【超実践編】エンジニアの為の、電子機器で使われる、抵抗器の役割6選

【超実践編】エンジニアの為の、電子機器で使われる、抵抗器の役割6選

ものづくりエンジニアが主にデジタル回路を設計する時、抵抗、コンデンサ、インダクタは必須の部品です。

その中で、今回は抵抗器の使い方について説明致します。

細かな理論は省き、使われる場所と使われ方、これだけの役割を覚えれば、すぐに実践で活用できように重要な使われ方を6種、記載していきたいと思います。

本記事の使い方をマスターする事で、少なくともパソコンのマザーボード等の電子機器の設計、スマホ、デジカメ、車載機器等の電子機器の設計で活用できるようになります。

これから回路設計を学ぶという方、多くの初心者の方は、書籍をみて、抵抗器の理論を学ばれていると思いますが、実戦になかなか活かせないと思います。私もそうでした。

本記事では、抵抗器にはこういう役割があって、こういう所に配置する必要がある、定数はだいたいこんなものだよ。という内容を、実際の回路図を用いて感覚的に分かるようにまとめていきたいと思います。

抵抗器同様、コンデンサについてもまとめておりますので、コンデンサ編が見たいという方、下記のリンク参照お願いいたします。

->【超実践編】エンジニアの為の、電子機器で使われる、コンデンサの役割6選

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抵抗器の役割

抵抗器の役割はコンデンサに比べるとイメージしやすいと思いますが、電気を流れにくくする部品です。

もう少し感覚的に分かりやすい言い方をすると、電気回路における抵抗器の基本概念は下記。 水路を流れている水をせき止め、規定量しか水を流さないダムのような役割です。

抵抗器はダム、電流は水、回路は水路、電位(電圧)は水位

よく、直接、並列という言葉を耳にすると思いますが、これもダムという概念が分かりやすいです。

直列の場合

電圧は電位と表現し、それは水位と同じ。仮に4Vの電源を持つ回路があり、1Ωの抵抗が2個直列につながっているとしましょう。

それを水に例え説明します。下の回路の場合抵抗の値が同じなので、水の量をコントロールする同じダムが2つ連続につながっているイメージです。水は上から下へ流れるので、ダムを超えると水位が下がり、2つのダムを超えた後は水位が0になる。ダムの能力は同じなので、ダムから流れる水の量は同じ。

これを電気回路として説明します。活用する式はオームの法則(下に示す)

  1. 回路全体に流れる電流は、V(4V)=R(1Ω+1Ω)xI(?) よって、I=2A
  2. 各抵抗の電位差はV(?)=R(1Ω)x I(2A) よって、V=2V

となります。ここでの注意点は、Vはその電流が流れる前後の電位差である。という点です。

オームの法則 V(電圧、水圧)=R(抵抗値、ダム)xI(電流、水の量)

並列の場合

並列の場合も考え方は同じです。参考回路を下に示します。3Dで書ければもっと分かりやすいのですが、抵抗が並列という事は、抵抗が横に並んでいる、同じ水位の場所にダムがある。という事になります。つまり下の回路の場合は水位が4の場所に2つの同じ能力を持つダムが同じ高さにおいてある。という意味となります。よって水位は両ダムとも4。

オームの法則で表すと、

  1. 1つの抵抗に流れる電流は、V(4V)=R(1Ω)x I(?) よって I= 4A.
  2. 同じ抵抗が同じ電位にもう一つある為、2倍となり、合計8A

という事にいなります。

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役割1:電流制限

抵抗器の最も代表的な使い方である、電流制限について説明します。上記で抵抗器はダムと説明した、そのままの内容となりますが、抵抗器は定数が大きければ大きいほど、電流を流しにくくします。

代表的な回路はLED点灯回路です。下の回路はLEDと抵抗を直列につなげたもので、この回路が5Vの電源と接続されていると仮定し、下はグラウンドと繋がっている事とします。もし回路に抵抗が無かった場合、ダムで水の流れる制限を失くした状態。つまりすべての水をそのまま落としている状態になります。

