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神奈川工科大学 創造工学部
ホームエレクトロニクス開発学科
山崎 洋一
yamazaki@he.kanagawa-it.ac.jp
ものづくりプロジェクトI
ものづくりのための電気電子回路入門
第1回 スイッチ入力のための電子回路
ホームエレク...
ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com
抵抗分圧回路によるスイッチ検出(ラジカセ)
信号線1本でスイッチ11個を検出
RX-DT75(Panasonic) スイッチ・センサ部
● ラジカセのスイッチとセンサ
● 抵抗...
ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com
抵抗器( 抵抗器: resistor / 抵抗:resistance )
抵抗の種類
カラーコードの読み方
カーボン抵抗
抵抗器 … 電流の流れを抑制
主な用途
➩ ① 電流を...
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コンデンサ(コンデンサ:capacitor/静電容量:capacitance )
コンデンサ… 電気を貯める
主な用途
➩ ① 電圧を安定させる
② ノイズを取り除く
③ 信号...
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LED (Light Emitting Diode)
LED … 電流を流すと光る
主な用途
➩ アノード(+)からカソード(ー)に
電流を流すと発光する.抵抗が必要.
LED...
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三端子レギュレータ(three-terminal regulator)
三端子レギュレータ
… 電圧を一定値に降下させる
主な用途
➩ 電源部に用いる.入力電圧(VIN)を
出...
電気が見えますか?
電気のイメージ ポイント①
回路は水路,電荷は船,電流は電荷の流れ
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11/26
+ + +
電流=電荷の流れ
回路
[イメージ]
水路
電流=船の流れ
ロボイメージ
Point...
電気のイメージ ポイント②
電池は電荷をくみ上げるポンプ
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12/26
- +
起電力 V
低い 高い
+ +
+
くみあげた高さ
電圧 V ボルト
=
[電池は くみ上げるポン...
電気のイメージ ポイント③
コンデンサは電荷の船をためる係留施設
+
+ + - -
プラマイゼロ
= 電荷がたまっていない
- -+
+ + + - -
+
電荷がたまる
- -+ +
電荷を運ぶ
高い
低い
イメージ
両極板には+と-が同数...
電気のイメージ ポイント④
連続した導線の高さは同じ
どこも同じ電位
導線
同じ電位とは
限らない
スイッチ 抵抗
R
同じ電位とは
限らない
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電気のイメージ ポイント⑤
抵抗は荒波水路
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15/26
+ + +
荒波でエネルギーロス
抵抗
[荒波水路のイメージ]
抵抗は荒波水路のイメージです。抵抗を通過す
ると荒波でエ...
V R
電気のイメージ ポイント⑥
電気回路は一周するウォータースライダー
ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com
16/26
電池で V 上がる(起電力)
抵抗で RI 下がる(電圧降下)
オームの法則 V=R I...
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抵抗分圧回路によるスイッチ検出(ラジカセ)
信号線1本でスイッチ11個を検出
RX-DT75 スイッチ・センサ部
● スイッチを4つを用いた抵抗分圧回路
● 抵抗分圧回路を利用...
[出力端子電圧𝑉 𝑜𝑢𝑡 ]
(1) スイッチSW1を押したとき
𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 0
(2) スイッチSW2を押したとき
𝑉 𝑜𝑢𝑡 =
𝑅2
𝑅1+𝑅2
𝑉
(3) スイッチを押さないとき(オープン)
𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 (プルアップされてい...
● スイッチを4つを用いた抵抗分圧回路
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抵抗分圧回路の例
[出力端子電圧𝑉 𝑜𝑢𝑡 ]
(1) スイッチSW1を押したとき
𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 0
(2) スイッチSW2を押したと...
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抵抗分圧回路の抵抗値と出力電圧比
0
0.1
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Vout/V
(1)SW1 (2)SW2 ...
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抵抗分圧回路
● スイッチを4つを用いた抵抗分圧回路 課題1:
R1を10[kΩ] としたとき,各出力電圧
の比が均等になるように抵抗R2からR4
の値を定めなさい。ただし,各...
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抵抗分圧回路の設計と製作
ものづくりプロジェクト1(H-YAM-001ver1.1,2015)
➌ パターン図
➍ 3Dモデル
➎ 製作
➊ 回路図
➋ パーツリスト
22/2...
