私たちは、電子機器が豊富にある時代に生きることができて幸運です。しかし、これらの電子機器は、回路基板という素晴らしい部品のおかげで実現しています。私たちはしばしば、電子機器がどのようにしてこれほどスムーズに機能し、どのように組み立てられているのか疑問に思います。電子機器は、内部で何が起こっているのかは目に見えなくても、その機能の素晴らしさを目の当たりにできる、実に素晴らしいものです。この記事では、PCBの素晴らしさと、回路基板の部品を通してそれがどのように実現されているのかについて説明します。
1. 回路基板の部品としての抵抗器
私たちはほとんどのPCBプロジェクトで抵抗器をよく使用しており、その機能についてはよくご存知でしょう。抵抗器は、回路基板で最も頻繁に使用される部品の一つです。非常に人気があり、使い方も簡単です。抵抗器は基本的に電流の流れを妨げます。つまり、抵抗器は電力を熱として放散するのに役立ちます。抵抗器には様々な種類があり、分類方法も様々です。用途によって異なる材料が使用されるため、抵抗器の製造材料も様々です。
抵抗器のもう一つの違いは、リード線の出方です。この点で最も一般的なのはアキシャル抵抗器です。電子工作愛好家、初心者、そして趣味で使う人は、どんな回路にも簡単に組み込めるため、アキシャル抵抗器を好んで使います。すべての抵抗器には円形のリングが付いています。このリングは、その抵抗値の抵抗値を示すカラーコードです。また、リングは抵抗器の許容誤差についても示しています。
2. 回路基板の部品としてのコンデンサ
抵抗器に次いで、コンデンサはおそらく回路基板で最もよく使われる部品でしょう。PCB愛好家の間でもコンデンサは人気の高い部品の一つです。しかし、抵抗器に比べるとコンデンサの使用頻度は低いです。コンデンサの基本的な機能は、電荷を蓄えることです。コンデンサは、誘電体を挟んだ2枚の金属板で構成されています。2枚の金属板は互いに反対の電荷を蓄え、誘電体はそれらを分離する役割を果たします。コンデンサを回路内に配置すると、コンデンサは電荷を放出します。こうして、回路に電流が流れ始めます。
コンデンサの分類方法は様々ですが、一般的には誘電体材料に基づいて分類されます。これは、誘電体材料がコンデンサの重要な特性を担っているためです。誘電体材料の密度が高いほど、コンデンサはプレートに多くの電荷を蓄えることができます。そのため、より高い静電容量を実現したい場合は、コンデンサの製造に高品質の材料を使用する傾向があります。一般的なコンデンサには、金属プレートから2本のリード線が出ています。これらのリード線は、コンデンサを電気回路に組み込むために使用されます。
3. 回路基板の部品としてのインダクタ
インダクタは、回路基板の受動線形部品の3つの要素のうちの1つです。他の2つはコンデンサと抵抗です。インダクタも主にエネルギーを蓄える役割を果たします。コンデンサが静電気を利用してエネルギーを蓄えるのに対し、インダクタは磁場を発生させることでエネルギーを蓄えます。インダクタには多くの種類があり、単純なものもあれば複雑なものもあります。しかし、金属コイルは最も一般的で、最も理解しやすいインダクタです。コイルが生成できる磁場は、コイルの巻き数に依存します。したがって、巻き数が多いほどインダクタンスは大きくなります。
インダクタは磁気コアに巻かれており、その形状やサイズは様々です。このコアの主な目的は、電流が導体を通過する際に磁場を増強することです。そのため、この磁気コアは特定の信号を遮断したり、完全に遮断したりすることができます。これは非常に有用で、様々な用途に利用できます。例えば、通信機器への干渉を低減したり、バッテリーの寿命を延ばしたりといった用途が挙げられます。
4. 回路基板の部品としてのポテンショメータ
