メーカーツールキットには、必須のツールが揃っています。どんな作業にも欠かせないツールです。ブレッドボード、はんだごて、LEDも重要ですが、抵抗器はプロジェクトに欠かせない小さな部品です。
Raspberry Pi、Raspberry Pi Pico 、Arduinoなど、どのボードを選ぶにしても、LEDを保護したり、電圧を分割したり、回路に正確な値を与えたりするために抵抗器が必要です。しかし、抵抗器は何をするのでしょうか？なぜ必要なのでしょうか？そして、正しい値を確実に得るにはどうすればいいのでしょうか？そのためには、少し計算をして、いくつかのデータシートを参照する必要があります。
抵抗器とは何ですか?
抵抗器は回路に電気抵抗をもたらす部品です。通常、回路内の電流を減らすために使用されます。例えば、LEDに使用すると、LEDが消費する電流の過剰を抑制します。
抵抗器のないLEDはすぐに切れてしまいます。抵抗器は分圧器、つまり回路内の電圧を下げる便利な回路を作るのにも使えます。どのメーカーのキットにも抵抗器が含まれています。抵抗器は帯状の形で販売されており、1個パックから数千個単位で購入できます。
抵抗器はなぜ必要なのでしょうか?
抵抗器の最も基本的な用途は、部品が過剰な電流を消費するのを防ぐことです。例えば、LED（発光ダイオード）を考えてみましょう。LEDは電流を一方向に流し、動作時に微弱な光を発するように設計されています。LEDに必要な電流を流すと、LEDは明るく点灯しますが、すぐに切れてしまいます。場合によっては、一度に過剰な電流を流してしまい、LEDが「ポン」と音を立てて故障してしまうこともあります。
正確な抵抗値を決定するには、次の計算を使用できます。
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R は抵抗値、Vs は電源電圧、Vf は順方向電圧 (コンポーネントに必要な量)、If は順方向電流です。
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これを実際に試してみましょう。青色LEDを5V電源に接続しています。LEDの順方向電圧は3.2Vで、必要な電流は約10mAです。したがって、計算は次のようになります。
これはRの値が180Ωであることを意味します。標準の抵抗器シリーズでは、この値を正確に使用することも、代わりに150Ωまたは220Ωの抵抗器を選択することもできます。基本的な用途では正確な値は必須ではありませんが、専門用途／産業用途、あるいは高精度デバイス用の回路設計では、正確な値を使用する必要があります。正確な値は、部品のデータシートまたは選択したストアの製品ページで確認できます。
ほとんどの趣味やメーカーの用途では、入手可能な抵抗値の中で最も近いものを選択できます。LEDには220/330Ωの抵抗器がよく使用されます。
抵抗器はGPIOピンのプルアップまたはプルダウンにも使用できます。プルアップ抵抗器は、ピンに電源を接続することでピンをハイレベルにプルアップします。プルダウン抵抗器は、ピンをGNDにプルダウンします。 私たちは、3.3V電源を使用してデータピンをハイレベルにプルアップするために、 10KΩの抵抗器とDHT22温度センサーを使用しました。
抵抗器は、あるレベルから別のレベルに電圧を下げるためにも使用できます。これは分圧器と呼ばれ、ポテンショメータで電圧を変化させるためによく使用されます。
分圧器を作成するには、この式を使用する必要があります。
Vout は必要な電圧です。
Vin は入力電圧です。
R1 は最初の抵抗器の値です。
R2 は 2 番目の抵抗器の値です。
そこで、分圧器では5Vの入力電圧を約3.3Vに変換します。このプロセスは、例えばHC-SR04のようなコンポーネントのロジック電圧を変更する必要があるときによく使用されます。HC-SR04超音波距離センサーは元々5Vロジックを使用していたため、音が物体に反射したときにアクティブになるエコーピンは、GPIOに5Vを送信します。
Arduino なら問題ありませんが、Raspberry Pi の場合はピン、あるいは Pi 自体が損傷する可能性があります。分圧器を構成するために、1K オームの抵抗 R1（上）と 2.2K オームの抵抗 R2（下）の 2 つの抵抗を使用します。R1 と R2 の脚はブレッドボードの同じ列に接続します。R1 には 5V を供給し、R2 には GND を接続します。R1 と R2 の脚が交わる部分が出力電圧で、3.4375V になるはずです。これは 3.3V GPIO の許容範囲内です。
計算は、R1 と R2 を加算し (1000 + 2200 = 3200)、次に R2 の値をこれで割り (2200 / 3200 = 0.6875)、最後に入力電圧を掛けます (5 8 0.6875 = 3.4375V)。
適切な抵抗器を選択するにはどうすればよいですか?
