電気抵抗：それは何で何をするのか？（例付き）

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抵抗器とは何か

抵抗器（電気抵抗器とも呼ばれます）は、二端子の受動的な電気要素であり、電流の流れに電気抵抗を提供します。抵抗は、抵抗器内の電流の流れに対する抵抗度を測定するものです。抵抗器の抵抗が大きいほど、電流の流れに対する障壁も大きくなります。さまざまな種類の抵抗器があります。例えば、サーミスタなどがあります。

電気回路や電子回路において、抵抗器の主な機能は電子の流れ、つまり電流を「抵抗」することです。それが「抵抗器」と呼ばれる理由です。

抵抗器は受動的な電気要素です。これは、回路にエネルギーを供給することはできないが、代わりにエネルギーを受け取り、電流が流れる限り熱として放出することを意味します。

さまざまな抵抗器は、電流の流れを制限したり、電圧降下を生じさせるために、電気回路や電子回路で使用されます。抵抗器は、数分のオーム（Ω）から数百メガオームまでのさまざまな抵抗値で利用可能です。

オームの法則によれば、抵抗器の両端の電圧（V）は、その中に流れる電流（I）に比例します。ここで、抵抗Rは比例定数です。

抵抗器は何をするのか

電気回路や電子回路において、抵抗は電流の流れを制限し調整したり、電圧を分割したり、信号レベルを調整したり、アクティブ要素にバイアスをかけたりするなどに使用されます。

例えば、多くの抵抗が直列に接続されて発光ダイオード（LED）を通る電流を制限するために使用されます。他の例については以下で説明します。

電圧スパイクからの保護

スナッバーサーキットとは、抵抗とコンデンサーが直列に接続され、スイッチング素子と並列に接続されるサーキットです。このサーキットは、スイッチング素子の両端に急激に上昇する電圧を抑制するために使用されます。これは高 $\frac{dv}{dt}$ に対する保護のために使用されるスナッバーサーキットとして知られています。

また、抵抗はLEDライトを電圧スパイクから保護するためにも使用されます。LEDライトは高電流に対して敏感であり、そのため抵抗を使用してLED内の電流の流れを制御しないと損傷します。

電圧ドロップを作成することで適切な電圧を提供する

電気回路内の各要素、例えばライトやスイッチは特定の電圧を必要とします。そのため、抵抗は要素間で電圧ドロップを作成することにより適切な電圧を提供するために使用されます。

抵抗（電気抵抗）の単位は何ですか？

抵抗のSI単位はオーム（Ω）です。この単位は、偉大なドイツの物理学者および数学者であるゲオルク・シーモン・オームにちなんで名付けられました。

SIシステムでは、1オームは1ボルト毎アンペアに等しいです。したがって、

$\begin{align*} 1\,\,Ohm = 1 \frac{Volt}{Ampere} \end{align*}$

したがって、抵抗はまたボルト毎アンペアで測定されます。

抵抗は幅広い範囲の値で製造され、指定されています。そのため、抵抗の導出単位はその値に応じて作られています。例えば、ミリオーム（1 mΩ = 10-3 Ω）、キロオーム（1 kΩ = 103 Ω）、メガオーム（1 MΩ = 106 Ω）などがあります。

抵抗の回路シンボル

抵抗には主に2つの回路シンボルが使用されています。最も一般的なシンボルはジグザグ線で、北米で広く使用されています。

もう一つの抵抗のシンボルは小さな長方形で、ヨーロッパやアジアで広く使用されており、これは国際的な抵抗シンボルと呼ばれています。

抵抗の回路シンボルは以下の画像に示されています。

企業微信スクリーンショット_1710134355893.png — 抵抗のシンボル

企業微信スクリーンショット_1710134362141.png — 抵抗のシンボル

直列と並列の抵抗

直列接続された抵抗の式

以下の回路は、直列に接続されたn個の抵抗を示しています。

2つ以上の抵抗が直列に接続されている場合、それらの直列接続された抵抗の等価抵抗は、各抵抗の個々の抵抗値の合計に等しいです。

数学的には、これは以下のように表されます

$\begin{align*} R_e_q_. = R_1 + R_2 + ........ + R_n \end{align*}$

$\begin{align*} R_e_q_. = \sum_{i=1}^{n} R_n \end{align*}$

直列接続では、各抵抗を通過する電流は一定です（つまり、各抵抗を通過する電流は同じです）。

例

以下の回路図に示すように、5 Ω、10 Ω、15 Ω の3つの抵抗が直列に接続されています。直列接続された抵抗の等価抵抗を求めなさい。

解：

与えられたデータ： $R_1 = 5 \,\,\Omega, R_2 = 10 \,\,\Omega$ および $\,\,R_3 = 15 \,\,\Omega$

