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電子回路設計の基礎を徹底解説!デジタルとアナログの違いを詳しくご紹介!

2021.10.19更新

電子回路に興味を持っているけれど、何を学べばよいかわからない方もいることでしょう。基礎知識を知っておくだけでも、電子回路の理解がグッと深まります。今回は、電子回路を学ぶ上で知っておきたい基礎知識を解説してきます。アナログ回路とデジタル回路の違いにまで触れているので、あわせて参考にしてみてください。

電子回路の基礎知識

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電子回路は日常生活でも聞きなれた言葉ですが、その概念をうまく説明できる方は意外と少ないでしょう。電子回路の基礎知識として意味や機能などを解説していきます。

基礎知識①電子回路の意味

電子回路とは、電気的機能を持つパーツを導線によって接続して複雑な制御を行う回路です。部品の組み方によって多彩な機能を実現できます。現代では家電製品やスマートフォン、ロボットなど、さまざまな機械を動作させるのに必要とされています。

電子回路を構成するパーツは回路素子です。主に線形素子と非線形素子に分別できます。線形素子は電圧をかけたときに、その大きさに比例して電流が流れます。その一方で非線形素子は電圧をかけたときに、その大きさに比例せずに電流が流れます。

基礎知識②電子回路の機能

電子回路の機能を知るのに適した身近な機器がACアダプターです。ACアダプターの「AC」は、交流を意味する言葉です。しかし私たちが活用している電子機器は基本的に直流電圧に対応しています。その点、ACアダプターはさまざまな電子部品の組み合わせによって、交流電圧を直流電圧に変換してくれます。

たとえばACアダプター内部では、ダイオードと呼ばれる電子部品を複数組み合わせることで負の交流電圧をすべて正の交流電圧に整えています。また、コンデンサーという部品を組み込むことで平らな波形の直流電圧に変えています。つまり、私たちがパソコンやスマートフォンを使えるのは、電子回路が機能を制御しているおかげです。

基礎知識➂電子回路図の役割と読み方

電子回路の組み方を決める重要な設計図が電子回路図です。電子機器の仕組みを理解するうえでも必要になります。電子回路で使う電子部品に対して、一つひとつ特定の記号が割り当てられており、各記号を線で結んで回路を形作っていきます。

具体的な記号としては、直流電源は長い線と短い線が平行に組み合わされた記号であらわされ、交流電源は円の中に正弦波が描かれた記号であらわされます。

そのほか、読み方の基礎としておさえておくべきなのが、配線接続についてです。配線が交差している部分に黒丸があると接続されていることを意味しており、黒丸がないと接続されていないことを意味します。

電子回路作成に必要な基礎部品の機能

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線形素子の例は抵抗やコンデンサ、コイルなどです。非線形素子の例はダイオードやトランジスタなどが代表的です。電子回路の機能を理解するには、各部品の役目を理解する必要があります。それぞれの電子部品について簡単に解説していきます。

電子部品①抵抗

抵抗とは、電気の流れを調整する部品です。電流は、抵抗の値が大きくなるほど流れにくくなり、抵抗の値が低いほど流れやすくなります。

また、流れる電流のエネルギーを熱に変える機能も、抵抗の大きな特徴です。抵抗には、価格の安い炭素被膜抵抗器と、精度が高い金属皮膜抵抗器、つまみを動かして抵抗値を変えられる可変抵抗器などの種類があります。

電子部品②コンデンサ

コンデンサとは、電圧をかけると電荷が蓄積されるパーツです。空気や絶縁体などを2枚の金属板で挟んだ形状をしています。蓄積される電荷の量は、電圧の量に比例する仕組みです。電荷が完全に蓄積されると、電圧をかけても電流が流れなくなります。

小型で熱に強いセラミックコンデンサや、大きな容量を備えている電解コンデンサ、容量が温度の影響を受けにくいフィルムコンデンサなど、さまざまな種類があります。

電子部品➂コイル

コイルとは、導線をバネのような形状に整えた部品です。コイルに電流が流れると、中央を貫くように磁界が発生し、両側にN極とS極が発生します。

巻き線の太さや巻き数によって磁界の強さが変化するのも大きな特徴です。磁界が変化する性質は、スピーカーやマイクなどに応用されています。抵抗やコンデンサと組み合わせることで信号を除去することも可能です。

電子部品④ダイオード

ダイオードは、同じ方向に電流を流す性質のある電子部品です。また、逆方向の電圧を大きくしていくと、一定値を超えたところで急激に電流が流れるようになります。この性質を利用したダイオードは、ツェナーダイオードとして知られています。

そのほか、電源回路を開閉することを目的としたスイッチングダイオード、電流が流れる際に光る発光ダイオードなども代表的な種類です。

電子部品⑤トランジスタ

トランジスタは、入力信号の波形を変化させずに、電圧や電流を増幅できる電子部品です。外観は3本の金属線が突き出しているのが特徴です。それぞれの金属線はベースとエミッタ、コレクタに対応しています。

エミッタとベース間で電気を少し流すと、エミッタとコレクタ間で電気が多く流れる仕組みです。ベースが水道栓のような働きをしていると考えるとわかりやすいかもしれません。

