.. note:: こんにちは、SunFounderのRaspberry Pi & Arduino & ESP32 Enthusiasts Communityへようこそ！Raspberry Pi、Arduino、ESP32について、仲間と一緒に深く掘り下げましょう。 **参加する理由** - **専門家のサポート**：販売後の問題や技術的な課題をコミュニティとチームの助けを借りて解決しましょう。 - **学びと共有**：スキルを向上させるためのヒントやチュートリアルを交換しましょう。 - **限定プレビュー**：新製品の発表やプレビューに早期アクセスしましょう。 - **特別割引**：最新製品の特別割引をお楽しみください。 - **お祭りのプロモーションとプレゼント**：プレゼント企画やホリデープロモーションに参加しましょう。 👉 私たちと一緒に探求し創造する準備はできましたか？[|link_sf_facebook|]をクリックして、今すぐ参加しましょう！ 5. 直列回路 vs 並列回路 ================================================= このレッスンでは、直列回路と並列回路の両方を構築して分析し、異なる回路構成で電圧がどのように振る舞うかを学びます。マルチメーターを使用して、構築した回路の電圧と抵抗を測定し、回路の動力学について実践的な洞察を得ます。 このエキサイティングなレッスンで、以下のことを学びます： * 回路図と実際の回路を接続する方法 * マルチメーターを使用して抵抗と電圧を測定する方法 * ブレッドボードを使用して直列回路と並列回路を構築する方法 * 直列回路と並列回路における電圧の振る舞いを比較する方法 これらの目標は、理論的な知識と実践的な応用のギャップを埋め、ハンズオンの経験を通じて電子工学の理解を深めることを可能にします。 直列回路 vs 並列回路 ------------------------------------------ 前のレッスンでは、Arduino Uno R3、抵抗器、LEDを使用して簡単な回路を構築することに成功しました。この設定では、電流はピン13からLEDを通り、抵抗器を通り、GNDピンに戻る直列構成で流れます。これは直列回路のシンプルな例です。 しかし、電子工学の世界に深く踏み込むと、直列または並列に配置されたコンポーネントを含む、より複雑な回路に出会います。これらの配置と電流および電圧への影響を理解するためには、回路図、つまり回路図を理解する必要があります。 **配線図 vs 回路図** これまで、回路コンポーネントの物理的なレイアウトを模倣した図解を使用してきました。これらの図は直感的で、組み立て目的に適しています： .. image:: img/2_uno_gnd.png :width: 600 :align: center しかし、回路の機能性と設計ロジックを把握するためには、回路図が不可欠です。回路図は標準化された記号を使用して各コンポーネントを表現し、物理的なレイアウトの煩雑さを排除してコンポーネント間の電気的な関係を明らかにします。 ここに、LED、抵抗器、およびバッテリーの回路図でよく見られる記号を示します： .. image:: img/5_led_resistor_symbol.png :align: center これまでの配線を基にした回路図は次のようになります。Arduino Uno R3全体が回路に電力を供給するバッテリーとして機能しています。この回路図から、電流の流れと方向を明確に示すことができ、物理的な接続の複雑さを簡素化します。 .. image:: img/5_serial_circuit_1led.png :align: center **直列構成 vs 並列構成** 直列回路では、コンポーネントが一列に並び、電流が単一の経路をたどります。1つのコンポーネントが故障すると、回路全体が中断されます。これは古いクリスマスライトのように、1つの電球が切れると全体が暗くなるのと似ています。 .. image:: img/5_serial_circuit_2led.png :align: center 一方、並列回路では、電流が複数の経路に分かれます。各コンポーネントは独立して動作するため、1つの経路が切れても他の経路は動作し続けます。これは家の電気システムのようなもので、1つのライトを消してもテレビはまだ点いているのと同じです。 .. image:: img/5_parallel_circuit.png :align: center 直列回路の探求 ------------------------------ 直列回路と並列回路の違いを理解した上で、このアクティビティでは複数のLEDを使用して直列回路を構築します。直列回路では、電流が単一の経路を通ることを覚えておいてください。この実践的な演習を通じて、直列回路の独自の特性を探りましょう。 **必要なコンポーネント** .. list-table:: :widths: 25 25 25 25 :header-rows: 0 * - 1 * Arduino Uno R3 - 3 * 赤色LED - 3 * 220Ω 抵抗器 - ジャンパーワイヤー * - |list_uno_r3| - |list_red_led| - |list_220ohm| - |list_wire| * - 1 * USBケーブル - 1 * ブレッドボード - 1 * マルチメーター - * - |list_usb_cable| - |list_breadboard| - |list_meter| - **回路の構築** 1. 