公式によれば、

$\begin{align*} \begin{split} & R_e_q_. = R_1 + R_2 + ........ + R_n \\ & = 5 + 10 + 15 \\ & R_e_q_.= 30\,\,\Omega \end{split} \end{align*}$

したがって、直列に接続された抵抗の等価抵抗は30Ωである。

（上記の回路図では25Ωとありますが、これは誤りで、正しい答えは30Ωです）

並列接続された抵抗の公式

以下の回路は、n個の抵抗が並列に接続されていることを示しています。

2つ以上の抵抗が並列に接続されている場合、並列接続された抵抗の等価抵抗は、各抵抗の逆数の和の逆数に等しい。

数学的に表現すると

$\begin{align*} \frac{1}{R_e_q_.} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ........ + \frac{1}{R_n} \end{align*}$

$\begin{align*} R_e_q_. = \sum_{i=1}^{n} \frac{1}{R_n} \end{align*}$

並列接続では、各個々の抵抗器を流れる電圧は一定です（つまり、各抵抗器を流れる電圧は同じです）。

抵抗回路（例示アプリケーション）

LED用制限抵抗

LEDには制限抵抗による電流制限が非常に重要です。LEDに流れる電流が多すぎると損傷します。したがって、制限抵抗を使用してLEDへの電流を制限または減少させます。

制限抵抗は、LEDと直列に接続されて、LEDを流れる電流を安全な値に制限します。例えば、下の画像のように、制限抵抗はLEDと直列に接続されています。

必要な制限抵抗の値を計算する

制限抵抗の値を計算する際には、以下の3つのLEDの仕様または特性値を知る必要があります：

LEDの順方向電圧（データシートから）
LEDの最大順方向電流（データシートから）
VS = 電源電圧

順方向電圧はLEDを点灯させるために必要な電圧で、通常は1.7 Vから3.4 Vの範囲内です。これはLEDの色によって異なります。最大順方向電流は、LEDを通過する連続的な電流で、一般的なLEDでは約20 mAです。

次に、以下の式を使用して必要な電流制限抵抗値を計算することができます。

$\begin{align*} R = \frac{V_S - V_F}{I_F} \end{align*}$

ここで $V_S$ = 電源電圧

$V_F$ = 順方向電圧

$I_F$ = 最大順方向電流

上記の式を使用して必要な電流制限抵抗値を計算する例を見てみましょう。

プルアップ抵抗

プルアップ抵抗は電子論理回路で信号が知られた状態になるように使用される抵抗です。

言い換えると、プルアップ抵抗は入力条件がないときにワイヤが高論理レベルに引き上げられるようにするために使用されます。プルダウン抵抗はプルアップ抵抗と同様に機能しますが、ワイヤを低論理レベルに引き下げます。

現代のIC、マイクロコントローラー、デジタル論理ゲートには多くの入力と出力ピンがあり、これらの入力と出力を正しく設定する必要があります。そのため、プルアップ抵抗が使用され、マイクロコントローラーやデジタル論理ゲートの入力ピンを既知の状態に正しくバイアスします。

プルアップ抵抗は、トランジスタ、スイッチ、ボタンなどと組み合わせて使用されます。これらは、後続のコンポーネントの接地またはVCCへの物理的な接続を遮断します。例えば、以下の画像に示すプルアップ抵抗回路があります。

図のように、スイッチが閉じると、マイクロコントローラーやゲートの入力電圧（Vin）は接地に接続され、スイッチが開いているときには、マイクロコントローラーやゲートの入力電圧（Vin）は入力電圧（Vin）のレベルに引き上げられます。

