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Neat! Neat! Neat!
ゲームとクルマとPCにまみれた日常のブログ
市販のLEDを使おう(回路理論編)
ミニ四駆のドレスアップといえば塗装やステッカーなどが定番ですが、
LED(発光ダイオード)による電飾も人気です。

ただ、現在手に入るミニ四駆パーツとしてのLEDは赤色のみ
更にバンパーレスユニットを買わなければいけないため値段も高く、あまり大量に使うのには向いてなさそうです。

CIMG1295.jpg

そこで出てくるのが電子部品屋さんとかで売ってる普通のLED。
10個入り120円というミニ四駆価格から見ると驚異的な安さで売ってるので、これを使わない手は無いかなと。

注:公式レギュレーションではタミヤ製パーツしか使用できない決まりですが、
純粋にドレスアップ目的(速さに無関係)の場合は大体大目に見てもらえるみたいです。
それでも弾かれる可能性がなくはないので、車検で何か言われたらすぐ外せる用意はしておきましょう。


1.電飾用の電気をどこから貰ってくるか決める

モーターを回してる単三電池から電気を貰ってくるか、別にLED用の電池を用意するか。
前者(タミヤのGUPもこっち)の場合はマシンのスイッチをONしないとLEDが光らないため、撮影には不向きです。
更にボディ側にLEDを付ける場合はシャーシ側と線で繋がる事になるため、整備性が悪くなるのも難点。
後者の場合は電池が増えるので重量増に繋がることと、
マシンのスイッチとは別にLEDのON/OFFを制御しないといけないので一長一短です。
今回は前者の場合で解説していきます。


2.配線と抵抗値を考える

ミニ四駆を走らせる場合、電池にはすでにモーターが繋がっています。ここにLEDをどう繋ぐかを考えましょう。
注意しなければいけないのは、 LEDはモーターと並列に繋ぐこと、LEDには抵抗を直列に繋ぐこと です。

LEDの回路図


LEDを繋げる場合のミニ四駆の回路図を描いてみました。
抵抗については後で説明しますが、とりあえずLEDとひとまとまりで考えてください。
右半分を見ると、モーターとLED&抵抗が分岐しているのが分かります。
つまり、LEDはモーター側のターミナルの+と-の間に接続します
複数個繋げる場合は分岐を増やしていきましょう。

普通のLEDは大きな電流を流すと死にますが、
一方でモーターは大電流を必要とします。
このため、モーターとLEDで電気の流れを分ける必要があるのです。

CIMG1293.jpg

モーターケース側のターミナルのそれぞれにLED側の+と-を繋ぐことで並列に接続することができます。
写真はタミヤの昔のLEDセット付属の金具を使用していますが、別にターミナルに直接半田付けしても使えます。
レギュ的に半田付けOKかは知らない。


もう一点のLEDには抵抗を直列に繋ぐについて。
先ほど 「LEDに大きな電流を流すと死ぬ」 と言いましたが、
実は電池にLEDを繋いだだけでは大きな電流が流れてしまいます。
そこでLEDに抵抗と呼ばれる部品を追加して、電気の流れをわざと妨げます

CIMG1297.jpg

これが抵抗。
色がついた線がいくつか引かれていますが、これは抵抗のスペックを示す「カラーコード」です。
見方は「抵抗 カラーコード」でググればいくらでも出てきます。

CIMG1294.jpg

タミヤのLEDもよーく見ると抵抗が入っています。
似たような感じでまねして取り付けるのがスマートかもしれない。


そして、抵抗を入れる場合に大事なのは「抵抗値をどうするか」です。
抵抗値とは電流を阻害する強さのこと。
電流を流しすぎる(抵抗値が小さすぎる)とLEDが壊れるけど、逆に全く流れなければLEDは光りません。
普通のLEDは目安として10mA~20mA(0.01~0.02A)程度流れれば光ります。
流せば流すほど輝度は上がりますが、壊れない範囲にとどめましょう。

電流値から抵抗値を決めるためには、中学校で習ったオームの法則を使います。
電流×抵抗=電圧」でおなじみのアレです。
抵抗に加わる電圧と流したい電流が分かれば、「電圧÷電流=抵抗」より抵抗の値が求まります。

ただ、抵抗には電池の電圧がそのまま加わらず、実はLEDに電圧を落とす効果があるため、
「抵抗値=(電池の電圧 - LEDの順方向電圧) ÷ 電流値」 が正しい計算式です。

順方向電圧はLEDの種類(主に色)によって変わってくるので、お店で表示されているVFの値を参照しましょう。

さて、図の緑色LEDの場合は順方向電圧(VF)が2.0Vなので、10mA流したい場合の抵抗値は
「(3V-2V)/0.02A = 100Ω」 となります。
ということで、今回はLEDとは別に100Ωの抵抗を取り付ける必要があります。

