電子を学ぶ｜電子ブロックminiの紹介です

プログラム

マイコン

ミニ部品

ミニ付属品

ミニにできること

電子ブロックmini

　5×５の25マスのステージで25個のブロックを使って回路を組み立てます。50種類の実験ができます。2011年発売です。

　せまいステージでブロックも少ないので実験の種類は限られます。それでもかなりのことができます。
　2つのTRと2つのダイオードがあるので半導体の数はEX150と同じです。LEDも半導体と数えると1.5倍です。

　夢中になって遊びました。電子回路はよく知っていたはずなのに実際に回路を組み立てて,抵抗やコンデンサの数値を変えて変化を楽しむことができます。

　使っているうちにもっといろいろな実験はできないもいのかと思いました。本にはずっと昔に,大きいステージで多くの部品を使ったEX150があったことが紹介されていました。インターネットで調べてみてもすべて売り切れ,販売終了でした。

電子ブロックmini部品

部品

　miniを2台購入してブロックは50個になりました。しかしステージはせまく,EX-150にしかない部品もあります。

miniに付属のブロック

　半導体は6個とEXシリーズより多いのですが抵抗やコンデンサは少なくなっています。特にリード部品は足りません。

　LEDには電流制限用の抵抗が付いているので安心です。

miniの付属部品

miniの付属品

　リード線赤・黒とイヤホン及びマイクカバーという集音器が付属します。

miniにはないブロック

　miniにないブロックは,ほとんど配線ブロックとメーター用の抵抗です。なんとか作ることができそうです。しかし,他の物はなんとかできてもトランスは難しそうです。

　ブロックを作る→手作りブロックへ進む

　EX本体を作る→自作本体へ進む

　EX本体を買う→電子ブロックへ進む

miniでできること

mini実験00確かめ

半導体のテスト

　半導体のテストを行う回路です。ダーリントン直接接続でABを指で触れると赤いLEDが点灯します。

　一挙に5つの半導体をテストできます。

　中央のTRはEXシリーズのTRもそのまま差し替えて検査できるようになっています。

　うまくいかない場合はダイオードを配線に替えると改善されます。

mini回路

miniブロック電池(電源)表示

線をきれいに書き直したいと思います。

　赤と白の電源の線を引いたところはっきりきれいにはできませんでした。

　電気の通り道を理解するには大切なものなのできれいに仕上げたいものです。

　どこに電池がつながっているのか分かりやすくなるように,本体に電池と配線の図を書き入れました。本当は配線が複雑になっていますが,分かりやすいように描きました。

　すぐ上にスイッチが有るので何とか表現できると良いのですが,今のところアイデアが浮かびません。

　配線の図が見えると実感がわきます。

mini実験01回路・電流(電気の流れ道)

電気の流れ道

　電池の(＋)と(ー)にLEDをつなぐと光ると思います。

miniブロック写真

　miniにあるブロックだけで作る電気の流れ回路です。スイッチを入れるとLEDが点きます。見えにくいのですが電源スイッチがOFF,ONになっているのがわかると思います。

　電気(電流)は電池の(+)極から出て(-)極に入るように流れます。

　(+)は「赤」,(-)は「黒」または「白」等で表されることが多いです。

miniブロック図

　配線用ブロックがたくさんあればより分かりやすいブロックの並べ方ができます。ブロック図で表すとわかりやすくなります。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　(JW使用)

　電子ブロックの中で電流が流れる様子です。ブロックの中にも電流が流れます。

間違えmini回路図

　これは失敗作。電池にLEDをつないだ回路図です。こんな回路を考える人がいますが,残念ながら不正解です。

　スイッチを入れた瞬間にLEDは明るく光り,そして,すぐに消えてしまいます。何故でしょう？。

＊回路図では電池が形と図で変わります。

　電流は電源(電池)の(＋)から(－)に向かって導線の中を流れます。左右どちらもイメージです。

　この回路では抵抗が有りませんダイオードやLEDが順方向の場合は抵抗はほとんど無いので電流はとても多く流れます。

　電流に弱いLEDですので,多く流れる電流で焼き切れてしまいます。

*私は抵抗を忘れて,いくつものLEDを焼き切ってしまいました。

電流制限(保護)抵抗

　図のように直列に抵抗を入れます。これで電流が流れすぎてLEDが切れてしまわないようにします。

　ブロックの配置図を見てください。LEDのブロックに抵抗が付いているように描かれています。良く見てしっかりと抵抗を入れます。回路図を描く時や,他の回路を作るときには見落とさないように気を付けます。