前のLED回路を調整して、1Jと右側のブレッドボードの正端子の間のジャンパーワイヤーを取り外します。次に、別の赤色LEDを取り、陰極（短い脚）を1Jに、陽極をブレッドボードの正端子に挿入して、回路にもう1つのLEDを直列に接続します。 .. image:: img/5_serial_circuit.png これで2つのLEDを直列に接続した回路が完成しました。回路を通る電流を追跡しましょう： * Arduino Uno R3の5Vから電流が流れ、長いジャンパーワイヤーを通ってブレッドボードの正端子に到達します。 * 次に、電流は最初のLEDを通過し、電流の流れによって点灯します。 * 電流はブレッドボードの金属クリップを通って2つ目のLEDに到達し、これも点灯します。 * 2つ目のLEDを通過した後、電流は220Ωの抵抗器に入り、抵抗により電流の量が減少します。この抵抗器がなければ、LEDを通る電流が多すぎて破損する可能性があります。 * 最後に、電流はArduino Uno R3のGNDピンに戻り、回路が完結します。 **質問:** この直列回路で1つのLEDを取り外すとどうなりますか？なぜこのようなことが起こるのでしょうか？ .. image:: img/5_serial_circuit_remove.png :width: 600 :align: center **電圧の測定** 1. マルチメーターを20ボルトDC設定にセットします。 .. image:: img/multimeter_dc_20v.png :width: 300 :align: center 2. マルチメーターを使って抵抗器の両端の電圧を測定します。 .. note:: 回路内のコンポーネントの電圧を測定することは、そのコンポーネントの両端の電圧差をチェックすることを意味します。基本的に、電圧は2点間のエネルギー差を表します。したがって、コンポーネントの電圧を測定するときは、片側からもう一方の側へのエネルギー差を測定しているのです。 .. image:: img/5_serial_circuit_voltage_resistor.png :width: 600 :align: center 3. 抵抗器の両端の電圧を記録し、電圧の単位はボルト（V）です。 .. note:: * 私の測定値は1.13Vでしたが、あなたの測定値に基づいて記入してください。 * 配線の問題や手の不安定さにより、電圧が変動することがあります。手を安定させ、何度か観察して比較的安定した電圧値を得る必要があります。 .. list-table:: :widths: 25 25 25 25 25 :header-rows: 1 * - 回路 - 抵抗器の電圧 - LED1の電圧 - LED2の電圧 - 合計電圧 * - 2つのLED - *≈1.13 volts* - - - 4. 次に、回路内のLED1の両端の電圧を測定します。 .. image:: img/5_serial_circuit_voltage_led1.png :width: 600 :align: center 5. 表にLED1の両端の電圧を記録します。 .. list-table:: :widths: 25 25 25 25 25 :header-rows: 1 * - 回路 - 抵抗器の電圧 - LED1の電圧 - LED2の電圧 - 合計電圧 * - 2つのLED - *≈1.13 volts* - *≈1.92 volts* - - 6. 回路内のLED2の両端の電圧を測定します。 .. image:: img/5_serial_circuit_voltage_led2.png :width: 600 :align: center 7. 表にLED2の両端の電圧を記録します。 .. list-table:: :widths: 25 25 25 25 25 :header-rows: 1 * - 回路 - 抵抗器の電圧 - LED1の電圧 - LED2の電圧 - 合計電圧 * - 2つのLED - *≈1.13 volts* - *≈1.92 volts* - *≈1.92 volts* - 8. 次に、回路全体の合計電圧を測定します。 .. image:: img/5_serial_circuit_voltage.png :width: 600 :align: center 9. 測定した電圧を表の合計電圧欄に記入します。 .. list-table:: :widths: 25 25 25 25 25 :header-rows: 1 * - 回路 - 抵抗器の電圧 - LED1の電圧 - LED2の電圧 - 合計電圧 * - 2つのLED - *≈1.13 volts* - *≈1.92 volts* - *≈1.92 volts* - *≈4.97 volts* 測定を通じて、次のことがわかります： .. code-block:: 4.97 volts ≈ 1.13 volts + 1.92 volts + 1.92 volts 合計電圧 = 抵抗器の電圧 + LED1の電圧 + LED2の電圧 また、計測結果が上記の方程式に適合しているかどうかを計算することもできます。 .. note:: 配線の安定性や、LEDや抵抗器の製造上のわずかな違いにより、抵抗器の電圧と2つのLEDの電圧の合計が測定した合計電圧と一致しない場合があります。これは、合理的な範囲内であれば問題ありません。 これは直列回路の特徴であり、回路全体の合計電圧は各コンポーネントの電圧の合計であることを示しています。 **電流の測定** 直列回路の電圧特性を理解した上で、次にマルチメーターを使って回路内の電流を調べましょう。 