの 90 ～ 95 パーセントは光ではなく熱の形で失われるため、白熱電球は非常に非効率です。

蛍光灯は、水銀蒸気とネオンまたはアルゴンガスが満たされた管を電子が通過することによって光を生成します。電子が水銀原子に衝突すると、原子内の電子がそのエネルギーの一部を吸収します。これらの電子が通常の状態に戻ると、フォトンと呼ばれる光エネルギーの束を放射します。蛍光灯は白熱電球よりも効率が 4 ～ 5 倍優れています。

次のページでは、閉回路、開回路、短絡、直列回路、並列回路について見ていきます。

回路の種類

閉回路には、電流が流れる完全な経路があります。開回路はそうではなく、機能しないことを意味します。初めて回路に触れる場合は、回路が開いているときは、電流が流れる開いたドアやゲートのようなものだと考えるかもしれません。そして、それが閉じられると、電流が流れることができない閉まったドアのようなものです。実際にはその逆なので、この概念に慣れるまでに時間がかかるかもしれません。

短絡は、回路の一部をバイパスする、通常は意図せずに行われる低抵抗の経路です。これは、回路内の 2 本の裸線が互いに接触した場合に発生することがあります。短絡によってバイパスされた回路部分は機能しなくなり、大量の電流が流れ始める可能性があります。ワイヤー内で多量の熱が発生し、火災を引き起こす可能性があります。安全対策として、過電流が流れるとヒューズと回路ブレーカーが自動的に回路を開きます。

直列回路では、すべての部品に同じ電流が流れます。回路全体の電圧は各コンポーネントの電圧の合計であり、合計抵抗は各コンポーネントの抵抗の合計です。この回路では、V = V1 + V2 + V3、R = R1 + R2 + R3 となります。直列回路の例としては、 クリスマスイルミネーションのストリングがあります。電球のいずれかが欠けているか切れている場合、電流は流れず、ライトは点灯しません。

並列回路は、動脈から分岐して静脈に接続し、血液を心臓に戻す小さな血管のようなものです。ここで、それぞれ動脈と静脈を表す 2 本のワイヤと、それらの間に接続されたいくつかの小さなワイヤについて考えてみましょう。これらの小さなワイヤには同じ電圧が印加されますが、個々のワイヤの抵抗に応じて異なる量の電流が流れます。

並列回路の例としては、住宅の配線システムがあります。単一の電源がすべての照明と電化製品に同じ電圧を供給します。ライトの 1 つが切れても、残りのライトや電化製品に電流が流れる可能性があります。しかし、短絡が発生すると電圧がほぼゼロになり、システム全体がダウンします。

一般に、回路は直列回路と並列回路を非常に複雑に組み合わせたものです。最初の回路は非常に単純な DC 回路でした。次のページでは回路の歴史と直流と交流の違いについて見ていきます。

電気回路の歴史

静電気の初期の研究は数百年前に遡ります。静電気は、セーターの上で風船をこすったときのように、摩擦によって生成される電子の移動です。帯電した物体が接触すると、スパークやごく短時間の電流の流れが発生することがありますが、継続的に電流が流れることはありません。連続電流が存在しない場合、電気を有効に利用することはできません。

連続電流を生成できるバッテリーの発明により、最初の電気回路の開発が可能になりました。アレッサンドロ・ボルタは、1800 年に最初の電池であるボルタ電杭を発明しました。最初の回路では、水の入った容器に浸した電池と電極が使用されていました。水に電流が流れると、水素と酸素が生成されます。

電気回路が最初に広く実用化されたのは、照明用でした。トーマス エジソンは白熱電球を発明して間もなく、発電および配電システム全体を開発することで白熱電球の実用化を模索しました。米国で最初のこのようなシステムは、マンハッタンのダウンタウンにあるパール ストリート駅でした。これは主に照明用に、市内の数平方ブロックに電力を供給しました。

回路の分類の 1 つは、電流の流れの性質に関係しています。初期の回路はバッテリー駆動で、常に同じ方向に流れる安定した定電流を生成しました。これは直流、つまり DC です。 DC の使用は、最初の電力システムの時代まで継続されました。 DC システムの大きな問題は、電線での電力損失のため、発電所が供給できる範囲が約 1 平方マイルしかないことでした。

1883 年、技術者たちは、ナイアガラの滝の膨大な水力発電の可能性を利用して、ニューヨーク州バッファローの需要を賄うことを提案しました。この電力は最終的にはバッファローを超えてニューヨーク市、さらに遠くまで届くことになりますが、最初は距離に問題がありました。バッファローはナイアガラの滝からわずか 26 マイルしか離れていませんでしたが、次のページで説明するように、ニコラ テスラがそれを可能にするまで、このアイデアは実現できませんでした。

テスラの躍進

エンジニアのニコラ テスラは、チャールズ プロテウス スタインメッツによる理論的研究の支援を受けて、交流(AC) を使用するというアイデアを思いつきました。直流とは異なり、交流は常に変化し、方向の反転を繰り返します。