　抵抗が小さいほど明るくLEDが点灯します。抵抗が大きすぎると暗くて見えません。抵抗が少ないほど明るくなるのですがその分壊れやすくなります。寿命が短くなります。

回路とスイッチ

　電池(電源)の「(＋)極から導線や部品を通って(－)極につながっている道筋」を回路と言います。左の回路図ではスイッチが閉じています。閉じているということはつながっているので,電流は流れることができます。右の図ではスイッチが開いていますので,電流は流れることができません。電気の通り道がつながっていないので回路と呼べない様ですが,スイッチも一つの部品と考えると「(＋)極から導線や部品を通って(－)極につながっている道筋」になるので,回路と言えます。

　スイッチは回路に電流が流れるようにしたり流れないようにします。スイッチを門のように考えると,閉じると電流が流れます。スイッチが開くと電流は途切れます。

　このようにスイッチは開閉することにより回路も開閉します。昔(日本語で)はスイッチのことを開閉器と言いました。

　今でも使う人もいます。

まとめ

　①電池の(＋)極から(－)極に進む道筋を回路と言う。

　②電流は電池の(＋)極から(－)極に回路に沿って流れる。

　③LEDには電流が流れ過ぎないように保護抵抗を入れる。

*20mAでLEDは壊れる

miniの実験02 LEDの特性

LEDにはどのような性質があるのだろうか・

　電池の(＋)と(ー)に正しい方向にLEDをつなぐと光ると思います。

　LEDは保護抵抗(電流制限抵抗）が無いと電流が流れすぎて焼き切れてしまう性質も有りますが,その他にも性質が有ります。

　①と同じ回路を作ります。そのままでも良いのですが,気分を変えて赤いLEDにしてみます。

　スイッチは切っておきます。

LEDを点灯させる電圧VF

　ブロックの横に単4電池を2本建てに並べます。ティッシュを折りたたむと丁度電池をホールドできる大きさになります。

　2本の電池で3V,1本で1.5V(充電できる電池は1.2V)です。

　1っ本の電圧ではLEDは点灯させられません。

　2本の電池で3VならばLEDは点灯します。スイッチが切れていてmini内部の電源は使っていないことがわかります。LEDを点灯させることができる最低限の電圧を順方向電圧VFというそうです。

　ゼムクリップを少し変形してばねにすると単3電池が使えます。単3電池は大きいので窮屈に回路を作ります。

LEDの極性

　LED点灯の電気の通り道(回路)を作ってLEDを逆にします。スイッチを入れてもLEDは点灯しません。

　豆電球はどちらの方向でも電流が流れれば点灯します。LEDは入り口と出口がはっきりしていて電気を逆に流す事はしません。

　LEDの(＋)極側をアノード(－)極側をカソードと言います。

まとめ

　①LEDを点灯させるための最低電圧が有る。VF(Voltage of Forward bias)

　②LEDはアノードからカソードにだけ電流が流れる。極性が有る

LED直列

mini実験03LED直列

2つのLEDの直列接続

　LEDを点灯する回路の途中にもう一つのLEDを付け加えてみましょう。

　スイッチを入れると両方のLEDが点灯しますが,単独で点灯させるより暗くなります。抵抗が増えるので当然と言えますが,２つのLEDが電圧を分けているせいだということです。