1. マルチメーターを20ミリアンペアの位置に設定します。電流は20mAを超えないため、この設定を選びます。確信が持てない場合は、200mAの設定から始めることをお勧めします。 .. image:: img/multimeter_20a.png :width: 300 :align: center 2. 電流を測定するには、マルチメーターを回路の流れの中に組み込む必要があります。LEDのアノードを1Fの穴に保ち、カソード（短い足）を1Eから3Eに移動します。 .. image:: img/5_serial_circuit_led1_current.png :width: 600 :align: center 3. 回路内のLED 1の電流を測定します。 .. image:: img/5_serial_circuit_led1_current1.png :width: 600 :align: center 4. 測定した電流を表に記録します。 .. list-table:: :widths: 25 25 25 :header-rows: 1 * - 回路 - LED1の電流 - LED2の電流 * - 2つのLED - *≈4.43 milliamps* - 5. 最初のLEDのカソードを元の位置に戻し、2番目のLEDのカソード（短い足）を1Jから2Jに移動します。 .. image:: img/5_serial_circuit_led2_current.png :width: 600 :align: center 6. 回路内のLED 2の電流を測定します。 .. image:: img/5_serial_circuit_led2_current1.png :width: 600 :align: center 7. 測定した電流を表に記録します。 .. list-table:: :widths: 25 25 25 :header-rows: 1 * - 回路 - LED1の電流 - LED2の電流 * - 2つのLED - *≈4.43 milliamps* - *≈4.43 milliamps* 私たちの測定結果は、直列回路の基本的な原理を示しています。すなわち、各コンポーネントを通る電流は同じです。この一貫した流れは、直列に接続されたコンポーネントの相互接続性を強調しており、一部の電流が遮断されると回路全体に影響を与えることを示しています。 電圧、電流、抵抗の探索は、直列回路の理解を深めるだけでなく、より複雑な電気工学の概念の基礎を築きます。これらの実験を通じて、理論と実践を結びつけ、学習プロセスを魅力的で有益なものにします。 **質問** この回路にさらに1つのLEDを追加し、合計で3つのLEDにすると、LEDの明るさはどう変わりますか？なぜですか？3つのLEDそれぞれの両端の電圧はどう変わりますか？ 並列回路への挑戦 --------------------------------------- **必要な部品** * 1 * Arduino Uno R3 * 3 * 赤色LED * 3 * 220Ω抵抗 * いくつかのジャンパーワイヤー * 1 * USBケーブル * 1 * ブレッドボード * 1 * テストリード付きマルチメーター **回路の構築** .. image:: img/5_parallel_circuit_bb.png :width: 600 :align: center 1. 220Ωの抵抗をブレッドボードに接続します。一方の端は負の端子に、もう一方の端は1Bの穴に差し込みます。 .. image:: img/2_connect_resistor.png :width: 300 :align: center 2. 赤色LEDをブレッドボードに追加します。LEDのアノード（長い足）は1Fの穴に、カソード（短い足）は1Eの穴に差し込みます。 .. image:: img/2_connect_led.png :width: 300 :align: center 3. LEDと電源を接続するための短いジャンパーワイヤーを使用します。ジャンパーワイヤーの一端を1Jの穴に、もう一端を正の端子に差し込みます。 .. image:: img/2_connect_wire.png :width: 300 :align: center 4. ブレッドボードの正の端子に接続された長いジャンパーワイヤーをArduino Uno R3の5Vピンに接続します。LEDが点灯し続けます。5Vピンは回路に一定の5ボルトDCを供給します。これは、Arduino IDEソフトウェアでオン/オフをプログラムできる13ピンとは異なります。 .. image:: img/5_parallel_circuit_5v.png :width: 600 :align: center 5. ブレッドボードの負の端子をArduino Uno R3のGNDピンの1つに接続します。GNDピンは「GND」と表示されています。 .. image:: img/5_parallel_circuit_gnd.png :width: 600 :align: center 6. もう一つの220Ωの抵抗を取り、片方の端を負の端子に、もう片方の端を6Bの穴に接続します。 .. image:: img/5_parallel_circuit_resistor.png :width: 600 :align: center 7. もう一つの赤色LEDを取り、アノード（長い足）は6Fの穴に、カソード（短い足）は6Eの穴に接続します。 .. image:: img/5_parallel_circuit_led.png :width: 600 :align: center 8. 