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ハードウェア電気電子の知識 (4/23)

電子工作において、マイコンを使うにあたって入出力のためセンサーや電源を取り付けるのに周辺回路を正しく設計しないと、正常動作あるいはマイコン自体を破壊しかねない。
デジタル回路であるマイコン素子を使うための、周辺回路を設計するのには、電気電子の知識が無ければならない。
「ディジタル信号も、素子レベルでの信号伝達や消費電力、速度などの物理的な実時間の性能はアナログ動作になります」というのがJST(Japan Science and Technology Agency - 国立研究開発法人 科学技術振興機構)が提供する、JREC-IN Portal内のe-learning 「電子電気 - アナログ回路コース」での説明だ。

自分の最初の目標であるデジタル回路の周辺回路を汎用ロジックICで組むというのは、素子レベル(抵抗やIC、トランジスタなど)で自由に組めるようになる事なので、アナログ回路の知識が必要だという事だったようだ。

確かにこのサイトの「デジタル回路コース」は論理回路とかメモリとか自分の考えている回路とはかけ離れている。(FPGAなど論理設計にはいずれ必要だが)

そうかー、自分がやりたいことを出来るようになるには「アナログ回路」を理解すべきだったのか。

ということで、基本のオームの法則から勉強し直している。
I = V/R (抵抗とは電圧に比例する電流の比例定数の事)

しかし、Rの単位オームは、「1ボルトの電圧で1アンペアの電流が流れる時の抵抗を1オームと定義する」のだが、そもそも1ボルトとはどういう定義なのか、1アンペアとはどういう定義なのかはっきりわかっていなかった。

で、ボルトとアンペアの定義をWikiで調べる。
ボルトは1アンペアの電流が流れる時1ワットの仕事量を発生させる場合の電圧を1ボルトとする。
1ワットは仕事量だから熱量ジュールで表される。1秒間に1ワットの仕事量を1ジュールと呼ぶ。
そして1ジュールはWikiによれば約102gの物体を標準重力下で1メートル持ち上げる仕事量に相当する。

ここで出てくる電気電子の用語に関して言えば、ボルトはアンペアによって定義されているという事。

つまりアンペアの定義がわかれば、芋づる式にボルトが定義され、オームが定義されるという事。

ではアンペアの定義とは?
やはりWikiによると、「真空中に 1 メートルの間隔で平行に配置された無限に小さい円形断面積を有する無限に長い二本の直線状導体のそれぞれを流れ, これらの導体の長さ 1 メートルにつき 2 × 10−7ニュートンの力を及ぼし合う一定の電流」となる。
つまり電磁誘導の関係で引き合う2つの電線間の力が2*10^-7 Nの時、電線を流れる電流の大きさを1アンペアという。

よし、アンペアが電線間の電磁誘導で引き合う力から定義され、ボルトがアンペアで定義される仕事量で定義され、オームがボルトとアンペアで定義された。
決して数式の相互参照になっていないし、単なる式変換でもない。

(オームが電線の断面積や長さに比例・反比例する性質は、定義ではなく物理特性だ。あえていうならまた別のオームと断面積m^2や長さmとの関係だ)

ふむ、やっとオームの定義に納得がいった。
この際に比例と反比例についても再度確認した。つまり一定の「抵抗」の元で電圧を上げると電流が増えるのは比例で、式はy=axということ。
「抵抗」自体を理解し物理現象も確認。この電流と電圧が比例する時の定数を抵抗とするのがオームの法則である。
法則は実験結果によって観測された物理法則で、オームの定義はそれとは厳密には別なのだ。

やはりただ暗記するだけではなく理解しておくことが大事だ。

オームの法則を足掛かりに「アナログ回路コース」を学習しよう。

by k1segawa | 2017-04-23 13:20 | Comments(0)