直列接続の光り方

　LEDの明るさを比べてみます。上の左が直列で点灯した写真です。右は消灯時,下はそれぞれ単独で点灯した写真です。明るさの違いがはっきりわかります。

電圧を分ける

　電池の電圧を2つのLEDがわけるようになります。

2つのLEDの直列接続B

　拡張キット「光実験60」を持っていれば緑のLEDを図のように回路の中に入れます。

　　「光実験」のLEDは抵抗が入っていませんので電流は減らないはずです。しかし,光り方は少し暗くなるので,電圧を分け合っているようだと感じます。

持っていないブロックを使う

　「光実験60」を持っていない場合はLEDを用意してください。

　足の長いほうが(＋)極側です。図のように回路が途切れるブロックを使います。

　ブロックの間にLEDの(＋)足をはさみます。リード線の一端をブロックの間に挟み,他方をLEDの(－)足に接触させます。

持っていないブロックを作る

　左の図のように接続することもできます。右側の写真のように,L字のブロックの電極にLEDの(＋)の足を挟み,ブロックとブロックの間に(－)電極の足を挟んで固定して使うこともできます。

　持っていないブロックは作ることができます。ブロックがたくさんあればハンダ付けもできますが,このようなインスタントブロックにして使うこともできます。

3つのLEDを直列に付ける

　3つのLEDを直列に接続しても点灯するのでしょうか。

　電源の電圧を3つのLEDで分けるのでminiでは電池3本が使われていますので,1つのLEDに1本分の電池の電圧になっています。

　1っ本の電池の電圧ではLEDを点灯させることができません(実験02LEDの性質)のでLEDは点灯しません。

　miniのスイッチが入っているのが見えます。緑のLEDが灯かっているように見えますが反射光です。赤のLEDは消えていることがわかります。

　黄と緑をバイパスして回路ができていることを確認しました。真ん中の写真は黄が,右の写真は緑が点灯しています。

まとめ

　①LEDを直列に接続すると電源の電圧を分ける(forward bias)。

　②LEDを3つ直列接続すると電圧を3つに分けるのでVF以下になり点灯しない。

mini実験04LED並列

LEDD並列

2つのLEDの並列接続

　ブロックのLEDの上と下を右側にも分岐するブロックと替えます。回路が赤いLEDと緑のLEDに並列に分かれるようにします。

　このような回路の分岐を並列回路と呼びます。右も左も同じ働きです。

並列接続の明るさ

　並列の場合はLEDの明るさは変わりません。

　写真と図でブロックが違いますが,図の方は同じブロックを何回も使えますが,本物では数に限りがあるので配線は代用品を使います。

回路が増える

　LED1に流れる電流とLED2に流れる回路(電流)ができます。どちらが無くなっても他方に影響しません。

　それで,それぞれのLEDの明るさが変わらないのです。

ブロックを取る

　それぞれ電流の流れ道のブロックを1つ取ってみます。もう一方の電流の流れ道は残ります。

　どちらも,回路ができています。

電流が増える

　LED１に流れる電流を電流１,LED2に流れる電流を電流2とすると,Cに流れる電流3は(電流1+電流2)になることがわかります。

　回路が合流するところでは電流も合流します。川の流れに似ています。

まとめ

　①LEDを並列に接続すると明るさは変わらない。

　②LEDを並列に接続すると回路が増える。

mini実験05電流測定

電流測定

　電流を測定するためには電流計,または,テスタが必要です。miniにはそれが有りません。

　そこで,LEDの性質を使って目安を知ることを考えてみます。

並列接続の電流の大きさ

　同じLEDを並列回路の別の場所に入れてみると,左と右では明るさが違います。

　右の方が明るいです。電流は右の方が多いことがわかります。

回路を流れる電流はどこでも同じ

　回路の中に流れる電流はどうなっているでしょうか。

一本道の回路の電流は等しい

　一番上のブロックから順番に取り変えてみました。どれも,同じ明るさです。

　実際に図ったのは左の部分だけですが,図のように回路の中の電流はどこでも同じだと考えられます。

まとめ

　①回路を流れる電流はどこでも同じ向きで,同じ大きさ。

　②回路が分かれると電流も分かれる。

　③回路が合流すると電流も合流する。

mini実験06ダイオードの極性

ﾀﾞｲｵｰﾄﾞの極性

ダイオードを回路に入れる

　LED点灯実験の回路にダイオードを図のように組み込みます。

電流は流れる

　ダイオードは順方向に回路に組み込むと電流は流れてLEDは点灯します。

ダイオードを逆方向にする

電流は流れない

　ダイオードは逆方向に回路に組み込むと電流は流れずLEDは点灯しません。

まとめ

　①ダイオードは順方向に回路に入れると電流が流れる。

　②ダイオードは逆方向に回路に入れると電流は流れない。

　③ダイオードには極性が有る。

　N型は(Negative)負の電荷をもつ電子が少し多く有る半導体,P型は(Positive)つまり正の電気を持った正孔(Hole)が有る半導体です。

ﾀﾞｲｵｰﾄﾞの構造

　N型(Negative)