どうなるかというと、一瞬でLEDが燃えてしまうという結果となります。

式で表すと、オームの法則のV=RIのRが限りなく0に近い状態となりますので、(回路自体の抵抗がある為0にはなりません。)Rが配線抵抗で例えば0.1Ωだとし、電源を5Vだとすると、

I=5(V)/0.1(Ω)

となり I=50Aとなります。

それを防ぐ為に、抵抗を用いて電流を制限します。

LED点灯回路の場合、LEDそのものにはVf(※下参照)がありますので、その電圧を考慮し、流す電流を抵抗の値で決定します。

Vf:順方向電圧。これ以上電圧を加えないと、LEDは光らないよ。という電圧。

下の回路の場合、電源:5V、Vf:3V、抵抗:680Ωとすると、電流は、

I =(5V-3V)/680Ω = 0.0029A つまり2.9mA となります。

この5V-3Vの部分ですが、電流を導く時はあくまで抵抗前後の電位で計算する為、このようになります。電源が5VでVfが3Vという事は、抵抗の上は5V,下は3Vとなりますので、電位差は5V-3V=2Vという事になります。そして、LEDに流していい電流となるよう抵抗値を決める事になります。LEDに流していい電流はLEDごとに決まっているので、LEDの仕様書を見ていただく必要があります。

役割2:分圧

次の役割としては、分圧です。下のDCDCコンバータの回路が分かりやすいですが、下の回路のR1、R2と記載されている抵抗の中央からFB端子へ入力されていると思いますが、この抵抗の役割が分圧です。

仮に本DCDCコンバータの出力電圧は10Vとして、R1とR2が同じ抵抗値だった場合、一番初めに説明した直列回路と同様、FB端子の電圧は半分の5Vとなります。

DCDCコンバータのFB端子という端子は、出力電圧をフィードバックして、意図通りの電圧が出ているかチェックする為の端子となりますが、フィードバック電圧が高すぎると電源自体が壊れてしまうため、分圧した電圧をフィードバック入力する事が多いです。この分圧値はDCDCコンバータの仕様書に従って決める必要があります。

役割3:プルアップ、プルダウン

電気回路のエンジニアになって、回路を学ぶとき、一番多く耳にする言葉だと思います。

  • プルアップ抵抗:文字通り、電圧を引っ張り上げる為の抵抗
  • プルダウン抵抗:文字通り、電圧を引き下げる為の抵抗

プルアップのイメージは下記です。

スイッチを使ってある場所の電圧を、High、Lowと切り替える為に使う物です。電気の流れは次の通り。

  1. スイッチオフ時:電気の流れは、Vdd ⇒ 抵抗(10kΩ)⇒ マイコン  
    • マイコンの端子がハイインピーダンス(下で説明)の場合、マイコン入力の電圧はVdd。
  2. スイッチオン時:電気の流れは、Vdd ⇒ 抵抗(10kΩ)⇒ グラウンド 
    • マイコンの端子がハイインピーダンス(下で説明)の場合、マイコン入力の電圧は0V。

プルダウンも使い方は同様、イメージは下記。

  1. スイッチオフ時:電気の流れはなく、GNDの電位とマイコンの入力端子の電位が同位
    • マイコンの端子がハイインピーダンス(下で説明)の場合、マイコン入力の電圧は0V。
  2. スイッチオン時:電気の流れは、Vdd ⇒ 抵抗(10kΩ) ⇒ グラウンド
    • マイコンの端子がハイインピーダンス(下で説明)の場合、マイコン入力の電圧はVdd。