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抵抗分圧回路の設計と製作
● 回路図 ● 実装図
チェック端子 ピンヘッダ
ジャンパピン
23/26
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パーツリスト
番号 品名 数量 価格 小計
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
合計
課題2: パーツリストを作成し必要な金額を計算しなさい。
24/26
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パーツリストにもとづき部品をそろえ,抵抗分圧回路を作成しなさい。
製作・測定
課題3
ジャンパーピンを抜いた状態で,(1)SW1~(4)SW4,および(5)オープンの各状態
の...
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パーツ一覧
品名 価格 品名 価格
基板(H-YAM001)
400円
基板(H-YAM002)
200円
三端子レギュレータ
40円
チェック端子
各 20円
セラミックコン...
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ものづくりプロジェクトI(その1) スイッチ入力のための電子回路

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神奈川工科大学ホームエレクトロニクス開発学科で行っている初年度実習授業資料の抜粋版です。家電製品を例にとり、新しいくらしをつくるためのものづくりの技術を学びます。
ホームエレクトロニクス開発学科では、自らの実習体験を通して身近な製品をSTEM教育につなげる手法を学んで行きます。
※STEM教育とは、科学(Science)、技術(Technology)、工学(Engineering)、数学(Mathematics)を融合的に学ぶことができる教育プログラムです。

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ものづくりプロジェクトI(その1) スイッチ入力のための電子回路

  1. 1. 神奈川工科大学 創造工学部 ホームエレクトロニクス開発学科 山崎 洋一 yamazaki@he.kanagawa-it.ac.jp ものづくりプロジェクトI ものづくりのための電気電子回路入門 第1回 スイッチ入力のための電子回路 ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 1/26 くらしをかえる ものづくりを 学ぼう!
  2. 2. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 抵抗分圧回路によるスイッチ検出(ラジカセ) 信号線1本でスイッチ11個を検出 RX-DT75(Panasonic) スイッチ・センサ部 ● ラジカセのスイッチとセンサ ● 抵抗分圧回路を利用したスイッチ検出 信号線1本でスイッチ7個を検出 電圧の変化を利用して信号線1本で複数のスイッチ入力を検出 5/26
  3. 3. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 抵抗器( 抵抗器: resistor / 抵抗:resistance ) 抵抗の種類 カラーコードの読み方 カーボン抵抗 抵抗器 … 電流の流れを抑制 主な用途 ➩ ① 電流を調整する ② 電圧を分ける ③ その他 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 x 1 x 10 x 10 2 x 10 3 x 10 4 x 10 5 x 10 6 x 10 7 ± 5 % ± 10 % 可変抵抗 (半固定) 可変抵抗 (ポテンショ) 第1数字 第2数字 誤差精度 桁 第1数字 第2数字 誤差精度桁 2 0 k (×103) Ω ± 5 % x 10 -1x 10 -2 x 10 8 x 10 9 Point! 6/26
  4. 4. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com コンデンサ(コンデンサ:capacitor/静電容量:capacitance ) コンデンサ… 電気を貯める 主な用途 ➩ ① 電圧を安定させる ② ノイズを取り除く ③ 信号を取り出す セラミックコンデンサの容量値の読み方 セラミック コンデンサ 電解 コンデンサ コンデンサの種類 数字 桁 pF33 ×104 = μF0.33 電解コンデンサのつなぎ方 帯に記載されている + -の記号で判断 Point! + + 7/26
  5. 5. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com LED (Light Emitting Diode) LED … 電流を流すと光る 主な用途 ➩ アノード(+)からカソード(ー)に 電流を流すと発光する.抵抗が必要. LEDのつなげ方 Point! + - アノード anode カソード cathode 左図の形状が 一般的 テスタを用いた赤色LEDのチェック方法 アノードを-端子(黒)側, カソードを+端子(赤)側に 接続すると発光する(のが一般的)。 (注)アナログテスタだとこの方法で 発光しますが,小型のデジタルテスタ だと発光しません。なぜでしょう?) [OSR5JA5E34B] LEDの例 8/26 + - アノード anode カソード cathode
  6. 6. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 三端子レギュレータ(three-terminal regulator) 三端子レギュレータ … 電圧を一定値に降下させる 主な用途 ➩ 電源部に用いる.入力電圧(VIN)を 出力電圧(VOUT)まで降下させる. 三端子レギュレータのつなげ方 Point! [NJM7805FA] 三端子レギュレータの例 NJM7805 1 2 3 1 2 3 1. IN 2. GND 3. OUT 三端子レギュレータの参考回路 NJM7805 1 2 3 0.1μF0.33μF VOUTVIN 9/26
  7. 7. 電気が見えますか?