価電子4のシリコン(Si）に価電子5のリン（P)を少量加えると電子が1つ余って自由電子になりN型半導体になります。

価電子4のシリコン(Si）に価電子3のホウ素（B)を少量加えると電子が1つ足りない正孔になりP型半導体になります。

　P型(Positive)

　N型(Negative)

　P型とN型の半導体が接合すると性質ができます。PからNには電流は流れます。

　N型(Negative)

　P型(Positive)

　アノードを(－),カソードを(＋)につなぐと半導体の中の正孔や電子は極に引き寄せられます。電気の互いに引き合う力はとても大きいので,流れは起こりません。

まとめ

　①＋とーはひきあう。

　②＋と＋,－とーは反発する。

　③＋極では＋がー極ではーが造られる。

mini実験ダイオードの整流作用

清流作用

　残念ながら実験できません。

直流と交流

　電池は(＋)と(ー)が決まっていてその大きさも変わりません。

　縦軸に電圧横軸に時間を取ってグラフにすると上の図のようになります。

　miniの場合は+4.5Vで一定になっています。

　発電所では交流という電気を作っています。交流はトランスというものを使って電圧を変えることができるので便利に使われています。

整流

　ダイオードのアノード側が(＋)の時だけ電流が流れます。

　ダイオードに交流が入ってくると(ー)側の電流は流れないので,図のような電流になります。

mini実験6.5ダイオードの整流作用

　電源からのリード線を入れ替えて交流のように(＋),(ー)を入れ替えました。

　矩形はという交流の一種です。これをダイオードに通します。

　右側が(＋),左が(ー)の時だけLEDが点灯します。

　このような波形になっていると思います。思うだけでは実験ではないのですが,LEDの点滅のしかたはこの波形です。

まとめ

　①ダイオードを回路に入れると電流が整流される。

mini実験07ダイオードの検波

　電波って何だろう？

交流は高周波で電波になる

　交流の周波数を高くすると電波として空中に飛び出します。電波が有るか無いかでは表現が少ししかできません。＊モールス信号

　高周波に強弱をつけることを変調と言います。

高周波の変調

　高周波に強弱をつけて意味のあることを伝えようとします。

　これを変調と言います。高周波を強くしたり弱くしたり強弱をつけると信号になります。

　これが簡単なAM電波です。AMラジオの電波と同じです。

　電波のままでは(＋)と(ー)で引っ張り合ってしまうので電気的な仕事をしません。

検波

　電波を整流して強弱の信号を取り出そうとすることを検波と言います。

　検波(整流)した高周波の強弱を見ると信号が有ることがわかります。

　回路の中に流れる電流はどうなっているでしょうか。

フィルタ

　このような高周波の強弱から低周波の部分を取り出す事をフィルタと言います。

低周波

　取り出した低周波は音声や音楽になっています。

　これがラジオの原点です。

ゲルマニウムラジオ回路図

　ゲルマニウムダイオードを使った一番シンプルなラジオです。

　ゲルマニウムダイオード検波ラジオ。miniで作る実用第1号です。

　アンテナを工夫しないと地方では聞けません。

mini実験08トランジスタの特性

トランジスタ

トランジスタを回路に入れる

　LED点灯の回路にトランジスタを図写真のように入れます。

電流は流れない

　LED点灯実験の回路にダイオードを図のように組み込みます。

　トランジスタは順方向に回路に組み込んでも電流は流れません。LEDは点灯しません。

トランジスタの極

　トランジスタの陽極(＋)につながっている所をコレクタ反対側の(－)側につながっているところをエミッタと言います。

　挟まれているところはベースです。

トランジスタの中身

　ダイオードとよく似ていますが,極が3つになります。

　ベル研究所でダイオードの実験をしている時に偶然トランジスタの作用が発見されたということです。

