01.基礎対策ノート

http://denken3.sakuraweb.com/note/note2a.shtml

電気回路

・参考サイト

http://denkinyumon.web.fc2.com/

http://www.eonet.ne.jp/~imagawa/koutan.html

【回路】

・直流：電流値が一定(乾電池)

・交流：電流値が周期的(*)に変化(家庭用電源)

(*)1秒間の変化回数を周波数という。

直列のとき：電流の位相は電圧の位相より90度遅れる

並列のとき：電流の位相は電圧の位相より90度進む

【静電気】

・電荷

帯電：物質が電気を帯びること

電荷Q(C:クーロン)：電子が移動して発生する電気量(1C=1Aが1秒で運ぶ電荷量)

クーロンの法則：2電荷間吸引力F(N:ニュートン)=Q1Q2/4πεr^2(r：電荷間距離(m)、ε：真空の帯電力)

・電界：電荷がもたらす影響の範囲

ガウスの定理：電界の強さE(V/m)=Q/4πεr^2(ε：真空の帯電力)

電気力線：電界の強さや向き

電気力線密度N(本)/S(m^2)=(Q/ε)/S=(Q/ε)/4πr^2

・コンデンサ(蓄電器)：導電板を向かい合わせたもの

Q(C)=CV

静電容量C(F:ファラド)：コンデンサの電気定数

C(F)=ε・S/d(S：導電板面積(m^2)、d：導電板間隔(m))

静電誘導：導体に絶縁体を近づけて発生する電荷の移動現象

＜電荷Q(C)＞

直列：一定(異値の場合小さいほう)

並列：Q=Q1+Q2+Q3

＜コンデンサC(F)＞

直列：C=1/(1/C+...+1/C)

並列：C=C+...C

・静電エネルギー：コンデンサの放電中の電力量

W(J:ジュール)=1/2・QV=1/2・CV・V=1/2・CV^2

【磁気】

・磁気に関するクーロンの法則

磁極の強さm(Wb:ウェバー)

2磁石間吸引力F(N:ニュートン)=m1m2/4πεr^2(r：磁石間距離(m)、ε：真空の透磁力)

※比例定数k=1/4πε=9*10^9

・磁界：磁石がもたらす影響の範囲

磁界の強さH(A/m)=m/4πεr^2

・磁束φ(Wb)：磁極に出入りする磁力線の束

磁束密度B(T:テスラ)=φ/S(m^2)

・コイル：導線をらせん状に巻いたもの

Aの右ねじの法則：電流を右まわりにらせん状に巻くと、ねじの方向に磁束(磁界の束)が発生

アンペア周回積分の法則：磁界の強さH(A/m)=I/2πr

磁気回路：磁束が発生する鉄心

起磁力(A)=NI(N:コイルの巻き数)

磁気抵抗

R(H^-1)=NI/φ(磁気回路のオームの法則)

R(H^-1)=l/μS(l：磁気回路長(m)、μ：透磁率(磁気の通しやすさ)、S:磁気回路断面積(m^2))

・電磁力：磁石と電流により発生する力

フレミングの左手の法則

親指(上方向)：電磁力

人差し指(右方向)：磁界

中指(手前方向)：電流

電磁力F(N)=BlIsinθ(B:磁束密度(T)、l:磁気回路長(m)、I:電流(A)、θ:磁界と電流の角度)

・電磁誘導：コイルに磁石を抜き差しして電流が発生

電磁起電力e(誘導電圧)：電磁誘導により発生する電圧

ファラデーの法則

e(V)=-NΔΦ/Δt(N:コイルの巻き数、ΔΦ：磁束変化量)

e(V)=Blv(B:磁束密度(T)、l:磁気回路長(m)、v:速度(m/s))

フレミングの左手の法則

親指(上方向)：運用

人差し指(左方向)：磁界

中指(手前方向)：起電力

・自己誘導：コイルに磁石を抜き差しして電圧が発生

e(V)=-L(H)・ΔI/Δt(L(H)：自己インダクタンス)

※インダクタンス(H:ヘンリー)：コイルの電気定数

コイルの磁気エネルギー：1/2・LI^2

磁束の変化する割合と巻線N×ΔΦ/Δtに比例

・相互誘導：並べたコイルの一方に磁束を発生させるともう一方に誘導起電力が発生

e(V)=-M(H)・ΔI/Δt(M(H)：相互インダクタンス)

・リアクタンス：交流電圧を加えたときのみ電流の流れを妨げる要素

誘導性リアクタンス：コイルにおいて交流の流れを妨げる電気抵抗

XL=2πf・L＝ω・L(90度位相が遅れる)(周波数fに比例)