抵抗器の軸の周りには色の帯があります。抵抗器のカラーコードの解読方法については詳細な記事がありますが、以下に最初のプロジェクトに適した簡単な説明を記載します。
これらのバンドは、抵抗器の値を識別するために使用できるコードシステムです。4バンド、5バンド、6バンドがありますが、最も一般的なのは4バンドです。実際、4バンドの抵抗器が最も読み取りやすいです。
この抵抗器を例に挙げてみましょう。抵抗器には帯状のマークが印刷されていますが、最後の帯状のマークである許容誤差は、抵抗器の端にある「突起」の一つに印刷されています。最初の帯は黄色、2番目の帯は紫色です。つまり、値は47です。3番目の帯は乗数で、この場合は赤が100です。計算すると、47 x 100 = 4700となります。これは4700オームの抵抗器で、一般的に4.7Kオーム抵抗器と呼ばれます。最後の帯状のマークは許容誤差です。この許容誤差帯は金色で、これは5%の許容誤差があることを意味します。つまり、4.7Kオームの値から5%上下する可能性があります。
5バンド抵抗器は、さらに精度を高め、3桁目の数字を追加することで精度を調整します。同じ4.7KΩ抵抗器の3バンド目は黒で、ゼロを表します。4バンド目は乗数、5バンド目は許容誤差を表します。
この表は、4 バンドおよび 5 バンド抵抗器に適用できるクイック リファレンスを提供します。
抵抗器の点検
抵抗器のカラーコードだけでは正しく識別できない場合があります。古い、破損している、または印刷が間違っている可能性があります。その場合は、マルチメーターを使って抵抗器の状態を確認できます。
マルチメーターはメーカーにとって欠かせないツールです。マルチメーターは電圧や電流の測定、回路の導通チェックなどの機能を備えています。一般的なマルチメーターには、オートレンジとマニュアルレンジの2種類があります。オートレンジは測定値を自動的に検出し、所定の範囲内に収めようとします。マニュアルレンジの場合は、レンジを設定する必要があります。
自動レンジマルチメーター用
1.ダイヤルをΩ（オーム）記号に合わせて電源ボタンを押します。マルチメーターによっては、ダイヤルを回すと電源が入るタイプと、電源ボタンが付いているタイプがあります。
2.抵抗器の片方の脚を片方のプローブに巻き付けます。抵抗器には極性がないので、どちらの脚でもプローブに接続できます。
3.もう一方の脚を残りのプローブの周りに巻き付けます。
4.画面に表示される値を読み取ります。読み取りを開始する前に、画面が安定するまで数分間お待ちください。
手動マルチメーターの場合
1.ダイヤルをΩ（オーム）記号に合わせて最小レンジを選択します。電源ボタンを押します。
2.抵抗器の片方の脚を片方のプローブに巻き付けます。抵抗器には極性がないので、どちらの脚でもプローブに接続できます。
3.もう一方の脚を残りのプローブの周りに巻き付けます。
4.画面に表示される値を読み取ります。読み取りを開始する前に、画面が安定するまで数分間お待ちください。
5.読み取り値が「OL」または「文字化け」と表示された場合は、安定した値になるまでレンジを1つ上げてください。これはマルチメーターが読み取り値が範囲外であることを知らせているサインです。通常、手動で設定した値よりも高い値になっています。