つまりプルアップもプルダウンもやっている事は同じで、スイッチの位置がどこにあるのかで概ね決まります。

ハイインピーダンス:言葉の通り、抵抗が大きい(無限大)という意味。

■プルアップ抵抗の具体例

実際のマイコンの中には、トランジスタやFETのようなスイッチが入っており、オープンコレクタやオープンドレインと呼ばれる端子があります、前者がトランジスタ、後者がFETで、回路の意味は似ています。※厳密には異なる為、トランジスタ編で説明。

このような端子の時には、プルアップ抵抗をつける必要があります。理由はこのスイッチがONの時はOUTPUT端子は0V(グラウンドレベル)になりますが、OFFの時、もしプルアップが無いと、どこからも電圧が印可されず、浮いてしまった状態になります。OFFの時にこの端子の電圧を確定する為に、プルアップ抵抗で、この端子の電圧を確定してあげる必要があります。

定数は1kΩから100kΩくらいを使いますが、スイッチや半導体の端子内の回路構成に基づき設定します。抵抗が低いと電流量が増え 、マイコン内の半導体に流れる電流も多くなるため、適切な定数を周辺半導体の端子の仕様を見ながら決めていく必要があります。

下の回路の場合、もしプルアップ抵抗が付いていない状態で、トランジスタがオンされると、一瞬でトランジスタが燃えてしまう事になります。

役割4:フィルタ回路

4つ目の役割は、CRローパスフィルタです。CRフィルタとは簡単に言うと、波形をわざとなまらせて立ち上がり時間を遅らせる為の回路です。

これは、各ICのリセット端子や、電源のEnable端子によく使われます。

ICのリセットはマイコンで制御する場合もあれば、パワーオンリセットといって、電源投入と同時にリセットを解除する回路を回路として組む場合がありますが、このパワーオンリセットをする際、リセットは、電源より後に解除する。というシーケンスを求められる場合が多々あります。その際に抵抗とコンデンサを下の図のように配置し、時定数を持たせ、波形に遅延を持たせる事をします。これをCRローパスフィルタと呼びます。

また、複数の電源を持つ回路の場合、一般的にはその電源の立ち上がる順番を制御する必要があります。マイコンで制御する事も可能ですが、簡単な回路であれば、この時定数を調整し、電源の立ち上がる順番をCRフィルタでコントロールする事も可能です。

波形をなまらせるというのは、下のようなイメージです。青が波形で、本来であれば、黒枠と同じ立ちように直角に上がり方をするのですが、CRフィルタを用いる事で、立ち上がりをゆっくりにする事が可能です。

R,Cの定数のより、時定数が決まり、どの位波形をなまらせるのかを計算できますが、このような計算サイトがありますので、こういった計算サイトで計算するのが早いでしょう。

CRローパスフィルタ計算

コンデンサの説明ページでも説明しておりますので、ご参照お願いいたします。

->【超実践編】エンジニアの為の、電子機器で使われる、コンデンサの役割6選

役割5:ダンピング抵抗

ダンピング抵抗(damping )とは、振動を減衰させるという意味で、オーバーシュート・アンダーシュートを抑制する事を目的とした抵抗です。

効果は下の図のように、左がダンピング抵抗無の場合によく発生するオーバーシュート、アンダーシュートで、振幅のある信号には大抵こういったノイズがのいります。このノイズがエミッションの原因にもなりますので、除去する必要があります。ノイズに関しては下記の記事も参照頂ければと思います。

->ノイズとの闘い。ものづくりエンジニアの為の、EMCとは?EMC設計技術とは?

->【高速信号配線&基板ノイズ対策】プリント基板のパターン設計ノウハウ集

ダンピング抵抗をつける場所はドライバの近くです。ドライバの近くとは、信号を発生するデバイスの近くという意味です。ここが遠くなってしまうと、上左図の汚い波形が基板の中を走り回る事になりますので、配置位置には注意が必要です。具体的には下のような回路で使います。定数は数Ω(10~50)程度で、実際の評価で、オーバーシュート、アンダーシュートを測定しながらい最適な定数を決めていきます。

役割6:終端抵抗

終端抵抗にはいろいろありますが、ここでは主な終端抵抗3種について説明します。

まず終端抵抗とは?ですが、

反射を回避するために入れる抵抗です。

反射とは?