ポテンショメータは、基本的に単純な抵抗器の進化形です。単純な抵抗器は抵抗値が固定されていますが、ポテンショメータの抵抗値は必要に応じて変更できます。ポテンショメータには多くの種類がありますが、最も一般的なのはリニアタイプとロータリータイプです。リニアポテンショメータは、リニアスライダーをドラッグすることで抵抗値を変更できます。ロータリーポテンショメータでは、ノブを回すことで抵抗値を変更できます。スライダーが半円形の基本的な抵抗器上を移動すると、抵抗値が変化します。
ロータリーポテンショメータは、日常生活の様々な場面でよく使われます。最も一般的な用途の一つは、音楽プレーヤーなどのオーディオ機器の円形ボリュームコントローラーです。ポテンショメータは、アンプに流す電流量を制御することで動作します。微調整による性能の可変性が求められる高度な機器の設計では、ポテンショメータがしばしば用いられます。
5. 回路基板の部品としてのトランス
トランスは回路基板の最も重要なコンポーネントの一つです。トランスの主な役割は、ある装置から別の装置へ電気エネルギーを転送することです。複数の装置間で電気エネルギーを転送すると、電気エネルギーは増加または減少します。この増加または減少は、多くの場合、電圧で確認できます。専門家は、これを電圧の変換のように考えます。トランスには、一般的なインダクタに見られるような金属コアが含まれています。金属コアの周りには常に複数のコイルがあります。少なくとも2つのコイルがあり、そのうちの1つは二次コイルとして機能し、もう1つは一次コイルとして機能します。二次コイルは電気エネルギーが通過する装置を指します。一方、一次コイルは電気エネルギーの供給元となる装置を指します。
大きな電柱に変圧器が設置されているのをよく見かけます。これらは産業用変圧器と呼ばれ、電線を通過する際に電圧を下げる役割を果たします。この電圧低下は数十万ボルトにも及ぶ場合が多く、変圧器を使用することで、この電圧は私たちの日常生活や一般家庭で利用できるようになります。
6. 回路基板の部品としてのダイオード
ダイオードは回路基板において最も重要な部品の一つです。その主な目的は、電流を一方向にのみ流すことです。電流は正極から負極へ、あるいはその逆の方向に流れますが、同時に両極へ流れることはありません。ダイオードは、一方向に無限大の抵抗を、他方向にはゼロの抵抗を提供することで、この目的を達成します。したがって、この特性を利用して、望ましくない方向への電流の流れを遮断することができます。最も一般的なダイオードの一つは、LEDダイオード、通称発光ダイオードです。これらのダイオードは主に光を発するために使用されます。これらのダイオードははんだ付けが非常に簡単です。ただし、正しい方向に取り付けないと、LEDが点灯しない場合があります。
7. 回路基板の部品としてのトランジスタ
多くの電子工学の専門家は、トランジスタこそが今日のエレクトロニクスの基礎を築いたと考えています。トランジスタは回路基板において非常に重要な部品です。1つのICの中にも数十億個のトランジスタが組み込まれています。しかし、トランジスタを複雑な機器として考える必要はありません。むしろ、ごく普通の電気スイッチやシンプルな増幅器に過ぎません。トランジスタには様々な形状やサイズがありますが、最も一般的なのはバイポーラトランジスタです。他に、PNP型やNPN型といった種類もあります。
バイポーラトランジスタには3つのピンがあります。コレクタ、エミッタ、そして最も重要なベースです。NPNトランジスタに微量の電流が流れると、電流はベースからエミッタへと流れます。しかし、この電流が別の設定値に作用し、電流は大幅に増加します。この大きな電流は、エミッタからコレクタへと流れます。
一方、PNPトランジスタはNPNトランジスタとは全く逆の動作をします。FET、または単に電界効果トランジスタと呼ばれる、もう一つの一般的なトランジスタがあります。FETは、存在する電界を利用して別の回路設定をトリガーすることで、電流を流します。
8. 回路基板の部品としてのシリコン制御整流器（SCR）