  8. 8. 電気のイメージ ポイント① 回路は水路,電荷は船,電流は電荷の流れ ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 11/26 + + + 電流=電荷の流れ 回路 [イメージ] 水路 電流=船の流れ ロボイメージ Point! 目に見えない電気を理解するにはイメージが大切です。 回路は水路,電荷は+の電荷を持つ船,電流は船の流れと 考えるとイメージしやすいで。 (ホンマは-の電荷を持つ電子が電流と逆方向に流れるんですが,イメージす るときはおカタいことはいいっこなしや。)
  9. 9. 電気のイメージ ポイント② 電池は電荷をくみ上げるポンプ ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 12/26 - + 起電力 V 低い 高い + + + くみあげた高さ 電圧 V ボルト = [電池は くみ上げるポンプのイメージ] 電池は電荷をくみ上げる ポンプをイメージしてく ださい。電荷をためる池 ではないんやで。 電圧はポンプが電荷をく み上げた高さのイメージ やな。 ロボイメージ Point!
  10. 10. 電気のイメージ ポイント③ コンデンサは電荷の船をためる係留施設 + + + - - プラマイゼロ = 電荷がたまっていない - -+ + + + - - + 電荷がたまる - -+ + 電荷を運ぶ 高い 低い イメージ 両極板には+と-が同数ある ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 13/26 ロボイメージ Point! コンデンサが電荷をためる プールです。コンデンサに 電池につなげると,電荷が 移動して極板間に電荷がた まるんや。 電荷が溜まるプール ※本当はマイナスの電荷が移動しているが, この方がイメージしやすい
  11. 11. 電気のイメージ ポイント④ 連続した導線の高さは同じ どこも同じ電位 導線 同じ電位とは 限らない スイッチ 抵抗 R 同じ電位とは 限らない ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 14/26
  12. 12. 電気のイメージ ポイント⑤ 抵抗は荒波水路 ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 15/26 + + + 荒波でエネルギーロス 抵抗 [荒波水路のイメージ] 抵抗は荒波水路のイメージです。抵抗を通過す ると荒波でエネルギーをロスしてしまうんやな。 力学ではロスしたエネルギー 摩擦熱になるけど、 電気回路では、ロスしたエネルギーは ジュール 熱になるんやで。 ロボイメージ Point! 荒波水路でエネルギーロス
  13. 13. V R 電気のイメージ ポイント⑥ 電気回路は一周するウォータースライダー ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 16/26 電池で V 上がる(起電力) 抵抗で RI 下がる(電圧降下) オームの法則 V=R I の意味は 0 + V - RI = 0 スタート スタートの 高さ 電池で V上がる 抵抗で RI下がる もとの高さに もどる 電気回路はウォータースライダーのイメージや。 電池でV上がって抵抗でRIだけ下がるんやな。 それがわかると オームの法則はぐるっと回ってもとの高さにも どることをあらわしているのがわかるな。 ロボイメージ Point! ウォータースライダー
  14. 14. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 抵抗分圧回路によるスイッチ検出(ラジカセ) 信号線1本でスイッチ11個を検出 RX-DT75 スイッチ・センサ部 ● スイッチを4つを用いた抵抗分圧回路 ● 抵抗分圧回路を利用したスイッチ検出 信号線1本でスイッチ7個を検出 電圧の変化を利用して信号線1本で複数のスイッチ入力を検出 17/26
  15. 15. [出力端子電圧𝑉 𝑜𝑢𝑡 ] (1) スイッチSW1を押したとき 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 0 (2) スイッチSW2を押したとき 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑅2 𝑅1+𝑅2 𝑉 (3) スイッチを押さないとき(オープン) 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 (プルアップされている状態) ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 抵抗分圧回路のしくみ R1R2 V R1 V R1R2 V 参考)電気回路の基礎(森北出版), pp.19, 「3.5 直列抵抗による分圧」 ②抵抗の端子間電圧 𝑉1 = 𝑅1 𝑖 = 𝑉 ①電流 𝑖 = 𝑉 𝑅1 ②電流 𝑖 = 𝑉 𝑅1+𝑅2 ③抵抗𝑅1の端子間電圧 𝑉1 = 𝑅1 𝑖 = 𝑅1 𝑅1 + 𝑅2 𝑉 ③抵抗𝑅1の端子間電圧 𝑉1 = 𝑅2 𝑖 = 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 𝑉 出力端子電圧𝑉 𝑜𝑢𝑡 SW1 SW2 ● スイッチを用いた抵抗分圧回路 ● 抵抗にかかる電圧 ● 直列抵抗による分圧 ①合成抵抗 𝑅1 + 𝑅2 18/26 (1) (2) (3)