容量性リアクタンス：コンデンサにおいて交流の流れを妨げる電気抵抗

XC=1/2πf・C＝1/ω・C(90度位相が進む)(周波数fに反比例)

※ω=2πf：角周波数

※ベクトル図：実数を横軸、虚数を縦軸で表現

・インピーダンスZ(Ω:オーム)：交流電流の流れにくさ

インピーダンス＝抵抗＋リアクタンス

RLC直列回路

Z=√R^2+(XL-XC)^2

V=√VR^2+(VL-VC)^2

RLC並列回路

Z=1/√1/R^2+(1/XL-1/XC)^2

I=√IR^2+(IL-IC)^2

・最大電圧Vm=√2Vrms(実効電圧)

※波高率＝最大値/実効値＝1.414＝√2

※波形率＝実効値/平均値＝1.111

・正弦波交流波形

電圧v(t)=Vmsin(ωt+φ)(φ：位相)

・共振回路

f=1/2π√LC

・有効電力：負荷が消費する電力＝抵抗だけの電力

有効電力P(W)=VIcosθ

有効率：cosθ＝有効電力P/皮相電力S＝力率

※力率=1(100%)：虚数部が０

・無効電力：負荷が消費しない電力＝コイルの電力

無効電力Q(var)=VIsinθ

無効率：sinθ＝無効電力Q/皮相電力S

・皮相電力：電源から送られる電力

皮相電力S=VI

S^2=P^2+Q^2

※θ：位相差

・波高率＝最大値/実効値＝1.414＝√2

・波形率＝実効値/平均値＝1.111

・3相交流回路

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単相交流回路*3本の電線で3つの負荷へ送電

平衡3相交流回路：電位差0

Y-Y結線：線間電圧V=√3*相電圧V、線間電流I=相電電流I

Δ-Δ結線：線間電圧V=相電圧V、線間電流I=√3*相電電流I

Δ→Y結線変換：E=V/√3

・対称3相交流回路

①Δ→Y結線へ変換(E=V/√3)

②仮想中性線でY-Y結線を結ぶ

③誘導性リアクタンスXL=2πf・Lを求める

④インピーダンスZ=√R^2+(XL-XC)^2を求める

⑤I=V/Zで電流を求める

①Δ→Y結線へ変換(X=-j*Xc/3)

②仮想中性線でY-Y結線を結ぶ

③容量性リアクタンスXc=1/2πf・Cを求める

④インピーダンスZ=√R^2+(XL-XC)^2を求める

⑤I=V/Zで電流を求める

・%インピーダンス

%Z(%)=(IZ/E)*100

=(√3IZ/V)*100

電子回路

・ドリフト：半導体中のキャリアが電界により移動する現象

・サイリスタ：p型/n型半導体を交互に重ねたスイッチング素子

【半導体とダイオード】

・半導体

定義

導体：電気を通す物質

半導体：導体と絶縁体との中間に位置する物質(Ge：ゲルマニウム,Si：けい素)

絶縁体：電気を通さない物質

効果

整流効果：異種の半導体を接合し電圧の方向により電流有無が発生

※整流：交流⇒直流へ変換

光電効果：光の変化により抵抗値が変化(発光/ホトダイオード)

熱電効果：異種の半導体を接合し温度が変化し電気が発生

種類

n型半導体：5価元素(As：ひ素、P：リン、Sb：アンチモン)、-(自由電子)が多い(少数キャリア)半導体(電子を提供：ドナー)：5価の元素を加える

p型半導体：3価元素(In：インジウム、Ga：ガリウム)、+(正孔)が多い(多数キャリア)半導体(電子を受ける：アクセプタンス)：3価の元素を加える

・ダイオード：1組のpn接合に電極を接続した素子

カノード：n型半導体の電極

アノード：p型半導体の電極

クリッパ：ある電圧以上or以下を取り出したり取り除いたりする波形整流回路

ベースクリッパ：基準電圧以上を取り出し、以下を取り除く

ピーククリッパ：基準電圧以下を取り出し、以上を取り除く

リミッタ：基準電圧以上の入力波形を取り除く

スライサ：２電圧間の入力波形を取り出す

※ダイオードの種類

発光素子

発光ダイオード(LED)

pn接合に順方向の電流を流すと光を出す

半導体レーザダイオード(LD)

