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番外編の今回は、「LED（半導体）オープン回路で電圧降下はおきるのか？」について検証していきたいと思う。 これもまた、いたかめさんの記事がきっかけなのだが、通常の業務では電圧降下についてこんなに深く考える機会がないので、勉強のつもりで行なってみた。 ここで最初に申し添えておきたいのだが、私は電気回路や半導体について素人同然なので、記事中に間違えがあったら遠慮せずに指摘していただきたい。 それではLED（半導体）オープン回路の電圧降下の検証に入っていく前に、まずは普通のランプ回路で電圧降下について少し考えてもらいたい。 画像はごく普通のスモール球12V5Wの電球を12V電源につないでランプを点灯させ、その時の電流値を測定してみた結果である。※電源電圧12.23Ｖ・電流値0.41A そして以下が上記画像を分り易く等価回路に示したものである。 �‖�定した電源電圧と電流値をもとにランプ抵抗値を割り出してみた。 ��電圧値とランプの電力より抵抗値を求めることも可能である。 ※訂正します。�△錬隠押�2／５Ｗ＝２８.８Ω≒２９Ωとなりますm(__)m ※加筆します。非点灯時のランプ抵抗は実際には数Ωぐらいしかありません。このランプは電流が流れていない時の抵抗値は2.7Ωでした。ブレーキ球などについては１Ω以下だったりもします。ランプは熱による抵抗値の影響を受けやすく不安定ですので、テスターでは正確な抵抗値を測定することができません。よって、ランプの抵抗値を求めるには、�△慮�式により電流が定格で流れている時の抵抗値を計算によって求めます。 なぜ、ランプの抵抗値を割り出したのかと言うと、それはランプ回路での電圧降下が「ほぼゼロに等しい」ことをまずは計算により理論的に証明する必要があるからだ。 その前に、「電圧降下とはなんぞや？」という事になるが、これは簡単に説明すると、閉回路上にある負荷（ランプ等）の上流側（電流通過前）の電圧と下流側（電流通過後）の電位差のことである。 この負荷前と負荷後の電圧差を私たちは「電圧降下」と呼んでいるのだ。 例えば直列回路の場合、１つの負荷であれば、電源を12Vとしたとき、5Ωでも100Ωでも端子間の電位差（電圧降下）は12Vである。今度は負荷が2つでそれぞれが5Ωだった場合、1つ負荷の両端に掛かる電圧は各々6Vとなる。そして今度は、5Ωと10Ωの負荷だった場合は・・・、※頭の体操代わりにご自分で計算されてください(#^.^#) つまり直列回路では、電源電圧を回路上にある各々の負荷の抵抗値の割合で分け合う。 それゆえに直列回路を「分圧回路」とも言う。 そしてこのランプ回路を途中で切断し、そこに電圧計を接続してマイナスプローブを電源側のアースに当てて電圧を測るとその時の電圧値はどうなるか？この時の電流の流れはどうなっているのか？そして、実はテスターにも内部抵抗があり、その入力抵抗は一般的なデジタルテスターで10MΩ前後である。この抵抗が電気回路に及ぼす影響は・・・・？ つまり何が言いたいのかというと、オープン回路にテスターを接続して電圧を測定することにより、電気回路にテスターという大きな負荷が接続され、オープンがクローズド、すなわち閉回路となるということを伝えたかったのだ。 それでは、そのことを踏まえた上でさっそく考えていくことにしよう。 ランプ自体の抵抗値が約30Ω、デジタルテスターの内部抵抗を10MΩと仮定して、公式にあてはめて計算すると・・・、 ※加筆します。オープン回路でのランプ抵抗なので実際は点灯はしておらず、厳密には非点灯時の抵抗値2.7Ωが正しいのですが、計算上と実測での数値を合わせる為に、ここではランプを30Ωの固定抵抗と考えてください。 １２．２３Ｖ×（３０Ω/３０Ω＋１０MΩ）＝１２．２３×（３０/１０００００３０） ＝１２．２３×０．０００００２９９９９・・・＝０．００００３６６８９８７・・・ ≒０．００００３７Ｖ（３７μＶ） となり、ランプ部分での電圧降下分は電源電圧全体の約37μVにしか過ぎず、残りの電圧はテスター部分に分圧され、理論的にランプ部分での電圧降下は「ほぼゼロに等しい」ということになる。 その結果、「表示電圧は電源電圧から変化しないはず」である。 以下が検証結果である。 ご覧の通り、オープン回路でのテスター表示部の電圧表示は電源電圧のままである。 そして、そのときの回路に流れる電流値は1.2μA（0.0000012A）であり、「ほぼゼロに等しい」電流である。※電流計の内部抵抗で電圧表示値が若干低くなった。 ※訂正します。 電流計の内部抵抗は0.5kΩ程しかなく、電圧降下にはほとんど関係しない数値だと思われます。 プローブや各端子の接続状態が原因だと考えられます。 これを基にオームの法則Ｅ（電圧）＝Ｉ（電流）×Ｒ（抵抗）によりランプ部分に掛かる電圧を導き出すと、 ０． ０００００１２Ａ×３０Ω＝０．００００３６Ｖ（３６μＶ） となり、ほぼ上記の計算で算出した理論値に近い結果となる。 そして念のため、上記公式によりテスター部分に掛かる電圧値を計算すると、 ０． ０００００１２Ａ×１０ＭΩ（１０００００００Ω）＝１２Ｖ となり、ほぼテスター表示値通りの電圧値が導き出される。 ※この検証計算で私の￥1480の安物テスターでも、10MΩ前後の入力抵抗があることが実証できたのが少し嬉しい(^^) つまり、「ほぼゼロに等しい」この電流値は、テスターを接続する事によって開回路が閉回路となった証なのである。 つづく・・・・
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半導体