  16. 16. ● スイッチを4つを用いた抵抗分圧回路 ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 抵抗分圧回路の例 [出力端子電圧𝑉 𝑜𝑢𝑡 ] (1) スイッチSW1を押したとき 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 0 (2) スイッチSW2を押したとき 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑅2 𝑅1+𝑅2 𝑉 (3) スイッチSW3を押したとき 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑅2+𝑅3 𝑅1+𝑅2+𝑅3 𝑉 (4) スイッチSW4を押したとき 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑅2+𝑅3+𝑅4 𝑅1+𝑅2+𝑅3+𝑅4 𝑉 (5) スイッチを押さないとき(オープン) 𝑉 𝑜𝑢𝑡 = 𝑉 (プルアップされている状態) R1 R2 R3 R4 出力端子電圧 𝑉 𝑜𝑢𝑡 SW1 SW2 SW3 SW4 電源電圧 𝑉 GND 19/26
  17. 17. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 抵抗分圧回路の抵抗値と出力電圧比 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 2 3 4 5 Vout/V (1)SW1 (2)SW2 (3)SW3 (4)SW4 (5)オープン 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1 2 3 4 5 Vout/V (1)SW1 (2)SW2 (3)SW3 (4)SW4 (5)オープン 0.25 0.25 0.25 0.25 ● R1=R2=R3=R4=10 [kΩ]の例 ● 均等になるように抵抗値を調整した例 各出力電圧の比が0.25で均等になっている (誤差に強い) 各出力電圧比が均等になっていない 多スイッチ入力を識別する抵抗分圧回路では, 出力電圧の比が均等になるように抵抗値を設定する。 20/26
  18. 18. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 抵抗分圧回路 ● スイッチを4つを用いた抵抗分圧回路 課題1: R1を10[kΩ] としたとき,各出力電圧 の比が均等になるように抵抗R2からR4 の値を定めなさい。ただし,各抵抗値 は下記のE24系の値から選択すること。 1 1.1 1.2 1.3 1.5 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.7 3 3.3 3.6 3.9 4.3 4.7 5.1 5.6 6.2 6.8 7.5 8.2 9.1 [E24系の値] ※この値および,この値を×10nしたものを用いる。 使用できる抵抗器の例 … 1Ω,10Ω,120Ω など 使用できない抵抗器の例 … 4Ω ,5Ω ,90Ω など R1 R2 R3 R4 出力端子電圧 𝑉 𝑜𝑢𝑡 SW1 SW2 SW3 SW4 電源電圧 𝑉 GND 21/26
  19. 19. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 抵抗分圧回路の設計と製作 ものづくりプロジェクト1(H-YAM-001ver1.1,2015) ➌ パターン図 ➍ 3Dモデル ➎ 製作 ➊ 回路図 ➋ パーツリスト 22/26 ⓿ 試作
  20. 20. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com 抵抗分圧回路の設計と製作 ● 回路図 ● 実装図 チェック端子 ピンヘッダ ジャンパピン 23/26
  21. 21. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com パーツリスト 番号 品名 数量 価格 小計 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 合計 課題2: パーツリストを作成し必要な金額を計算しなさい。 24/26
  22. 22. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com パーツリストにもとづき部品をそろえ,抵抗分圧回路を作成しなさい。 製作・測定 課題3 ジャンパーピンを抜いた状態で,(1)SW1~(4)SW4,および(5)オープンの各状態 のチェック端子間電圧を測定し,表,およびグラフで示しなさい。また理論値と比較 しなさい。 課題3[発展](余力があれば取り組むこと) 課題3での理論値と測定値の差に関して,抵抗の精度をふまえて検討しなさい。 課題4 ジャンパーピンを挿した状態で,(1)SW1~(4)SW4,および(5)オープン)の各状 態でLEDの点灯がどう変わるかをチェックしなさい。また、この結果からLEDが点灯 する電圧を予測しなさい。 [測定] 25/26 [製作]
  23. 23. ホームエレクトロニクス開発学科 山崎研究室 yamalab.com パーツ一覧 品名 価格 品名 価格 基板(H-YAM001) 400円 基板(H-YAM002) 200円 三端子レギュレータ 40円 チェック端子 各 20円 セラミックコンデンサ 10円 ピンヘッダ 10円 LED 10円 ジャンパピン 10円 カーボン抵抗 各 10円 バッテリスナップ 20円 タクトスイッチ 10円 電池ボックス 60円 フォトリフレクタ 50円 乾電池 (9V) 100円

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