NPNトランジスタ

　miniでは2SC1815というNPNトランジスタが使われています。

　N型のコレクタとエミッタにP型のベースが挟まった構造のように説明されています。

　図のようにコレクタとエミッタの間に電圧をかけて電流を流そうとしても右側の図のように真ん中のベースがじゃまをして電流は流れません。

ベースに電圧をかける

　ベースに(＋)の電圧をかけると,ベースの中の正孔(ホール)はエミッタに流れていきコレクタとの障害が少なくなります。

　エミッタからコレクタに電子が流れコレクタからエミッタに電流が流れます。

　電流が流れると一つの回路の中にあるLEDにも同じ方向に同じ大きさの電流が流れます。

　抵抗は10K以下はLEDの明るさはほぼ同じです。

　下の実験も数えれば数が稼げると思いますが,ひとまとめにします。

ベースの抵抗

　1MΩから1KΩまでベースに付ける抵抗を変えて実験してみます。

　抵抗は10K以下はLEDの明るさはほぼ同じです。

抵抗の入れ替え

　電子ブロックの良いところです。上の図のようにブロックを組み1MΩの所に元の抵抗を入れアの所に比べようとする抵抗を入れます。

　配線ブロックがない場合は代用ブロックを使います。

　1Mは暗いと思いますが10K以下はほぼ変わりません。

　上の2つの写真は1MΩと80Kオームの違いを比べています。80Kオームの方が明るいことがはっきりわかります。

　下の写真は80Kオームと10KΩを比べています。写真では分かりにくいかもしれませんが10Kオームの方が2倍くらい明るくなります。10KΩを抜き差しできるようにしていますので,違いを比べることができます。

　上の2枚は10Kと4.7K,下の2枚は4.7Kと1Kの比較です。写真でもわかると思いますが,自分で確かめてみてください。

まとめ

　①トランジスタのコレクタとエミッタの間に電圧をかけてもそれだけでは電流は流れない。

　②ベースに(＋)の電圧をかけるとコレクタ,エミッタ間に電流が流れるようになる。

mini実験トランジスタのスイッチ作用

閉じると消える

　トランジスタによるLEDの点灯実験のベースの抵抗を10KΩにする回路に,（ー）極につながる配線を加えます。

　電源スイッチを入れるとLEDが点灯します。

　配線部品を付ける(スイッチを入れる)とLEDは消灯します。

　スイッチを入れるとLEDが点灯することはスイッチの役目ですが,スイッチを入れるとLEDが消灯するのはTR(トランジスタ)の働きです。

mini実験09断線スイッチ作用

　トランジスタのスイッチの実験回路の(A)の部分に回路が繋がらない部品を入れてリード線を付けます。

　線が離れるとLEDが光る断線スイッチになります。

　ＬＥＤの代わりにブザーやラジオの電源のON,OFFができます。

mini実験10接触スイッチ

　トランジスタを一つ下に移動します。(＋)電極からの10KΩの抵抗がTRのベースに繋がらないようにします。そこにリード線ａ,ｂを付けます。ａ,ｂ間に電気の通るものを接触させるとＬＥＤが点灯します。

　ただのSW(スイッチ)と同じように見えますが,トランジスタの働きです。

まとめ

　①TR(トランジスタ)はスイッチの役割をする。

mini実験11トランジスタの増幅

以下工事中

まとめ

AND回路

論理回路

　入力が両方とも(1)の時出力が(1)になる回路です

　(1)というのは数学ですが電気では+5Vのことです。(0)は0V(電池の(-))です。

回路図

　入力が2つあるAND回路の中身です。入力用のスイッチが2つあります。

　出力は1つでLEDで表示します。

ブロックの図

OR回路

回路図

　電子ブロックminiにある部品で作るためには値を変更します。

　LEDはエミッタ側に付けるとベース電圧が下がりにくくなるのでコレクタ側(電源側)に付けます。

　周波数f=0.72/(10K*47μ+10K*10μ)

