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5. 直列回路と並列回路
このレッスンでは、直列回路と並列回路の両方を組み立てて解析し、異なる回路構成における電圧の挙動を理解し、測定します。マルチメーターを使って、構築した回路の電圧と抵抗を測定し、回路のダイナミクスに関する実践的な洞察を得ることができます。
この刺激的なレッスンで学ぶことは:
回路図と実際の回路の接続を理解する。
マルチメーターを使って抵抗と電圧を測定する。
ブレッドボードを使用して直列回路と並列回路を組み立てる。
直列回路と並列回路における電圧の挙動を比較する。
これらの目標は、理論的な知識と実践的な応用の橋渡しをし、ハンズオンで電子工学の理解を深めることができます。
直列回路と並列回路
これまでのレッスンでは、Arduino Uno R3、抵抗、LEDを使用してシンプルな回路を構築しました。この設定では、電流はボードのピン13からLED、抵抗を通り、GNDピンに戻る直列配置で流れます。これは直列回路のシンプルな例です。
しかし、電子工学の世界をさらに深く探求するにつれて、より複雑な回路に遭遇します。これらは、直列または並列に配置されたコンポーネントで構成されています。これらの配置と、それが電流や電圧に与える影響を理解するためには、回路図、つまり回路の概略図に慣れておく必要があります。
配線図と概略図の違い
これまでに使用してきた配線図は、回路コンポーネントの物理的レイアウトを模倣した絵画的な表現です。これらの図は直感的で、組み立て目的には適しています：
しかし、回路の機能性と設計論理を理解するためには、概略図が不可欠です。概略図は、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取り除き、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、回路図でよく見かけるLED、抵抗器、バッテリーの記号があります：
これまでの配線図に基づいた概略図は次のようになります。Arduino Uno R3全体がバッテリーとして機能し、回路に電力を供給しています。この概略図から、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略化できます。
直列回路と並列回路の構成
直列回路では、コンポーネントが一列に並んでおり、電流は一つの経路をたどります。もし一つのコンポーネントが故障した場合、回路全体が途絶えてしまいます。これは、古いクリスマスライトのように、一つの電球が切れると全体が暗くなる現象に似ています。
一方、並列回路は、電流を複数の経路に分けます。各コンポーネントは独立して動作するため、一つの経路が途絶えても、他の経路は機能し続けます。これは、家の電気システムのようなもので、一つのライトを消してもテレビはまだついているという状況に似ています。
直列回路に挑戦
直列回路と並列回路の違いを理解した上で、この活動では複数のLEDを使用して直列回路を構築します。覚えておいてください、直列回路では、電流は一つの経路を通ります。この実践的な演習を通じて、直列回路の独自の特徴を探求しましょう。
必要なコンポーネント
1 * Arduino Uno R3 |
3 * 赤色LED |
3 * 220Ω抵抗器 |
ジャンパーワイヤー |
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1 * USBケーブル |
1 * ブレッドボード |
1 * マルチメーター |
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回路の構築
以前のLED回路を調整し、1Jとブレッドボードの右側の正極間のジャンパーワイヤーを取り外します。その後、別の赤色LEDを取り、カソード（短い脚）を1Jに、アノードをブレッドボードの正極側に挿入し、回路にもう一つのLEDを直列に接続します。
これで、二つのLEDが直列に接続された回路が完成しました。回路を通る電流の流れを追いましょう：
電流はArduino Uno R3の5Vから長いジャンパーワイヤーを通ってブレッドボードの正極端子に流れます。
次に電流は最初のLEDを通り、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二つ目のLEDに流れ、これも点灯します。
二つ目のLEDを通過した後、電流は220Ωの抵抗器に入り、ここで抵抗に遭遇し、電流が減少します。この抵抗器がなければ、LEDを流れる電流が大きすぎて、LEDが焼けてしまう可能性があります。
最後に電流はArduino Uno R3のグラウンドピンに戻り、回路が完了します。
質問
この直列回路で、LEDの一つを取り外すとどうなるでしょうか？なぜこのようなことが起こるのでしょうか？
電圧の測定
マルチメーターを20V DC設定にします。
マルチメーターを使用して抵抗器の電圧を測定します。
注釈
回路内のコンポーネントの電圧を測定するとは、そのコンポーネントにかかる電圧をチェックすることです。基本的に、電圧は二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、その両側のエネルギー差を計測しています。
抵抗器にかかる電圧を記録します。電圧単位: ボルト (V)。
注釈
私の計測では1.13Vでしたが、あなたの計測結果に基づいて記入してください。
配線や手の安定性によって電圧が変動することがあります。手をしっかりと固定し、数回観察して安定した電圧値を得てください。
回路 |
抵抗器電圧 |
LED1電圧 |
LED2電圧 |
合計電圧 |
|---|---|---|---|---|
2つのLED |
≈1.13ボルト |