受光素子

ホトダイオード(PD):CCDカメラ

逆方向電圧を加えたpn接合に光を照射すると逆方向電流が増加する。

pinホトダイオード(pin-PD):３層構造。電流増幅作用がない。動作電圧が低い。

アバランシホトダイオード(APD):電子なだれ増倍現象による電流増幅作用がある。光検出器。

ホトトランジスタ:増幅作用がある

半導体集積回路：基板にトランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサを取り付け、それらの間を相互接続して電子回路を構成したもの

【トランジスタ】

・トランジスタ：p型とn型の半導体をサンドイッチ状に接合したもの

左端電極：C:コレクタ、真中電極：B:ベース、右端電極：E:エミッタ

pnp型(+-+)電流：エミッタ⇒ベース

npn型(-+-)電流：ベース⇒エミッタ

IE=IB+IC(E:エミッタ、B:ベース、C:コレクタ)

⇒コレクタ電流ICはベース電流IBによって調整

⇒IB<<<ICなので増幅に利用

トランジスタの温度上昇：コレクタ損失

ベース接地

電圧増幅度Av：大

電流増幅度Ai=ΔIC/ΔIE(E+B→C)：小(ほぼ1)

高周波増幅回路

コレクタ接地

電圧増幅度Av：小(ほぼ1)

電流増幅度Ai=ΔIC/ΔIB(B+E→C)：大

インピーダンス変換回路、エミッタフォロワ増幅回路

トランジスタ温度が上がるとコレクタ電流は増加

エミッタ接地

交流電圧位相：入力と出力が逆

電力利得Gi=20logAp(dB)：大

増幅回路

・バイアス回路

バイアス電圧：トランジスタを正常に動作させる直流電圧

・FET(電界効果トランジスタ)：ユニポーラ型トランジスタ

動作に寄与するキャリアが１つ

ドレイン(D)、ゲート(G)、ソース(S)の３つの電極を持つ

ゲートに加えた電圧で出力電流を制御(入力電流が不要)

接合型FET：ゲート電極にP型orN型半導体を直接接合、安定し雑音及び静電気影響少

MOS型FET：ゲート電極と半導体間を絶縁(絶縁ゲート)、入力抵抗/インピーダンスが高く消費電力少、製法が容易

※C-MOS型IC：pチャネル形FETとnチャネル形FETを接続して構成。雑音を拾いにくい。

※バイポーラ型トランジスタ：一般的なトランジスタ

・CR結合増幅回路：負荷抵抗により生じた出力をコンデンサを介して次段へ伝える増幅回路

・バリスタ

非直線素子(電圧/電流が対称で非直線)

電圧一定で電流が急激に増加

・参考サイト

http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/semi_cnd/semi_cnd.html

http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/semi_cnd/diode.html

http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/semi_cnd/transistor.html

伝送理論

・平衡対ケーブル温度上昇で伝送損失は増加する。

・平衡対ケーブルの漏話はインピーダンスに反比例する。

・同軸ケーブルの伝送損失＝√信号周波数

・同軸ケーブルは比較的高い周波数で誘導等の妨害を受けにくい。

・電磁誘導電圧は電力線の電流に比例して変化する。

・無限長の一様な線路における入力インピーダンスは、特性インピーダンスと等しくなる。

・特性インピーダンスの異なる線路を接続すると、信号の反射現象による減衰が生ずる。

伝送技術

・伝送損失のない一様な線路を特性インピーダンスで終端すると、電圧電流値はどの点でも一様である。

・BER:エラービット数/全ビット数

・%ES：エラービット有秒数/全測定秒数

・%SES：エラー0.1%以上秒数/全測定秒数

※%EFS+%ES=100

・雑音指数：増幅回路の信号電力対雑音電力比

・PCM

アナログ→デジタル：標本化→量子化→符号化(量子化雑音)

デジタル→アナログ：復号→補間(補間雑音)

特定区間の雑音や波形ひずみは次の中継区間に伝播されない。ただし、識別再生回路を有している線形中継器があると、次の中継区間に伝播される。

・フィルタ

高域フィルタ：特定周波数以上を通過

低域フィルタ：特定周波数以下を通過

帯域フィルタ：特定周波数範囲内を通過

帯域阻止フィルタ：特定周波数範囲外を通過

・光ファイバの分散現象

モード分散

材料分散

構造分散

・波長チャーピング：光強度の変調によりキャリアが変動し''波長''が変動する現象

・ポッケルス効果：物質に電界を加え強度を変化させると物質の''屈折率''が変化

・音響光学効果：超音波により生ずる屈折率の粗密で光が回折され属性を変化

・TCM：上下で時間差を作ることで光ファイバ１芯で双方向通信を実現