したがって、スイッチが開いているときにプルアップ抵抗はマイクロコントローラーの入力ピンやゲートをバイアスすることができます。プルアップ抵抗がない場合、マイクロコントローラーやゲートの入力は浮遊状態、つまり高インピーダンス状態になります。

プルアップ抵抗の一般的な値は4.7 kΩですが、アプリケーションによって異なることがあります。

抵抗器の電圧降下

抵抗器の電圧降下とは、抵抗器の両端に存在する電圧の値のことです。電圧降下はIR降下とも呼ばれます。

抵抗器は、電流の流れに対する電気抵抗を提供するパッシブな電気要素です。したがって、オームの法則によれば、電流が抵抗器を通過すると電圧降下が発生します。

抵抗器の電圧降下は数学的に以下のように表現できます。

$\begin{align*} V (Voltage \,\, Drop) = I * R \end{align*}$

IR降下（電圧降下）の符号

抵抗器の電圧降下の符号を決定するには、電流の方向が非常に重要です。

以下の図に示すように、抵抗Rを持つ抵抗器に、点Aから点Bへ電流Iが流れているとします。

したがって、点Aは点Bよりも高いポテンシャルになります。AからBへ移動すると、V = -I R（つまり、ポテンシャルの低下）となります。同様に、BからAへ移動すると、V = +I R（つまり、ポテンシャルの上昇）となります。

従って、抵抗器の電圧降下の符号は、その抵抗器を通る電流の方向によって決まることが明らかです。

抵抗器の色コード

抵抗器の色コードは、抵抗値と許容誤差を識別するために使用されます。これらの色コードは、抵抗器に色帯を使用して表示されます。

以下の図に示すように、抵抗器には4つの色帯が印刷されています。そのうち3つは並んで印刷され、4つ目は少し離れて印刷されています。

4 band resistor color code — 4バンド抵抗器の色コード

左側から2番目のバンドは有効数字を、3番目のバンドは10の累乗を、4番目のバンドは許容誤差を示します。

以下の表は、抵抗器の異なる色コーディングに対する有効数字、10の累乗、および許容誤差を示しています。

重要なポイント：

金色と銀色のバンドは常に右側に配置されます。
抵抗値は常に左から右へ読み取ります。
許容誤差のバンドがない場合は、リード近くにあるバンドを最初のバンドとして設定します。

例（抵抗値の計算方法）

下の画像のように、カーボン色コード付きの抵抗器には、最初のリングが緑色、2番目が青色、3番目が赤色、4番目が金色です。この抵抗器の仕様を確認してください。

解答：

抵抗器の色コーディング表によると、

グリーン	ブルー	レッド	ゴールデン
5	6	102	${\pm 5}{\%}$

$\begin{align} R = 56 10^2 \Omega \SI{\pm 5}{\%} \,\, \end{align*}$

したがって、抵抗値は $5600\,\,\Omega$ であり、許容誤差は ${\pm 5}{\%}$ である。

したがって、抵抗値は以下の範囲内にある。

$5600 + 5 \% = 5600 + 280 = 5880 \,\,\Omega$

$5600 - 5 \% = 5600 - 280 = 5320 \,\,\Omega$

したがって、抵抗値は $5880\,\,\Omega$ と $5320\,\,\Omega$ の間にある。

文字または文字コード (RKM コード)

抵抗が非常に小さい場合、色コードを適用するのが難しいことがあります。そのような場合、抵抗の仕様には文字または文字コードを使用します。これは RKM コードとも呼ばれます。

抵抗のコーディングに使用される文字は R、K、M です。2つの小数の間に文字がある場合、それは小数点として機能します。例えば、R はオーム、K はキロオーム、M はメガオームを示します。具体的な例を見てみましょう。

抵抗	略号
0.3 Ω	R3
0.47 Ω	R47
1 Ω	1R0
1 KΩ	1K
4.7 KΩ	4K7
22.3 MΩ	22M3
9.7 MΩ	9M7
2 MΩ	2M

例 - 文字または数字コード

許容差は次のように示されます

文字	許容範囲
F	${\pm 1}{\%}$
G	${\pm 2}{\%}$
J	${\pm 5}{\%}$
K	${\pm 10}{\%}$
M	${\pm 20}{\%}$

例 – 文字コード付きの抵抗:

抵抗体の種類

さまざまな抵抗体の種類があり、それぞれが独自の特性と特定の使用例を持っています。

利用可能な抵抗体には、固定抵抗と可変抵抗の2つの基本的なタイプがあります。両方のタイプは以下の通りです。

固定抵抗

固定抵抗は最も広く使用される抵抗体のタイプです。電子回路で適切な条件を調整および制御するために広く使用されています。固定抵抗のタイプは以下の通りです。

カーボンコンポジション抵抗（カーボン抵抗）
カーボンパイル抵抗
カーボンフィルム抵抗
サーミスタ（熱抵抗）
ワイヤーワウンド抵抗
表面実装抵抗
金属膜抵抗
金属酸化膜抵抗
厚膜抵抗
薄膜抵抗
フォイル抵抗
印刷カーボン抵抗
アメーターシャント抵抗（電流センシング抵抗）
グリッド抵抗

可変抵抗

可変抵抗は、1つまたは複数の固定抵抗要素とスライダーで構成されています。これらは、要素に3つの接続を提供します。2つは固定抵抗要素に接続され、3つ目はスライダーです。スライダーを異なる端子に動かすことにより、抵抗値を変えることができます。

可変抵抗のタイプは以下の通りです。

可変抵抗
ポテンショメータ
可変抵抗（リアスタット）
抵抗デケードボックス（抵抗置換ボックス）
バリスタ（非線形抵抗）
光依存抵抗（LDRまたはフォトレスイスタ）
トリマー

その他の特殊な種類の抵抗には以下があります：

水抵抗（水リアスタット、液体リアスタット）
バラスト抵抗
フェノール樹脂成形コンパウンド抵抗
セラミック金属抵抗
タングステン抵抗

抵抗器のサイズ（最も一般的な抵抗値）

抵抗器のサイズは、標準的な抵抗値の異なるシリーズに整理されています。1952年に国際電気技術委員会（IEC）は、部品間の互換性を高め、抵抗器の製造を容易にするために、標準的な抵抗値と許容誤差を決定しました。

これらの標準値は、IEC 60063の好ましい数値のEシリーズとして知られています。これらのEシリーズは、それぞれ12、24、48、96、および192の異なる値を持つE12、E24、E48、E96、およびE192に分類されます。

最も一般的な抵抗値は以下の通りです。これはE3、E6、E12、およびE24の標準的な抵抗値です。

E3標準抵抗シリーズ：

E3抵抗シリーズは、電子産業で最も一般的に使用される抵抗値です。

1.0

2.2

4.7

E6規格の抵抗器シリーズ:

E3抵抗器シリーズも最も一般的に使用されており、幅広い抵抗値を提供します。

1.0	1.5	2.2
3.3	4.7	6.8

E12標準抵抗器シリーズ:

1.0	1.2	1.5
1.8	2.2	2.7
3.3	3.9	4.7
5.6	6.8	8.2

E24規格の抵抗器シリーズ:

1.0	1.1	1.2
1.3	1.5	1.6
1.8	2.0	2.2
2.4	2.7	3.0
3.3	3.6	3.9
4.3	4.7	5.1
5.6	6.2	6.8
7.5	8.2	9.1

抵抗器の許容誤差は一般的に ${\pm 20}{\%}$ , ${\pm 10}{\%}$ , ${\pm 5}{\%}$ , ${\pm 2}{\%}$ , そして ${\pm 1}{\%}$ 。

抵抗器はどのような材料で作られていますか？

用途によって、抵抗器を作るのに使用される材料は様々です。

抵抗器は炭素または銅で作られており、電流が回路を流れにくくしています。
最も一般的なタイプであり汎用的な抵抗器は、低電力電子回路に最適な炭素抵抗器です。
マンガンとコンスタンタン合金は、高抵抗率と低温度係数を持つため、標準的な巻線抵抗器の製造に使用されます。
マンガン箔とワイヤーは、アンペアメーターシャントなどの抵抗器の製造に使用されます。マンガンはほぼゼロの温度係数抵抗を持つためです。
ニッケル-銅-マンガン合金は、標準抵抗器、ワイヤーワウンド抵抗器、精密ワイヤーワウンド抵抗器などに使用されます。この合金の組成は以下の通りです：ニッケル = 4%；銅 = 84%；マンガン = 12%。