回路内のLED 1にかかる電圧を測定します。
LED 1にかかる電圧を表に記録します。
回路 |
抵抗器電圧 |
LED1電圧 |
LED2電圧 |
合計電圧 |
|---|---|---|---|---|
2つのLED |
≈1.13ボルト |
≈1.92ボルト |
回路内のLED 2にかかる電圧を測定します。
LED 2にかかる電圧を表に記録します。
回路 |
抵抗器電圧 |
LED1電圧 |
LED2電圧 |
合計電圧 |
|---|---|---|---|---|
2つのLED |
≈1.13ボルト |
≈1.92ボルト |
≈1.92ボルト |
次に、回路全体の電圧を測定します。
測定した電圧を表の合計電圧欄に記入します。
回路 |
抵抗器電圧 |
LED1電圧 |
LED2電圧 |
合計電圧 |
|---|---|---|---|---|
2つのLED |
≈1.13ボルト |
≈1.92ボルト |
≈1.92ボルト |
≈4.97ボルト |
私たちの測定結果から、次のことがわかります:
4.97ボルト ≈ 1.13ボルト + 1.92ボルト + 1.92ボルト
合計電圧 = 抵抗器電圧 + LED 1電圧 + LED 2電圧
この方程式にあなたの測定結果が一致するかどうかも計算できます。
注釈
配線の安定性や、LEDや抵抗器の製造上の微小な違いにより、抵抗器と2つのLEDの電圧の合計が、測定した合計電圧と完全に一致しない場合があります。しかし、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、回路全体の電圧は各コンポーネントにかかる電圧の合計になります。
電流の測定
直列回路における電圧特性を理解したところで、次は回路内の電流をマルチメーターを使って測定してみましょう。
マルチメーターを20ミリアンペアに設定します。電流は20mAを超えることはないため、この設定を選びます。不安な場合は、最初に200mAの設定から始めることをお勧めします。
電流を測定するためには、マルチメーターを回路の電流経路に組み込む必要があります。LEDのアノードを1Fに残し、カソード（短いリード）を1Eから3Eに移動させます。
回路内のLED 1に流れる電流を測定します。
測定した電流を表に記録します。
回路 |
LED1の電流 |
LED2の電流 |
|---|---|---|
2つのLED |
≈4.43ミリアンペア |
最初のLEDのカソードを元の位置に戻し、2つ目のLEDのカソード（短いリード）を1Jから2Jに移動させます。
回路内のLED 2に流れる電流を測定します。
測定した電流を表に記録します。
回路 |
LED1の電流 |
LED2の電流 |
|---|---|---|
2つのLED |
≈4.43ミリアンペア |
≈4.43ミリアンペア |
今回の測定結果は、直列回路の基本原理を明確に示しています。つまり、各コンポーネントを通る電流はすべて同一であるということです。この一貫した流れは、直列に接続されたコンポーネントが互いに密接に関連しており、どこかで電流が途切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、および抵抗の探求は、直列回路に対する理解を深めるだけでなく、より高度な電気工学の概念の基礎を築くものです。これらの実践的な実験を通じて、理論と実践の橋渡しが行われ、学習プロセスがより魅力的で有益なものになります。
質問
この回路にもう1つLEDを追加して3つのLEDにした場合、LEDの明るさはどのように変わりますか？なぜですか？3つのLEDにかかる電圧はどのように変わりますか？
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
複数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 * マルチメーター（テストリード付き）
回路の作成
220Ωの抵抗をブレッドボードに接続します。片方の端を負極に、もう片方の端を1Bに差し込みます。
赤色LEDをブレッドボードに追加します。LEDのアノード（長いリード）は1Fに、カソード（短いリード）は1Eに差し込みます。
LEDと電源を接続するために、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片方の端を1Jに、もう片方の端を正極に差し込みます。
ブレッドボードの正極に接続されている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が点灯し続けるはずです。この5Vピンは、回路に一定の5Vの直流電圧を供給します。これは、Arduino IDEソフトウェアを介してオンとオフをプログラムできる13ピンとは異なります。
ブレッドボードの負極をArduino Uno R3のグランドピンの1つに接続します。グランドピンは「GND」と表記されています。
もう一つの220Ω抵抗を取り出し、一端を負極に接続し、もう一端を6Bの穴に差し込みます。
別の赤色LEDを用意します。LEDのアノード（長いリード）は6Fに、カソード（短いリード）は6Eに挿し込みます。
最後に、短いジャンパーワイヤーの一端を6Jに、もう一端を正極に差し込みます。これで並列回路が完成します。
これで、この回路には2つのLEDが並列配置されています。電流が流れる経路は2つあります。
最初の経路では、ジャンパーワイヤーから電流が1つ目のLEDに入り、電流制限抵抗を通り、ブレッドボードの負極に流れます。
2つ目の経路では、ジャンパーワイヤーから電流が2つ目のLEDに入り、電流制限抵抗を通り、ブレッドボードの負極に流れます。
負極で2つの経路が再び合流し、黒い電源ワイヤーを通ってArduino Uno R3のグランドピンに到達します。
質問