CIMG1298.jpg

てことでくっつけたのがこれ。半田が汚いのは気にしてはいけない。
LEDは足の長いほうが+、短い方が-ですので、電池のそれぞれに繋げてあげましょう。
抵抗は+-どっち側でも、電池とLEDの間に入っていればOKです。
+側と-側が動いて触れないようにグルーガンなり熱収縮チューブなりで固定してあげると良いと思います。


CIMG1299.jpg

繋げると綺麗に光ります。
同じLEDで輝度を上げたい時は値の小さな抵抗を使いましょう。


以上、汎用LEDの使い方でした。
書いてる人は電気回路としてのLEDの使い方は知っていても模型の電飾に関してはまだ素人なので
その辺の経験が積めたらまた記事にしたいと思います。

 
電圧の謎
電池の電圧について。


まず、何もつないでいない電池の電圧をテスタで測ってみます。

CIMG0938.jpg
(アナログで見辛いですが、上から2個目の目盛りを10で割ってください)

2本直列で2.75Vです。

CIMG0940.jpg

この電池をマシンに乗せて、スイッチを入れると・・・

CIMG0939.jpg

2.5Vに落ちました。約0.25V電圧が落ちていることが分かります。

更にタイヤを指で軽く触り、回転をおさえると

CIMG0941.jpg

なんと2.2Vまで下がっています。

スイッチを切った後、電圧を再び測定すると、また2.75Vに戻ります。
つまり、電池の容量減少とは別に、
使っている間、モーターへの負担によって電圧が変化しているということです。

これは電池の内部抵抗によるものです。
電池は内部抵抗により、電圧を全てモーターに伝えることができないのです。


どういうことなのか、図を使って考えてみましょう。

モーター回路図2

電池は起電力(電圧1)により電圧を供給しているのですが、
同時に電池内部の抵抗によって電圧を削られています。(削られた分=電圧2)
ということで、モーターに加わる電圧は、電圧1から電圧2を引いた値になるわけです。

電圧2は、電池からモーターに流れる電流によって決まります。
中学校の理科で習ったオームの法則、電圧=抵抗×電流 を思い出すと、
電流が流れれば流れるほど、削られる電圧は大きくなる訳です。

電圧計やテスターで電圧を測る場合、電流はほとんど流れないため、
電圧2はほぼゼロになり、起電力がそのまま測定されます。
一方、モーターを動かす時は電流が多く流れ、
実際にモーターに加わる電圧はテスターの電圧よりだいぶ小さくなります。

アルカリ電池がダッシュ系の高性能モーターをうまく回せないと言われるのは
高性能モーターが大電流を消費し、内部抵抗が大きいアルカリ電池では起電力が大きく削がれることが理由です。

ということで、ダッシュ系モーターを使う場合は、電池のコンディションに注意しましょう。
あとテスターの電圧だけで複数の電池の評価をするとまずいっす。
起電力が一緒でも、内部抵抗に差があればモーターにかかる電圧は違うよ、と

変に数字に踊らされるよりそのとき走らせて確認するのが一番かもしれませんね。

 
電池の基礎を知る
ミニ四駆を機会に充電池、もっと言えば電気と初めて向き合う人もいることでしょうし、
各単位の意味など基本的な話を解説できればいいのかな、と思って書いてみました。
中学の理科でやってる内容に毛が生えた程度ですから、そんくらい知ってるわ、って人は飛ばして下さい。
だれでもわかる様に式を省いているので、むしろわかりにくい表現になってるかもしれませんが。。

電池を扱う上で出てくる単語がいくつかあります。
電圧(単位:ボルト(V))、電流(単位:アンペア(A))、容量(単位:ミリアンペアアワー(mAh))、抵抗値(単位:オーム(Ω))です。


◇電流
ブレーカーが落ちる基準でもおなじみのアンペア(A)。
「電流」の名前の通り、電気の流れる量を意味します。
1Aってけっこう大きな値なので、普段は1000分の1のmA(ミリアンペア)を使う事も多いです。
1mLと1L、1mmと1mの関係といっしょで、1000mAで1Aとなります。
ただミニ四駆の場合は消費電流が大きく、数Aくらいは流れてしまいます。


◇容量
充電池なんかを見るとよく書いてあります。
充電容量なら「どれだけ電気をたくわえられるか」、放電容量なら「どれだけの量の電気を放出できるか」を意味します。
単位はmAhで、ミリアンペアと混同しそうですが、びみょうに意味が違うのが大事。
例えば放電容量1000mAhだったら、「1000mAの電流を1時間流せる容量」ってことですが、
電流が半分の500mAしか流さないなら2時間持ちますし、逆に倍の2000mAなら30分しか持たないということです。
バケツか何かに貯めといた水をちょっとずつ出すか、一気に出すかみたいな。