では、なぜ交流が長距離送電の問題の解決策となったのでしょうか? AC では、変圧器を使用して回路内の電圧レベルを変更できます。変圧器は磁気誘導の原理で動作し、交流によって生成される変化する磁場が必要です。変圧器を使用すると、電圧を高めて長距離伝送が可能になります。受信側では、電圧レベルをビジネスおよび家庭用のより安全な 220V または 110V に下げることができます。

配線抵抗により電力損失が発生するため、長距離には高電圧が必要です。原子に衝突した電子は、移動中に熱の形でエネルギーを失います。この電力損失は、ワイヤを流れる電流量の二乗に比例します。

線路が伝送する電力量を測定するには、電圧と電流を掛けます。これら 2 つの考え方は、I が電流、V が電圧、P が電力を表す式を使用して表現できます。

P = V x I

1メガワットを送信する例を考えてみましょう。電圧を 100V から 10,000V に増加すると、電流は 10,000A から 100A に減少します。これにより、電力損失が (100) ² 、つまり 10,000 減少します。これがテスラのコンセプトであり、そのアイデアからナイアガラの滝からバッファロー、そして最終的にはニューヨーク市やその先への送電が現実になりました。

米国および他の多くの国では、AC 電源の標準周波数は 1 秒あたり 60 サイクル、つまり 60 ヘルツです。これは、1 秒間に 60 回、電流が一方向に流れ、次にもう一方の方向に完全なサイクルが流れることを意味します。電流は 1/120 秒間一方向に流れ、さらに 1/120 秒間反対方向に流れます。 1 サイクルが完了するまでにかかる時間は周期と呼ばれ、この場合は 1/60 秒です。ヨーロッパおよびその他の地域では、AC 電源の標準周波数は 50 ヘルツです。

電子回路にはACとDCの両方が必要です。それらについては次のページで学びます。

電子回路

特にコンピューター ハードウェアの話題になると、チップという用語を聞いたことがあるかもしれません。チップは小さなシリコン片で、通常は約 1 センチメートル四方です。チップは単一のトランジスタ(電気信号を増幅したり、コンピュータ アプリケーションでオン/オフ スイッチとして機能するシリコン片) である場合があります。相互接続された多数のトランジスタで構成される集積回路であることもあります。チップは、パッケージと呼ばれる気密封止されたプラスチックまたはセラミックの筐体に封入されます。パッケージ全体をチップと呼ぶことがありますが、実際にはチップはパッケージの中にあります。

集積回路には、モノリシックとハイブリッドの 2 つの基本的なタイプがあります。モノリシック IC には、単一のシリコン チップ上に回路全体が含まれています。複雑さは、コンピューターのマイクロプロセッサ チップ上のわずか数個のトランジスタから数百万個のトランジスタまでさまざまです。ハイブリッド IC は、複数のチップを 1 つのパッケージに収めた回路を持っています。ハイブリッド IC 内のチップは、トランジスタ、抵抗、コンデンサ、モノリシック IC チップの組み合わせである場合があります。

プリント回路基板(PCB) は、電子回路をまとめて保持します。コンポーネントが取り付けられた完成した PCB は、プリント基板アセンブリ(PCBA) です。多層 PCB には、最大 10 枚の PCB が積層される場合があります。ビアと呼ばれる穴を通過する電気めっき銅導体が個々の PCB を接続し、3 次元の電子回路を形成します。

電子回路で最も重要な要素はトランジスタです。ダイオードはシリコンの小さなチップで、電流が一方向にのみ流れるようにするバルブとして機能します。他の電子部品には、抵抗やコンデンサなどの受動素子があります。抵抗器は電流に対して指定された量の抵抗を提供し、コンデンサーは電荷を蓄積します。 3 番目の基本的な受動回路要素はインダクタで、磁場の形でエネルギーを蓄えます。マイクロ電子回路でインダクタが使用されることはほとんどありませんが、大規模な電力回路では一般的です。

ほとんどの回路は、コンピューター支援設計プログラム (CAD) を使用して設計されます。デジタル コンピューターで使用される回路の多くは非常に複雑で、数百万個のトランジスタを使用しているため、それらを設計するための唯一の実用的な方法は CAD です。回路設計者は回路の機能に関する一般的な仕様から開始し、CAD プログラムが複雑な相互接続パターンをレイアウトします。

PCB または IC チップ上の金属相互接続パターンのエッチングでは、耐エッチング性のマスキング層を使用して回路パターンを定義します。露出した金属はエッチングで除去され、コンポーネント間の接続金属のパターンが残ります。

電子回路ではなぜ交流が使われるのでしょうか?

電子回路では、距離も電流も非常に小さいのに、なぜ交流を使うのでしょうか?まず第一に、これらの回路内の電流と電圧は常に変化する現象を表すため、電気的表現、つまりアナログも常に変化します。 2 番目の理由は、電波(テレビ、電子レンジ、携帯電話で使用されるものなど) は高周波の交流信号であるためです。あらゆるタイプの無線通信に使用される周波数は、無線の初期のキロヘルツ (kHz) 範囲から今日のメガヘルツ (MHz) およびギガヘルツ (GHz) 範囲まで、長年にわたって着実に進歩してきました。

電子回路は DC を使用して、電子システム内のトランジスタやその他のコンポーネントに電力を供給します。整流回路は、AC 電源を AC 電源電圧から DC に変換します。