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実際の抵抗器

抵抗器として実際市販されているものには多くの種類、形状があります。

例えば、Wikipedia の抵抗器でどのようなものがあるか見ることができます。種類としては一般的な炭素被膜抵抗(カーボン抵抗)と高精度の金属皮膜抵抗を、形状としてはチップ抵抗が分かれば LSI, IC 開発としてはまずまずだと思います。

注意点として、定格電力を確認してから使うことです。よく使うチップ抵抗の定格電力は通常 1/10 ワットです。これを超える電力(=電圧×電流)をかけると、破裂したり煙を吹いたりします。また、定格電力ぎりぎりで使うことも非常に危険です。通常は定格電力の7割とか8割までしかかからないように(ディレーティングといいます)設計や部品選定を行います。

参考資料
抵抗のカラーコードとE系列
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なぜ部品の値は妙な値? → E系列とは?

実際の部品の値は妙な並びになっています。 例えば、1.0Ωの次は 1.5Ω, 2.2Ω, 3.3Ω, 4.7Ω, 6.8Ω, 10Ω と半端な数字です。 これはE系列と呼ばれるもので、 製造によるばらつき(これはどうしても避けられません)による 許容誤差を考えたうえでの真ん中の値を拾ったものです。 E系列では、許容誤差の値により E3, E6, E12, E24, E48… と名前がついています。 それぞれの系列については Wikipedia の系列表を参照してください。

試しに一番数の少ない E3 を計算してみます。 E3 は許容誤差が±40% です。つまり、1.0Ωと書かれた抵抗器の場合、

60%(-40%)の0.6Ωから140%(+40%)の1.4Ωまでは誤差として許される

ということです。 これを 2.2Ω, 4.7Ω, 10Ω についても計算し、横に並べてみると、
ele2_9.jpg
となって、誤差を含めると全領域をカバーしており、かつ だいたい真ん中にE系列の数字があることが分かります。 E系列は単純には等比級数で n√10k  にて計算できるそうですが、 (E3 なら n=3, k=0,1,2、E6 なら n=6, k=0,1,2,3,4,5、…) 厳密には違うものもありなぜ現在の数字となっているのかは私にもわかりません。

参考:厳密な方法を質問した Yahoo 知恵袋

実際のコンデンサ

コンデンサとして実際市販されているものには多くの種類、形状があります。例えば、Wikipedia のコンデンサでどのようなものがあるか見ることができます。

種類としてはセラミックコンデンサ(略してセラコンと呼ばれます)とアルミ電解コンデンサケミコンと呼ばれることもあります)を、形状としてはチップ型リード型面実装型が分かればLSI, IC 開発としてはまずまずだと思います。選定・使用する時の注意点をいくつか紹介します。

1.定格電圧に注意する
コンデンサには必ず定格電圧が規定されています。これを超える電圧をかけると破裂・発火などします。また、定格電圧ぎりぎりで使うことも非常に危険です。通常は定格電圧の7割とか8割までしかかからないように(ディレーティングといいます)部品を選びます。

2.極性がある部品がある  
アルミ電解コンデンサなどは極性、つまり接続する向きがあります。これを逆にして接続すると破裂・発火などしますので気を付けてください。

3.容量として使える周波数を理解する
実際のコンデンサは純粋な容量ではありません。よく使われるモデルは容量と抵抗(ESR と呼ばれます)とインダクタの直列接続です。(資料2の p.5。より詳しいものは資料4の p.11)それぞれの成分の量はインピーダンス特性として表示されています。(資料1の p.203,204 や資料2の p.5 Fig.15)インピーダンス特性は両対数グラフで表され、V字形状をしています。右肩下がりの部分(周波数)が容量として使える領域です。それ以降の周波数ではインダクタとなってしまいます。なお、インピーダンス特性は、おおざっぱに言って以下のような感じです。

セラコンのほうがケミコンより高周波数まで使える
容量値が大きくなればなるほど、容量として使える周波数が狭くなる

4.温度特性に注意する
コンデンサは温度に影響を受けやすい部品です。セラコンはアルファベット表記にて影響度が分かるようになっています(資料3)。アルミ電解コンデンサは通常100℃を超える高温では使えません。

5.容量誤差に注意する
容量値の誤差にも若干注意がいります。容量値の誤差もアルファベット表記をします(資料1の p.7 や資料5)。通常は J, K, M あたりでしょうか。パスコン以外では Z は使わないほうが無難です。

資料1:村田製作所 チップ積層セラミックコンデンサ カタログ
資料2:日本ケミコン アルミ電解コンデンサ テクニカルノート
資料3:TDK セラミックコンデンサの特性・タイプ 
資料4:NEC/TOKIN 2004 コンデンサデータブック 
資料5:コンデンサの容量値の読み方

実際のダイオード

PN接合をそのまま利用した部品がダイオードです。順方向バイアスのみで電流が流れるという特性から整流などに使われています。ここでは、ダイオードを使う上での留意点を見てみます。

ダイオードとして実際市販されているものには多くの種類、形状があります。例えば、Wikipedia のダイオードでどのようなものがあるか見ることができます。種類としては通常の PN ダイオード、ショットキーバリアダイオード(SBD)、ツェナーダイオード発光ダイオード(LED)あたりが代表格でしょうか。選定・使用する時の注意点をいくつか紹介します。

1.種類により用途が違う
ダイオードは種類により用途が違います。PNダイオードやショットキーは整流作用(片側=順方向バイアスだけ電流が流れること)、ツェナーは定電圧生成、発光ダイオードはその名の通り発光などです。用途に応じて使い分けが必要です。

2.向きに注意
ダイオードは陽極(P型半導体側)をアノード、陰極(N型半導体側)をカソードといいますが、ツェナーダイオードは逆方向バイアスに接続しますので、注意してください。

3.順方向バイアス特性は基準電流を流す時の電圧
ダイオードの順方向バイアス特性はある電流値(If)を決めて、その電流をダイオードに流すために必要な電圧(Vf)と定義されます。この電圧 Vf ならびに電圧-電流特性は温度に大きく依存するので注意が必要です。

4.定格電圧・電流に注意
逆方向バイアス時の定格電圧や順方向バイアス時の定格電流などに注意が必要です。部品を慎重に選んだり、保護抵抗を挿入したり、など対策を立てます。また、評価で余裕があるか確認しておきたいものです。

5.逆回復時間に注目
高周波数のスイッチング等にショットキーダイオードを使う場合、逆回復時間という値が注目されます。順方向バイアスによりダイオードに電流が流れている状態(オン)から、逆方向バイアスになり電流が切れる状態(オフ)に瞬間的に変わるとき、ある時間逆方向に電流が流れます。この時間を逆(方向)回復時間リカバリー時間)と言います。この逆回復時間の間はダイオードとしての整流動作をしていない=期待通りの動作をしていないことになりますので、回路の周波数に比べて逆回復時間が十分短い必要があります。
ele6_13.jpg
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目標であったオペアンプの設計に6年かけて到達しました。ここからは応用的な内容を書ける限り書いていきたいと思います。

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