この並列回路で、1つのLEDを取り外すとどうなりますか？その理由を説明してください。
電圧測定手順
マルチメーターをDC 20ボルトモードに設定します。
並列回路では、各枝が電源から全電圧を受け取ります。そのため、各枝では約5ボルトが表示されるはずです。まず、1つ目の経路に沿って電圧を測定します。
回路 |
経路1の電圧 |
経路2の電圧 |
|---|---|---|
2つのLED |
≈5.00ボルト |
次に、2つ目の経路の電圧降下を確認します。これも約5ボルトになるはずです。
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 |
この並列回路での電圧測定演習は、各枝が電源からの全電圧を等しく受け取ることを明確に示しています。今回の場合は約5ボルトです。この一貫性は、並列回路の基本的な特性を確認するものであり、電圧が各枝で一定であることを示しています。ただし、LEDや抵抗などの部品の製造差異によっては、微小な変動が生じることもあります。
電流測定手順
前回の測定から、並列回路の各枝が電源から全電圧を受け取ることがわかりました。では、電流はどうでしょうか？今度はそれを測定してみましょう。
マルチメーターを200ミリアンペアの設定にします。
電流を測定するには、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。抵抗の片端をブレッドボードの負極に残し、もう片端を3Bに移動させます。
注釈
このステップにより、LED 1は消灯し、LED 2は点灯したままになります。これは、並列回路の特徴の1つであり、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。
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。
測定した電流を表に記録します。
回路 |
LED1の電流 |
LED2の電流 |
合計電流 |
|---|---|---|---|
2つのLED |
≈12.6ミリアンペア |
最初の抵抗を元の位置に戻し、2つ目の抵抗の片端をブレッドボードの負極に置き、もう片端を9Bに移動させます。
次に、回路内のLED 2に流れる電流を測定します。
測定した電流を表に記録します。
回路 |
LED1の電流 |
LED2の電流 |
合計電流 |
|---|---|---|---|
2つのLED |
≈12.6ミリアンペア |
≈12.6ミリアンペア |
両方の経路で電流を測定した後、経路が収束したときの合計電流はどうなりますか？今度は、ジャンパーワイヤーをブレッドボードの負極から25Cに移動させてください。
現在、回路の合計電流を測定します。
測定結果を表に記入します。
回路 |
LED1の電流 |
LED2の電流 |
合計電流 |
|---|---|---|---|
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、合計電流が各枝の電流の合計と一致するという重要な側面が明らかになりました。これは電気回路の基本原則に従った結果です。このハンズオン活動は、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異なる動作を際立たせ、並列回路がどのように電気負荷を分担するかを明確に示しています。これからも電子回路の世界を探求し続ける中で、これらの洞察が回路設計や機能性に対するより深い研究の基盤となるでしょう。
質問:
この回路にもう1つLEDを追加すると、LEDの明るさはどう変化しますか？なぜですか？答えを手帳に記入してください。
直列回路と並列回路のまとめ
直列回路
利点: 回路全体を通る電流が同じであるため、電流の制御が容易です。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、大規模な回路のコストを抑えることができます。
欠点: 回路の一部が故障すると、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: 回路内のいずれか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独立して動作できます。回路に簡単に枝を追加することができます。
欠点: デバイスが増えるにつれて、より多くの電流が流れます。これは回路が加熱し、最終的に火災の危険性があるため、危険になります。過電流を避けるために、ヒューズやブレーカーを使って回路を切断します。配線が複雑になり、大規模な回路の製作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、直列回路と並列回路のルールであり、マルチメーターを使って検証し続けることができます。 .. .. list-table:: .. :widths: 10 25 25 25 .. :header-rows: 1
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です（総電圧 = V1 + V2 + V3 + ...）。
回路の任意の点における電流は同じです（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です（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です（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です（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です（1/総抵抗 = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3 + ...）。