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前回記事で説明した通り、テスター内部には10MΩ前後の大きな抵抗（負荷）がある。 それがランプ回路では、ランプ（負荷）の抵抗値がデジタルテスターの内部抵抗と比べて あまりに小さすぎるので、ランプ部分での電圧降下はほぼゼロに等しく、電源電圧の大部分がテスター部分で電圧降下するため、テスター表示は電源電圧にほぼ等しいと説明した。 それが大きな抵抗を持つLEDなどの半導体だったらどうなるのだろう？ほとんどの方は、もうお分かりかとは思うが、早速LED回路で検証してみることにしょう。 ホームセンターなどのカー用品コーナーに行くと、今では１２V用として調整抵抗がいれてあり、車両にただ接続するだけになったLEDユニットを販売している。 ご丁寧に逆接続防止用のダイオードと逆起電力減衰用のダイオードまで結線されていた。 ※訂正します。 画像中の逆接続防止用トランジスタ→逆接続防止用ダイオード 逆起電力防止用トランジスタ→逆起電力減衰用ダイオード 失礼いたしましたm(__)m 今回は、こういった内部回路は考えずに、このLEDユニット全体をひとつの負荷として進めていく。 下記が点灯時に回路に流れる電流である。※電源電圧12.23V電流10.27mA 通常のランプに比べかなり省電力であることがわかる。 そしてランプ回路と同じように、電流計と電圧計を図のように接続して測定した。 下記がLEDオープン回路での測定結果である。 ご覧のように、ランプ回路接続時と同じ12.23Vの電源電圧が、負荷（LED）側で2.53V電圧降下し、テスター表示値が9.7Ｖとなった。これはランプに比べLEDがかなり大きな抵抗を持っていることを意味している。何故かというと、テスターの10MΩ前後の大きな抵抗対して約2.5Vもの電圧降下を起こさせるほどだからである。 電圧降下の度合いからLEDのおおよその抵抗値を算出すると・・・、 ２．５３V÷９．７V＝０．２６０８・・・・≒０．２６１ １０MΩ×０．２６１＝２．６１MΩ 計算の結果、LEDの抵抗値は約２．６１MΩとなる。 そして、この抵抗値を基に電源電圧からこのLED部分に掛かる分圧電圧を算出すると・・・、 １２．２３V×（２．６１MΩ／２．６１MΩ＋１０MΩ）＝２．５３１・・・ ≒２．５３Vとなり、検証通りの数値となった。 そして、その時の電流値は0.9μAであり、確かにそこには電気の流れが生じている。 そしてこれも、互いに大きな抵抗をもつＬＥＤとテスター２つの負荷により閉回路が出来上がったという事である。 ちなみに、全く同じLEDユニットを直列に２つ接続した場合、電流値0.6μA 電圧計表示値7.21Vとなった。 ここで、「あれっ？」と思った方は電気回路に詳しい方だと思う。←思わせぶり(^^) 前記事も含め結論を言うなら、「MΩクラスの大きな抵抗をもつ半導体などでは、オープン回路を測定するとき電圧降下する。」しかし勘違いしてはならないのが、「実際のオープン回路では電圧降下はしていない。」なぜなら、電気の流れは全くの「ゼロ」だからである。「電気の流れのない回路に、電圧降下は発生しない。」「測定機器を接続した時点で閉回路となり電圧降下する。」のである。 今回の検証はデジタルテスターを使用して行なった訳だが、アナログテスターならどのような数値になるのか？ そんなことを自分で試してみるのもいいのかもしれない。 ※いたかめさん、アナログテスターでのおもしろネタよろしくお願いしますm(__)m みなさんは実際の業務で、テスターの表示値を信じきっていないだろうか？
便利で身近なツールだが、構造や機能をしっかり理解して使用しないと、迷宮入りのきっかけになるかもしれない。 |
半導体
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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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先日のいたかめさんの記事のコメントでLEDの話がでたので、新たに「半導体」という書庫を作ってみた。 http://blogs.yahoo.co.jp/itakame3/59226858.html 今後、私たち整備士ももっと半導体についての知識を身に着ける必要があると思う。 そして、この書庫を通じて皆さんに「半導体」について様々なご意見を頂き、勉強して行きたいと思う。 第一回目の今回は、LEDとその接続方法について書いていきたいと思う。 LEDとはLight Emitting Diode（ライト・エミッティング・ダイオード）発光する半導体のことで、ＰＮ接合のダイオードに順方向の電圧を加え電流を流すと発光する素子である。 このLEDの利点は、従来のフィラメント式の電球に比べ、応答速度が速い・電力消費が少ない・軽量・衝撃に強い・長寿命・安価・低電圧で発光（２〜３Ｖ）などが挙げられる。 また、LEDの一般的な消費電力は約0.05wほどで、普通のフィラメント式に比べ、いかに消費電力が少ないかが分ると思う。ただ、単体では発光光度が低いためブレーキ灯などでは複数を必要とするが、構造が単純で安価（赤色5〜10円程度／個）なので最近では自動車にも多く用いられるようになってきている。 通常、自動車に用いる場合には、LEDの定格電圧（一般的に２〜３Vぐらい）を考慮し、自動車用１２Vで作動するように回路を考えなければならない。つまり、自動車用回路の電源（１２V）より定格電圧の低いLEDでは電圧を消費しきれないので、LEDの許容範囲をオーバーしてしまう。そのためLEDでは消費しきれない電圧を、「抵抗を使って消費させる」という作業が必要となる。 ※実際、自動車では、エンジン回転中は発電作用により電圧が変動し、それをレギュレーターにより調整しているので、その最大調整電圧を電源電圧と考える必要がある。 そのLED調整抵抗値の計算方法はいたって簡単。オームの法則に従い計算すればOK。 計算式は、オームの法則「Ｒ(抵抗) ＝Ｅ(電圧)÷Ｉ(電流)」より、 （電源電圧−LEDの定格電圧×LED接続個数）÷ LED定格電流（A） となる。 例えば、最大調整電圧（電源電圧） １４．５Ｖ ３Ｖ２０ｍＡ のLEDを定格で１つ接続する場合に必要な調整抵抗Ｒの値は以下の通りである。 ※電源電圧の許す範囲で複数接続する場合は、定格電圧をその個数倍にすればよいのだが、LEDを電源電圧ギリギリで接続することにより調整抵抗Ｒの値が小さくなると、電流の変動が大きくなり電源電圧の僅かな変化時などに、光度が極端に減少したり、電流が多く流れすぎてLEDを破損する事あるようなので注意が必要である。 この記事を書きながら思ったのだが、そのうち「バルブ交換」なんていう作業は、無くなるのかもしれない。
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