よくありがちなのがニッ水の容量の大きさを見て、「大電流を流せる!」って思い込んでしまうことなんですけど、
容量と「一度に取り出せる電気の量(=電流)」は違います。
2Lのペットボトルでも500mLのボトルでも口の大きさが一緒なら、1秒間に出てくる水の量はいっしょですよね。

容量なんでもちろんでかければ長く使えるのですが、ミニ四駆で1レースやる程度を長いと思うかどうか。


◇電圧
出てきた単位の中で多分一番なじみがあるのがボルトではないでしょうか。
これは「電気を流そうとする力」のことです。
雑な言い方をすれば電圧を上げるほど電気がいっぱい流れるということになります。

電池一本あたりの電圧は、アルカリ電池で1.5V, ニッケル水素電池だと1.2Vです。
そのまま繋げる(直列)と電圧は足し算されるので、2本セットで扱うミニ四駆の場合
電圧は3V~2.4V程度、実際はもうちょっと高い電圧の電池もいるので、最大3.4V程度まではかかってると思います。

電池は使っているうちに電圧が下がってきます。しかし、この電圧の下がり具合は一定ではなく
アルカリ電池の場合、1本当り1.5V~1.0Vの間は電圧がゆるやかに減少し、
約1.0Vを下回ると一気に電圧が低下する という特徴があります。
使いどころは1.5V~1.0Vの間ってことですね。

これをグラフに表したものを「放電曲線」といいます。ググると色んな所が色んなデータを出してます
放電曲線は流す電気の量(電流の値)によっても変化するので、使用用途と照らし合わせながら見てみましょう。

さて、ここまでの説明だと電圧の高いアルカリ電池の方がニッケル水素電池よりも速そうに見えますが
実際には状況が逆転することがよくあります。これを説明するのが次の「抵抗」のところです。


◇抵抗
名前の通り、「電気の流れにどんだけ逆らうか」を意味します。
電池は電圧をかけてきりなく電気を流そうとするのですが、
抵抗がそれをジャマするので、流れる電気の量は一定におさえられます。
抵抗の量がでかくなるほど、電気は流れにくく、電流は小さくなるという関係になります。

逆に抵抗がめっちゃ小さいと電流がめっちゃ流れます。
電流がめっちゃ流れると熱がめっちゃ出るのでわりと危ないです。これを「ショート」といいます。
よく電池のプラスとマイナスを銅線だけでつないじゃいけないといわれますが、これが理由です。
電池が死んだりシャーシが溶けたりいろいろと大変なので、ショートには十分注意しましょう。

ところで、電池ではその内部に抵抗を持っています。これを「内部抵抗」といいます。
モーターに負荷がかかると電流を流したがるのはこないだの記事で紹介しましたが、
電池の内部抵抗が大きいとそれだけ電流を流れるのをジャマするので、
結局モーターのパワーを全開にすることができません。
てことで、消費電流値が大きいほど、内部抵抗の小さなニッケル水素電池の方が速くなるわけです。


そんなところでこの記事はおしまい。
全部言葉で説明するのは疲れるねぇ。

 
モーターの特性を考える。その2
ミニ四レーサー向けにDCモーターの特性を考えてみようという、
前回の記事の続きです。

前回のおさらいから。
トルクと回転数の関係は下の図のように逆であることが分かり、
ついでに言うとこれは「負荷(トルク)がどんだけかかった時に回転数がどんだけ落ち込むか」を表すグラフでした。

モーター特性


一方でモーターは電気を流すことで動かしているので、
当然そこを流れる電気の量とモーターの性能とで関係があります。
それが「トルク-電流」の特性になります。
関係としては比例。つまり、

トルクと電流は比例関係にある
ということです。

負荷が大きい場面(アップダウン)などでは、モーターには大きな電流が流れるわけです。

余談ですが、よくスイッチ入れたままタイヤを押さえないでね、って言われるのは
停止時=停動(最大)トルク時にめっちゃ電流が流れて熱が出るからです。
壁にぶつかって止まったままになるのも似たような状態なので
コースアウトしたら回りに気をつけつつも素早く回収しましょう。

モーター特性3

ここまでの特性を図にまとめると上の図のように。よくみる性能線図ってやつです。
見方の目安として負荷(トルク)を基準にすると、
どのくらいトルクがかかったときにどのくらい回転数が落ちて電流が流れるか分かるって感じです。