回路を流れる電流が跳ね返ってくる現象です。

主に高速伝送路で顕著に表れますが、電流が高速に流れると、いろいろな原因で反射が発生します。水が猛スピードで流れていて、壁に当たったら跳ね返されるのとイメージは同じです。

それを防ぐにはどうすればよいか?ですが、

配線の特性インピーダンスと同じ定数の抵抗を入れる

が正解です。特性インピーダンスとは?

配線自体のインピーダンスです。※ここは難しいので別の回で説明します。

これから、直列終端、並列終端、差動終端と説明しますが、すべて上の概念に当てはめて考える事が可能です。

直列終端

直列終端とは上で説明したダンピング抵抗です。上の説明では10~50Ω程度と説明しましたが、この根拠は次の図の計算式から求める事になります。

電気は水なので、早く流れれば流れるほど、いろいろな箇所で反射が起きます。それを抑えるには、伝送路のインピーダンスの整合をとる必要があります。インピーダンスの整合をとるとは、下の式のように、伝送路のインピーダンスにその他の部位のインピーダンスを合わせる事を言います。

難しい言い方をすると、直列終端はドライバー側に抵抗を直列に配置し、レシーバーで反射した信号をドライバー部で完全に消費させ、ドライバー部での再反射を抑制する方法である。という事です。

下記伝送路のインピーダンス(Zo)は、基板の場合、基板パターンの伝送路となり、基板設計時に指定が可能です。一般的にはシングルエンドの高速伝送路はインピーダンス50Ωで作成する場合が多いです。

上記に対し、ドライバの出力インピーダンス(Zs)は、デバイスによって様々な為、これが数Ωあります。

例えばZsが10Ωだとすると、ダンピング抵抗を40Ωとして、配線インピーダンスの50Ωに合わせるように設計する事で、反射を抑える事が可能です。これを直列終端と言います。

Zo:伝送路のインピーダンス

Rs:ダンピング抵抗

Zs:ドライバの出力インピーダンス

並列終端

並列終端とは、レシーバ側で反射を抑える方法です。こちらも難しい言い方をすると、

レシーバーに対し並列に抵抗を配置し、ドライバーから出力した信号をレシーバー側の抵抗で全て消費させ、反射を発生させない方法である。という事になります。

この場合、レシーバ端の抵抗Rtと配線インピーダンスZoをイコールにする事で実現できます。配線インピーダンス(Zo)を50Ωとした場合、Rtは50Ωとなります。DDRを用いた回路で良く用いられる抵抗です。

Zo:伝送路のインピーダンス

Rt:終端抵抗

Vtt:終端電圧

差動終端

最後に差動終端です。ほとんどの高速差動信号で使われる方法です。こちらも今までの考え方同様、配線インピーダンスと終端抵抗を同一にすることで、反射を抑え、伝送する事が可能となります。差動の高速配線は差動インピーダンス100Ωの場合がほとんどの為、+とーの間に100Ωの抵抗をはさみ、反射を抑えます。※伝送方式によってはインピーダンスが異なる為注意。ちなみにUSBは90Ωです。

その他、反射を抑えるパターン設計は下記を参照頂けると、分かりやすいかと思います。

->高速信号配線&基板ノイズ対策】プリント基板のパターン設計ノウハウ集

まとめ

主にデジタル回路で使われる抵抗器の役割6選を説明してきました。一般にガジェットと言われる製品、モバイル、黒もの家電の設計では、概ねこれらの抵抗の使い方を覚えておけば、十分設計できると思います。ご参考にしていただければと思います。

上記6選の内、4選に関しては下記の動画でも解説しています。よろしかったらご覧いただけると嬉しいです。

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