これらは回路基板の不可欠な部品であり、愛好家が好んで使用する理由です。ダイオードやトランジスタによく似ているため、サイリスタと呼ばれることもあります。専門家の中には、2つのトランジスタが互いに連携して動作しているように見えると言う人もいます。サイリスタは4つのシリコン層で構成され、端子は3つしかありません。増幅器としてではなく、スイッチとして機能します。
注目すべき重要な点の一つは、スイッチを動作させるのに必要なのは単一のパルスだけであるということです。一方、トランジスタは増幅を行うために継続的に電流を供給する必要があります。そのため、トランジスタは大きな電力のスイッチングに適しています。
9. 回路基板の構成要素としての集積回路
これらはICとも呼ばれ、回路基板の重要な部品です。電子回路や部品を小型化し、半導体薄膜上に埋め込むと、ICと呼ばれます。ICを使用すると、多くの電子部品を1つのチップに組み込むことができます。この驚くべき能力により、最初の計算機が製造されました。そして現在では、最先端のスマートデバイスや革新的なスーパーコンピュータの製造を可能にしています。ICは中央処理装置、つまり大規模回路の頭脳として機能します。ICにはさまざまな種類がありますが、ほとんどは黒色のプラスチックケースに入っています。通常、ICの構造からはリード線などの目に見える接点が出ています。また、ICの下に接触パッドがある場合もあります。
10. 回路基板の部品としての水晶発振器
これらは複雑なデバイスの回路基板において最も重要な部品です。これらは主に時計に使用されています。重要な回路を構成できるためです。これらの重要な回路により、安定的かつ正確な時刻を維持することができます。圧電素子は周期的な電子信号を生成する圧電素子を含みます。圧電素子は基本的に結晶材料であり、振動することで信号を生成します。私たちは圧電素子を安定した速度で振動するように設計します。その振動は特定の周波数と連動しています。そのため、圧電素子を使用することで、経済的で正確な時計を製造できます。そのため、クォーツ時計やマイクロコントローラーなどの他の重要なデバイスにも使用されています。
11. 回路基板の部品としてのスイッチとリレー
スイッチは回路基板の最も基本的な部品ですが、その重要性を忘れがちです。スイッチは、任意の回路内の電流の流れを制御することができます。スイッチは、閉回路と開回路を切り替えることができます。スイッチには様々な形状と寸法がありますが、一般的なものとしては、スライダー、レバー、キー、押しボタン、ロータリーなどがあります。一方、電気陰性スイッチはリレーと呼ばれます。リレーはソレノイドを介して動作します。したがって、電流が流れると、ソレノイドは一時的に磁石として機能します。したがって、スイッチとして動作し、小さな電流を大きな電流に増幅することができます。
12. 回路基板のコンポーネントとしてのセンサー
センサーとは、回路基板上の部品のうち、周囲の環境の変化を検知できるものです。センサーは変化を検知すると、それを反映する信号を生成します。この電子信号は回路基板上の様々な部品に送られます。つまり、センサーは基本的に物理エネルギーを電気エネルギーに変換します。そのため、センサーはエネルギーをある形態から別の形態に変換できるため、トランスデューサー（変換器）と呼ばれることがよくあります。
センサーには様々な種類があり、それぞれ異なる用途があります。最も広く知られているセンサーには、温度センサー、湿度センサー、圧力センサー、光センサー、モーションセンサーなどがあります。これらは非常に普及しており、日常生活で頻繁に使用されています。例えば、テレビのリモコンでは赤外線信号の検出にLEDが使用されています。また、火災報知器や煙警報器では、火災センサーや湿度センサーが使用されています。このように、センサーは回路基板の部品として利用することで、様々な産業プロセスを最適化することができます。
PCBコンポーネントの詳細については、別のブログ投稿をご覧ください。回路基板コンポーネント: 包括的なガイド。「