ここまでが一般的なDCモーターの特性ですが
ミニ四駆の場合はもうちょっと考えることがありそうです。

いや、本当に電源が理想的ならここで話が終わるのですが、
ミニ四駆のモーターを動かしてるのは頼りなーい単三電池です。

電流とトルクの関係を勉強したのでとりあえず電流で考えてみましょう。
(ほんとは内部抵抗を含めて考えた方がいいんだろうけど、簡単のため)

ミニ四駆が坂を登るときは減速、つまりモーターの回転数が落ち込みます。
回転の落ち込みを止めようと電流をばりばり流してモーターのトルクを増加させたい、、、
けど、本当はそんなに電流を流せません。

まぁ実際んとこどれくらいまでいけるかは知りませんけど
少なくとも電池屋さんのデータシートを軽く見る感じでは2A(2000mA)以上流すことを考えて作って無さそうです。
さっきのグラフでいうと一番下の目盛りですよ!

てことで、色んな誤解を恐れずにものすごーく大雑把に言うと
(特に)乾電池の場合は電流が制限されるため、スペック通りのトルクを得ることができない
ちゅーことです。

で、高性能なモーターほど電気を食うのでその辺が顕著になる、と。

でもその中で電流を沢山流せる電池、流せない電池というものがあって、
例えばネオチャンプあたりのニッケル水素電池はアルカリ電池に比べて電流を流せることから
高性能なモーターをぶん回すのに向いてるって話になります。


そんなんでなんとかミニ四駆も絡めてモーターの話のさわりを出来たのかな。
自分自身も自己流で勉強したばっかりのことなので間違いだらけかも知れん

電圧との関係はどうなんだ? とか 慣らしするとどうなるんだ? とか
色々ネタはあるけれどまだ自分の中で整理できてないので次の機会で。

先に電圧・電流と電池の話があるかも?

 
モーターの特性を考える。その1
なんとなくちょっと理系ちっくに考えてまとめてみたかったので乗せてみる。
ミニ四駆って経験則的な部分はあるにしても、簡単な理屈も頭に入れてみたら楽しめるんじゃねって記事です。

今回はとりあえずモーターの簡単な特性を抑えてみます。

一応電気工学やってたけど素人に毛が生えたレベルなので間違ってる所があったら許してね。
あと実践はまた別の話です。

--------------前置きここまで----------------


さて、モーターにも色々ありますが、ミニ四駆に使われているモーターはDC(直流)のブラシ付きモーターです。
で、ぶっちゃけ DCモーター 特性 とか DCモーター 性能線図 でググると色々情報が出てくるので
自分で調べられる方はそれを見ちゃった方が早いと思います。
マブチモーターも技術情報出してるしねぇ。

ミニ四駆に絡んだ部分だけ出せればよいのかな、と。

とりあえず超基本的な考え方その1はこれ。
「速度とトルクは逆の関係」
トルクって何?って人は単純にモーターが回す力のことだと考えてください。

特に何もくっつけずにモーター単品で回す時を考えてみましょう。チャリでいうとスタンド立てて空漕ぎしてる状態です。
簡単にぐるぐる回って限界までぶん回せると思います。
この限界の回転数を「無負荷時回転数」といいます。
このときモーターにはほとんど力が加わっていません。つまりトルクはほぼゼロ。

まとめると「トルクがゼロのとき、回転数は最大」ってことです。


今度は逆に思いっきり力をかけてみましょう。チャリだとめっちゃ辛い坂道をなんとか登ってる状態です。
弱虫ペダルの坂道くんでもない限り、ペダルの回転数はだだ下がりだと思われます。
更に坂がきつくなってペダルを回せなくなってしまった瞬間、つまり限界の負荷を「最大トルク」といいます。

まとめると、「回転数がゼロのとき、トルクは最大」ってことです。

モーター特性2

簡単にグラフにするとこんな感じ。データはネットから拾ってきました
いまだにエクセル2003を使ってるのでグラフが汚いのはご勘弁を。

斜めの線を追っていくと横軸のトルク(負荷)が増えていくにつれて、回転数が落ち込んでいくのが分かります。
傾きが大きいほど「負荷がかかったときに回転数が落ち込んでしまう」ことを意味します。
逆に言うと「回転が落ちたときにどれだけパワーを出せるか」ってことにもなります。
レブチューンの回転の落ち込みっぷりが半端ないっすね。。

実際のミニ四駆はどのくらいの負荷がかかってるか分かりませんが、
負荷が大きい場面≒速度が落ちる場面 と考えると、
よく説明されている「高速コース向け、アップダウンセクション向け」の意味が分かると思います。


もうひとつ重要なのが電流とトルクの関係ですが、長くなってしまったので次の機会にでも。

てかここだけだと別に今更俺が書く必要ないなぁ。書いちゃったから上げるけど。