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toyboyさん、怪我をされていたのですね。
土日は留守をしていたので全く知りませんでした。
大丈夫ですか？
とろこで、面白そうな検証実験をしていただきありがとうございます。
記事にあるようにテスタを一種の抵抗と考えればわかりやすいと思います。
次の展開に期待しています。
2009/5/12(火) 午前 0:31
ご無事でなによりです。安心しました！！！
なるほど〜。
このテスターで測定できる電圧では、10MΩ抵抗での電流値は誤差範囲ということですか？
以前怖いもの見たさでのぞいた1級の問題に、こんなのがありました。
『テスター内部抵抗に測定物の抵抗が近い時、電圧値の測定誤差はどうなるか。』
答えは、理論値より小さく、その誤差が大きくなる、でした。
V=I・Rなので、
テスターにとられる電流はごくわずかとはいえ当然その分
電流値は理論値より小さいはずだし、電圧の測定誤差は
測定物の抵抗が大きければテスターにとられた電流値を乗じてでてしまうわけですね。
なぁ〜んか不確定性原理って感じです。
観察者が対象物に影響をあたえるから厳密には正確に観察できないっていうやつ。
も〜電気がおもしろすぎて、授業ではものたりないです。
続きが気になります〜。
2009/5/12(火) 午前 0:46
かなり前ですが、知り合いから依頼されてメルセデスの故障診断をした時のことですが、先方にオシロスコープが無かったのでサーキットテスタで判断せざるを得ない状況にあったことを思い出しましたよ。同時点火のコイルをアース側で測定して、一方には電源電圧、他方には電源電圧よりやや低い（と言ってもごくわずかでした）電圧が測定されたのでＥＣＵ内でアースされていないことを発見したことがありました。私たちが中学校で習ったオームの法則が役に立ちますね。電圧降下の用件は、抵抗があること、電流が流れていること、この二つが重なることなんですね。だからＥ＝Ｉ×ＲでＩもしくはＲが０ならば左辺のＥは０、つまり電圧降下は無いわけですね。
2009/5/12(火) 午前 1:24 [ 浅田純一 ]
いたかめさん、おはようございます。
タイヤバーストでヤバイところでした・・・。妻と子供を路頭に迷わすところでした（笑）いたかめさんも気をつけて下さい。
2009/5/12(火) 午前 8:15
ないしょさん、ご指摘いただきありがとうございます。
はい。その通りなんです・・・。おっしゃるとおり通電していない時の抵抗値は２.７Ωです。
悩んだのですが、計算が合わなくなるので書き控えました(^_^;)
やはりちゃんと説明した方がよいですよね。すみませんm(__)m
「ランプの抵抗は不安定でテスターでは測定し難いので、１２Ｖ５Ｗから計算して定格時の抵抗値を求めるのがよい」と以前、教わった事があります。
記事も付け加えて訂正しておきます。ご指摘ありがとうございましたm(__)m
2009/5/12(火) 午前 8:32
ハナさん、こんにちは。
何とか無事生還しました。そして生還するたびサイヤ人のごとくパワーアップするのです。ウソです・・・。タイヤエア充填恐怖症になりました 笑
＞10MΩ抵抗での電流値は誤差範囲ということですか？
はい。ランプなど小さな抵抗の測定物を測るときにはテスターの内部抵抗は表示値にはほとんど影響を与えませんが、半導体などのようにテスターの内部抵抗と近い物の場合は・・・・、そこの部分は次回記事で説明します。
＞なぁ〜んか不確定性原理って感じです。
電気の場合は目に見えないので、人間は、機器等を通してしてそれを数値化しないと情報を取り入れることが出来ません。
それゆえ仕方ないのかもしれませんね。
ハナさんなら二級の内容では物足りなさを感じるでしょうね。
何だか、二級をすっ飛ばかして一級を受検しそうな勢いです（笑）
2009/5/12(火) 午後 0:54
浅田さん、こんにちは。
＞同時点火のコイルをアース側で測定して、一方には電源電圧、他方には電源電圧よりやや低い（と言ってもごくわずかでした）電圧が測定されたのでＥＣＵ内でアースされていないことを発見したことがありました。
なるほど！電圧降下を逆手に取ったわけですね。知識のある浅田さんだからこそ思いつくアイディアだと思います。勉強になります。
＞電圧降下の用件は、抵抗があること、電流が流れていること、この二つが重なることなんですね。だからＥ＝Ｉ×ＲでＩもしくはＲが０ならば左辺のＥは０、つまり電圧降下は無いわけですね。
はい。「実際のオープン回路では電流値はゼロですから電圧降下は発生しない」ということになり、「テスターを接続する事で回路が出来上がり、電流が流れる事で電圧降下する」ということですね。
2009/5/12(火) 午後 1:01
私の勉強会に初期から参加し、今は独立して頑張っているお弟子さんと言えば彼に対して失礼なのですが、その彼のところに行く用事があったので、勉強になるから是非見るようにとこちらを紹介しておきました。これからも色々な実験や検証をお願いいたします。
2009/5/13(水) 午後 7:00 [ 浅田純一 ]
浅田さん、おはようございます。
＞勉強になるから是非見るようにとこちらを紹介しておきました。
恐縮です。半端素人のお遊びブログですので勉強になるかどうか怪しいですよ(^_^;)
私のブログを閲覧されている方々から、様々なご意見やご指摘頂きながら私も勉強していきたいと思いますので、今後ともご指導よろしくお願いいたしますm(__)m
2009/5/14(木) 午前 8:19