　　　　　　=0.72/(470m+100m）

　　　　　　=0.72/570m

　　　　　　=720/570

　　　　　　=1.26秒

ブロックの図

　配線がクロスしていますので,ブロックには苦手な形です。随分頑張りましたが改善の余地はありそうです。

　赤LEDがチカッ・チカッと消え,緑LEDがピカッ・ピカッと光ります。

　10μを47μに替えると「パ・パ・パ・パ」と連続で交互に光ります。

動作の様子

　写真では10μと47μを使っています。残像で両方のLEDが点灯しているように見えますが,緑LEDは短時間の点灯なので暗く写っています。

オーディオ発信

　10μ,47μを1μ以下に替えるとオーディオ周波数で発信します。

mini実験18双安定MV

回路図

　反対側のトランジスタのコレクタ電圧を伝えるために10KΩの抵抗をベースに接続します。初めの状態はそれぞれのTRや抵抗の個体差によります。RGどちらかが点灯し,他方は消灯します。

　A点ので電圧をア,イのどちらかに一瞬でもつけるとLEDが変化し,話してもその状態を保持します。

ブロックの図

　図では見やすいように配線ブロックを使っています。ア,イのどちらかの部品をちょっと入れるとLEDの状態が変わります。変化後は部品を取っても状態は維持されます。

動作の様子

　写真では緑LEDを使っています。赤LEDでは完全に消灯しませんでした。

mini実験19単安定MV

mini実験トランジスタの発振回路

発信器

発信器の原理

　トランジスタの増幅器で出力から少し入力に戻すと発信します。

mini実験12コルピッツ

Colpitts oscillator

　LC共振回路の信号を少し帰還させるための回路です。

　共振周波数f=1/2π√(LC)

コンデンサの直列の合成値C=(C*C)/(C+C)

mini実験13ハートレ

　Hartley oscillator

mini実験14ブロッキング

　Colpitts oscillator

mini実験15RC発信

　Hartley oscillator

mini実験16ツインT発信器

　トランジスタの増幅装置のコレクタから出力が出ますがそれをツインTフィルタを通すことにより周波数を限定して,入力のベースに戻します。

　2つの10KΩの間から(ー)極に向かう0.1μのが作るT(ローパスフィルタ)と0.05μと0.01μの間から出る1KΩの作るT(ハイパスフィルタ)がツインになっているので,ツインTフィルタと呼ばれています。

　周波数f∝1/RC

　ほぼ正弦波が出るということなのですが,オシロスコープがないので聞いた音で表現します。「ポー」という音がしました。「ビー」や「キー」ではありませんでした。

電子ブロックの図

　Tの形は左右対称が推奨されていますが,電子ブロックの部品は限られていますので対象にすることは難しいのです。できるだけ値を近くにすると図のようになります。発振周波数は1102Hzの周波数です。

　0.05μを0.01μにすると2137Hz

　0.01μを0.05μにすると 632Hz

　1KΩを4.7KΩにすると　716Hzとなります。

マルチバイブレーター

mini実験マルチバイブレータ(MV)

　帰還を使った発信とは違いますが,TRの性質を使った発振回路が有ります。

　マルチバイブレイタ(multivibrator)と呼ばれる回路です。マルチとは複数のという意味です。バイブレイタとは振動するものという意味です。

　回路は2つ(複数)のON,OFFするトランジスタ(振動するもの)が対象で動作が逆になる仕組みでできています。

　R1,R4はコレクタに電流を流すための抵抗です。C1,C2はTRがON状態になった時どちらかが0Vになります。接続しているベースが0VになるのでそのTRはOFFになります。

　例えばTR1がOFFになった場合はR2,C1の接点は(＋)になり,TR2のベースは(＋)となり,TR2はONになりますC2,R4の接点は(ー)=０Vとなります。C2は0VとなりますがR3によって充電されていきます。TR1のベースに接続されていますので動作電圧以上になるとTR2はONになります。R2,C1の接点は（ー）=0VとなりますのでTR2はOFFになります。

　この繰り返しが振動になります。振動の周期はR2,R3を通ってC1,C2を充電してベースが動作電圧になるまでの時間で決まります。