電気素子を考える:抵抗編
電気素子:抵抗編
どのような電気回路も分解していくと以下の４つしか存在しない。
ひとつひとつの理解を深めていく。 最初は抵抗編。
抵抗(Resistor)
役割
抵抗の役割は主に以下のような感じである。
- 適切な電流を調整すること
- 電圧を分ける
- 発熱する
もし電流を調整しなければバッテリなどすぐに空になってしまう。（その前に熱で壊れる？）
電流の調整
まず抵抗のみの簡単な回路を考える。
例えば
- ここに3Vを加えて1Ωの抵抗とすれば、電流は1Aとなる。(E=RI 3=1×I I=3)
- ここに3Vを加えて3Ωの抵抗とすれば、電流は1Aとなる。(E=RI 3=3×I I=1)
これらはオームの法則として知られている。
電流を調整しLEDをつけたり、モーターを動かしたり、ヒーター熱を発生させたりする。
電圧を分ける
今度は抵抗２つの簡単な回路を考える。
ここに電圧3Vを加えると、抵抗２つで３Vを使うしかない。
またループする電流は一定である。
例えば
ここに3Vを加えて3Ω、3Ωの抵抗とすれば、１周で6オームのため電流は0.5Aとなる。 (E=RI 3=(3+3)×I 3=6×I I=0.5)
それぞれの抵抗には0.5A×3Ωで1.5Vがかかる。
電圧の比率は抵抗の比率を変えることによって、欲しい電圧を得るように操作できる。
あとは取り出すときにロスを無くすために、どのぐらい電流を流せば十分かというところが大事になってくる。
定格電力
LED、モーター、ヒーターを動かすには電気エネルギーが必要になる。 電気エネルギーは電圧と電流で表される。
P(W)=V(V)・I(A)
たとえば、電圧3V,抵抗3Ωとすれば、電流は1Aとなるので
P(W)=V(V)・I(A) = 3V×1A=3W
となる。
この抵抗の消費電力は3Wということになる。
この電力は、抵抗の場合すべて熱となって放射されるため、消費電力が大きすぎると抵抗体そのものの温度が上昇し、最後には焼き切れたり、溶けだしたりする。
そのため、何Wまで電力を消費できる抵抗器なのかを示す必要があり、これを表したものが抵抗器の定格電力である。
抵抗焼損などに対する安全性を考えて、定格電力の1/2以下の消費電力で使用されるのがふつうみたい。
1005(縦1mm×横0.5mm)以下の小さいチップ抵抗器などを使っていると、意外と定格電力に対して危ない時がある。
抵抗器の構造
チップ抵抗の構造を簡単に書いてみる。
この抵抗体の断面積や長さや使用する物質の固定抵抗で抵抗値を調整している。
使用する物質と断面積と長さの関係は次式で示される。
電気抵抗 Ｒ＝ρ・Ｌ／Ｓ [Ω]
- 断面積[cm2]：Ｓ
- 長さ[cm]：Ｌ
- 物質の固有抵抗[Ω・cm]：ρ
どんなものにも抵抗がある
さて抵抗について考えてきましたがどんなものにも抵抗はある。
それは基板上でも、鉄塔で長い距離をつないでいる伝送も同じである。
基板の銅箔パターンの抵抗
基板上でも細く長いパターンは損失が大きくなる。
これは細く長いケーブルでも同様。
実際は基板上では直流～GHｚ(109)単位の周波数の信号が存在する。
これらの信号が住みよくなるように考慮しつつ、電源分配も最適化しつつ、
コストのため層数も少なく...大体理想的に引けず妥協を迫られる。
送電
抵抗について考えていくと、なぜ送電に高圧を使うのかも理解できる。
電柱とか長距離送電の鉄塔は、距離は変えられない。
ケーブルは太くすると、材料費も高いし、工事も大変そう。（細すぎても耐久性とかあるかも）
抵抗成分は避けられないけど大量のエネルギーは送らなくてはならない。
そうすると電圧を高くしていき、流れる電流を減らしつつ、同じ量のエネルギーを送る。(E=RI)
損失エネルギーはP=I2×Rとなるので電圧を上げて電流を減らすと、送電の損失を減らすことができる。
実際は交流だし、3相交流などでさらなる工夫もあるようだ。
最終的には変圧器で家庭で使う交流100Vにするが電柱は数千ボルトで送電している。
その他
抵抗はE系列から選ぶ
なんでも好きな抵抗を回路図に書いていると、抵抗器の製造業者があんまり作っていないものでコストが高かったり手に入りにくかったりする。
なので使用する抵抗はできるだけE系列に応じて選定する。
- E系列の参考リンク(KOA)
https://www.koaglobal.com/product/library/resistor/marking
参考資料
https://www.rohm.co.jp/electronics-basics/resistors/r_what1
https://www.koaglobal.com/product/library/resistor/basic
https://article.murata.com/ja-jp/article/what-is-resistor