トランジスタには、光信号によって電流を制御するフォトトランジスタや、一度電流が流れるとONのままになるサイリスタなどの種類があります。

電子回路の基礎原理

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電子回路の組み方を理解するには原理まで知っておく必要があります。具体的には、オームの法則とキルヒホッフの法則です。電圧や電流の大きさを求めるときに使われる重要な原理なので必ず覚えておきましょう。

基礎原理①オームの法則

オームの法則とは、電圧の値は電流の値に比例することをあらわす法則です。具体的な式はV(電圧)=R(抵抗)×I(電流)とあらわされます。

たとえば、ある抵抗に電圧がかかっていて、電流が流れているとしましょう。そのときに電圧を2倍にすると、電流も2倍になります。

また、電圧を一定として抵抗を半分の値にした場合、流れる電流は2倍になります。反対に抵抗を2倍にすれば、流れる電流は半分になります。

基礎原理②キルヒホッフの第一法則

キルヒホッフの第一法則とは、電気回路の分岐点に流れ込む各電流の合計値は、分岐点から流れ出る各電流の合計値と等しいことを示した法則です。

たとえば、1本道を走行してきた車が5台が、T字路で左右に曲がったとしましょう。左折した車の数が3台であれば、右折した車の数は2台だとわかります。

電流についても同様です。電子回路において導線が分岐したとしても、電流の合計値が増えてしまったり、減ってしまったりすることはありません。

基礎原理➂キルヒホッフの第二法則

キルヒホッフの第二法則とは、閉じた回路の経路において、起電力(電源電圧)の合計が電圧降下(負荷で消費される電圧)の合計と同じであることを示す法則です。

登山をイメージしてみるとわかりやすいです。同じ出発地点からさまざまなルートを経由したとしても、同じ出発地点に戻ってくれば標高は変わりません。

電子回路でも同様であり、起点とした部分からどのような経路を通して電流が流れても、起点とした部分に電流が戻ってきたときの電位は変わらないということです。

アナログ回路とデジタル回路の違い

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電子回路はアナログ回路とデジタル回路の二種類に大別できます。電子回路に対する理解を深めるには各回路を区別しておくことが重要です。アナログ回路とデジタル回路の原理をそれぞれ学び、違いを理解できるように説明していきます。

アナログ回路の意味やメリット・デメリット

そもそもアナログとは、連続的に変わる物理量で示す表現方法です。たとえばアナログ時計は針の角度で時間を連続的に表しており、表示する値と値の間がつながっています。

その点をふまえるとアナログ回路は、連続する信号を入力処理する電子回路です。アナログ回路に入力された信号は連続した波形を示します。

アナログ回路では、表現方法に制限がなくさまざまな情報を処理できるメリットがありますが、混在するノイズを除去できない点がデメリットです。

デジタル回路の意味やメリット・デメリット

デジタルはアナログと対比的な概念です。デジタルとは、飛び飛びに変化する数字で示す表現方法で、たとえばデジタル時計を考えればわかります。

12:00の後は12:01と離散的に表記され、数字が飛び飛びに変化します。表現できる値が限定され、それ以外の値は意味を持たないと考えます。

その点からデジタル回路は、離散的な信号を入力処理する回路です。デジタル回路に入力された信号はきれいなでこぼこの波形を示します。デジタル回路では、ノイズを除去できるメリットがありますが、処理に時間がかかる点がデメリットです。

電子回路設計の基礎を学ぶには?

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電子回路の基礎についてさらに理解を深めたいという方もいるでしょう。電子回路の基礎を学ぶ方法をご紹介します。

学習方法①検定試験にチャレンジ

電子回路について学ぶ際には資格の取得もおすすめです。具体的な資格として、「E検定 電気・電子系技術検定試験」があります。若手から中堅技術者まで対象とした試験です。

電子回路の分野ではダイオードやトランジスタなどの素子をはじめ、ベース接地やコレクタ接地といった増幅回路に関する問題など、回路に関するさまざまな問題が出題されます。実装の分野では設計やハンダ付けに関する問題も出題されるので、回路の組み方に対する知見を深められる内容です。

学習方法②実習キットを利用

電子回路の基礎を学んでいくうちに、実際に回路を組んでみたいと思った方もいるかもしれません。電子回路の原理を基礎から学べる実習キットも販売されています。

ハンダ付けの方法や、LEDを光らせる回路の組み方などを学べます。実際に回路を組み立てれば、電子回路の理解もさらに深まるでしょう。

まとめ

以上、電子回路の意味や構成部品、回路の種類などを解説しました。アナログ回路とデジタル回路の違いについてもおおよそ理解していただけたのではないでしょうか。

電子回路の基礎を理解するために重要なのは、何よりも身近な電化製品について興味を持つことです。電子機器の内部について考えることで、電子部品の役目や、組み合わせによって実現できる機能もわかってきます。日ごろから電子機器の内部を想像する習慣をつけてみるとよいでしょう。

電子工学・電気工学の専門知識が欲しいときは

電子回路の知識や組み方を勉強し、自分でものづくりができれば良いですが、知識や技術を身に着けるまでにはやはり時間がかかります。しかし、機電系のエンジニアは会社に属していることが多く、頼みづらいと思うこともあるのではないでしょうか。

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