最後に、短いジャンパーワイヤーの一端を6Jの穴に、もう一端を正の端子に差し込みます。これで並列回路が完成します。 .. image:: img/5_parallel_circuit_bb.png :width: 600 :align: center この回路には、2つのLEDが並列に配置されています。これにより、電流は2つの経路に分かれます： * 最初の経路では、電流がジャンパーワイヤーから最初のLEDに入り、電流制限抵抗を通過し、その後ブレッドボードの負の側に流れます。 * 2つ目の経路では、電流がジャンパーワイヤーから2つ目のLEDに入り、電流制限抵抗を通過し、その後ブレッドボードの負の側に流れます。 * 負の側で、2つの経路は再び収束し、黒い電源ワイヤーを通じてArduino Uno R3のGNDピンに到達します。 **質問:** この並列回路では、1つのLEDを取り外すとどうなりますか？なぜこのようなことが起こるのでしょうか？ .. image:: img/5_parallel_circuit_remove.png :width: 600 :align: center **電圧測定の手順** 1. マルチメーターをDC 20ボルトモードに調整します。 .. image:: img/multimeter_dc_20v.png :width: 300 :align: center 2. 並列回路では、各枝が電源からの全電圧を受け取ります。したがって、各枝は約5ボルトを示すはずです。まず、最初の経路に沿って電圧を測定します。 .. image:: img/5_parallel_circuit_voltage1.png :width: 600 :align: center .. list-table:: :widths: 25 25 25 :header-rows: 1 * - 回路 - 経路1の電圧 - 経路2の電圧 * - 2つのLED - *≈5.00 ボルト* - 3. 次に、2番目の経路に沿って電圧降下を確認します。同様に約5ボルトであることを期待します。 .. image:: img/5_parallel_circuit_voltage2.png :width: 600 :align: center .. list-table:: :widths: 25 25 25 :header-rows: 1 * - 回路 - 経路1の電圧 - 経路2の電圧 * - 2つのLED - *≈5.00 ボルト* - *≈5.00 ボルト* 並列回路の電圧測定演習は、各枝が電源からの全電圧を受け取ることを明確に示しています。この場合、約5ボルトです。異なる経路間で一貫性があり、並列回路の基本的な性質を確認しています。部品（LEDや抵抗）の製造上の微小な差異による電圧のわずかな変動も考慮します。 **電流測定の手順** 前回の測定から、並列回路の各枝が電源からの全電圧を受け取ることを学びました。しかし、電流についてはどうでしょうか？今から測定してみましょう。 1. マルチメーターを200ミリアンペアの位置に設定します。 .. image:: img/multimeter_200ma.png :width: 300 :align: center 2. 電流を測定するためには、マルチメーターを回路の流れに組み込む必要があります。抵抗の一端をブレッドボードの負の端子に残し、他の端を3Bの穴に移動します。 .. note:: このステップでは、LED 1が消灯し、LED 2が点灯したままになります。これは並列回路の特性を示しており、1つの経路が切断されても他の経路には影響がないことを示しています。 .. image:: img/5_parallel_circuit_led1_current.png :width: 600 :align: center 3. マルチメーターの赤と黒のリードをLEDと抵抗の間に置くと、LED1が再び点灯します。 .. image:: img/5_parallel_circuit_led1_current1.png :width: 600 :align: center 4. 測定した電流を表に記録します。 .. list-table:: :widths: 25 25 25 25 :header-rows: 1 * - 回路 - LED1の電流 - LED2の電流 - 総電流 * - 2つのLED - *≈12.6 ミリアンペア* - - 5. 最初の抵抗を元の位置に戻し、2番目の抵抗の一端をブレッドボードの負の端子に保ちながら、他の端を9Bの穴に移動します。 .. image:: img/5_parallel_circuit_led2_current.png :width: 600 :align: center 6. 今度は、回路内のLED 2の電流を測定します。 .. image:: img/5_parallel_circuit_led2_current1.png :width: 600 :align: center 7. 測定した電流を表に記録します。 .. list-table:: :widths: 25 25 25 25 :header-rows: 1 * - 回路 - LED1の電流 - LED2の電流 - 総電流 * - 2つのLED - *≈12.6 ミリアンペア* - *≈12.6 ミリアンペア* - 8. 両経路の電流を測定した後、経路が合流したときの総電流はどうなりますか？今、ジャンパーワイヤーをブレッドボードの負の端子から穴25Cに移動させてください。 .. image:: img/5_parallel_circuit_total_current.png :width: 600 :align: center 9. 今、回路全体の電流を測定します。 .. image:: img/5_parallel_circuit_total_current1.png :width: 600 :align: center 10. 測定結果を表に記入します。 .. list-table:: :widths: 25 25 25 25 :header-rows: 1 * - 回路 - LED1の電流 - LED2の電流 - 総電流 * - 2つのLED - *≈12.6ミリアンペア* - *≈12.6ミリアンペア* - *≈25.3ミリアンペア* 並列回路の探求を通じて、総電流が各枝の電流の合計を反映することを明らかにしました。これは、電気回路の基本原則に従っています。この実践的な活動は、並列回路の理解を深めるだけでなく、直列回路と比較した際の特性の違いを示し、回路設計と機能のさらなる探求への基礎を築きます。 **質問**： 1. この回路にもう1つLEDを追加すると、LEDの明るさはどうなりますか？なぜですか？答えを手帳に記録してください。 .. image:: img/5_parallel_circuit_3led.png :width: 600 :align: center 直列回路と並列回路のまとめ ----------------------------------------------------- **直列回路** * **利点**: 回路全体で電流が同じであるため、電流を制御しやすいです。1つの部品が故障すると、電流が止まります。配線が簡単で、大規模な回路の作成コストが低くなります。 * **欠点**: 回路の一部が損傷すると、全体が機能しなくなります。回路内の電流が一定のため、異なる電流を必要とする部品を使用できません。 **並列回路** * **利点**: 回路内の任意の経路が切断されても、他の枝には影響がありません。1つの枝のデバイスは、他のデバイスとは独立して動作できます。回路に枝を簡単に追加できます。 * **欠点**: デバイスが増えると、引き込む電流も増えます。これにより、回路が加熱され、火災の危険が生じる可能性があります。電流が過剰になると回路を切断するヒューズやブレーカーが使用され、過熱を防ぎます。配線が複雑になり、大規模な回路の作成コストが増加します。 **直列回路と並列回路のルール** 以下は、マルチメーターで検証し続けることができる、直列回路と並列回路のルールです： .. .. list-table:: .. :widths: 10 25 25 25 .. :header-rows: 1 .. * - Circuit .. - Voltage .. - Current .. - Resistance .. * - Series .. - The total voltage of the circuit equals the sum of the voltages used by each component (Total voltage = V1 + V2 + V3 + ...). .. - The current at any point in the circuit is the same (Total current = I1 = I2 = I3 = ...). .. - The total resistance of a circuit equals the sum of the resistances of each component (Total resistance = R1 + R2 + R3 + ...). .. * - Parallel .. - The voltage used by each load equals the total voltage used by the circuit (Total voltage = V1 = V2 = V3 = ...) .. - The total current of the circuit equals the sum of the currents used by each component (Total current = I1 + I2 + I3 + ...). .. - The reciprocal of the total resistance equals the sum of the reciprocals of each component's resistance (1/ Total resistance = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...) **直列回路** - 回路の総電圧は、各部品が使用する電圧の合計に等しい（総電圧 = V1 + V2 + V3 + ...）。 - 回路の任意の点での電流は同じである（総電流 = I1 = I2 = I3 = ...）。 - 回路の総抵抗は、各部品の抵抗の合計に等しい（総抵抗 = R1 + R2 + R3 + ...）。 **並列回路** - 各負荷が使用する電圧は、回路が使用する総電圧に等しい（総電圧 = V1 = V2 = V3 = ...）。 - 回路の総電流は、各部品が使用する電流の合計に等しい（総電流 = I1 + I2 + I3 + ...）。 - 総抵抗の逆数は、各部品の抵抗の逆数の合計に等しい（1/総抵抗 = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...）。