電子回路 放射線計測エレクトロニクスの信号処理の為の アナログ電子回路の基礎 第三回 村上浩之 May. 10. 2010 目次（２） • 回路の構成要素 – 受動素子と能動素子 • 受動素子 – 抵抗（R) – コンデンサー（C) – コイル（L) • 能動素子 – – – – – May. 10. 2010 真空管 ダイオード（D) バイポーラトランジスター（Tr) 電界効果トランジスター（FET) その他の能動素子 回路の構成要素 • 受動素子と能動素子 電子回路は受動素子と能動素子で構成されている。 – 受動素子 • 内部に電圧源又は電流源を持たない回路網で構成されている回路素子 • 抵抗（R）、コンデンサー（C）、インダクター（L）、スウィッチ、これらだけで構成され た回路網を内部に持つ素子 – 能動素子 • 内部に電圧源、電流源を持っている回路網で構成されている回路素子 • 電圧源（V）、電流源（I）、抵抗（R）、コンデンサー（C）、インダクター（L）、スウィッチ で構成された回路網を内部に持つ素子 May. 10. 2010 受動素子 • 抵抗 – 文字表示 ： R,r – 単位 ： Ω – 記号 – インピーダンス Z(ω) ： R – ラプラス変換したインピーダンス Z(s) ： R • 抵抗の種類 – – – – – – – – – 金属箔抵抗器 ： 金属箔をエッチングで整形した抵抗器 ＞ 精密抵抗器 金属薄膜抵抗器 ： 安定な合金を蒸着した抵抗器 金属厚膜抵抗器 ： 金属粉体を含むインキを印刷し焼成した抵抗器 酸化金属厚膜抵抗器 ： 酸化金属インクを焼成した抵抗器 金属巻線抵抗器 ： 金属線を巻き付けた大電力用の抵抗器 金属巻線精密抵抗器 ： 安定で一定の径の金属線を巻いた精密抵抗器 炭素皮膜抵抗器 ： 炭素インクを焼成した抵抗器 固体炭素抵抗器 ： 炭素と粘度の粉体を固めた抵抗器 その他 ： 水などの液体、炭素棒などの固体、半導体、・・・ May. 10. 2010 抵抗の形状と特性 • 形状 – リード線型 • • アキシャルリード線型 ： 円筒型 ラジアルリード線型 ： 円筒型、角型 – 表面実装型 • サイズ – リード線型 • 最大許容電力でサイズが決まる。（メーカーに依り異なる） ： 1/16W,1/8W,1/4W,1/2W,1W,2W,・・・ – 表面実装型 • 角形の縦×横でサイズを規格化 ： • 温度特性 ： 1 ℃当たりの抵抗値の変化率 （TCR PPM/℃） – – – – – – 金属箔 ： 0.14PPM 金属薄膜 ： 数PPM〜数千PPM 通常使用される金属薄膜抵抗器は100PPM 精密金属巻線 ： 安定、非常に小さくできる、大きなTCRの物は温度センサー 金属厚膜 ： 安定、TCRは薄膜より大きい。 通常使用される金属厚膜抵抗器は200PPM 炭素皮膜 ： 0〜数千PPM 固体炭素 ： 数千PPM May. 10. 2010 抵抗の形状と特性 • 周波数特性 – 周波数特性に影響する要素 • 浮遊インダクタンス、浮遊キャパシタンス、抵抗体と基材の誘電損失 – 抵抗の構造や構造体の構成物質の特性でその値が決まる。 • 構造 – 円筒型 » 抵抗値や精度を確保するために抵抗体を細長く、スパイラル状にカット してある。 – 平板型 » 抵抗体をジグザグ状にカットして細長くしている。 – 高周波用の抵抗はカット無しで制作されているため浮遊のCやLが 小さいので周波数特性が良くなっている。 – 構造体は絶縁抵抗が大きく誘電損失の少ない物質を使用する。 構造体の熱膨張や歪みは抵抗体を歪ませ抵抗値に影響する。 逆にこの特性を利用して歪みセンサー等に利用されている。 May. 10. 2010 抵抗の形状と特性 • 電圧特性 – 耐電圧 • 最大許容電力と共に最大許容電圧が規定されている。 – 最大許容電力は温度上昇と最高使用温度で決まる。 – 電力から決まる耐圧、抵抗体と構造体の電界による歪みに依る抵抗値の変 化の許容値、表面の絶縁耐量で決まる耐圧 – 抵抗値の電圧特性 • 抵抗体と構造体の電界歪みが抵抗値を変化させる • 通常使用される抵抗の最大使用電圧は500V程度 • 高電圧の掛かる抵抗器は高電圧用の抵抗器を使用する。 • 電子顕微鏡や静電レンズの分圧抵抗器は精度が要求されるので電圧 特性が良い特別な抵抗器が使用される。 この抵抗器に使用されている高抵抗インクを使用している高抵抗器は検 出器のバイアス用の抵抗器や電荷有感前置増幅器のフィードバック抵 抗器に使用され、優れた雑音特性を示す。 May. 10. 2010 金属箔抵抗器の構造と箔のパターンの例 アルファ・エレクトロニクス株式会社カタログ May. 10. 2010 金属箔抵抗器の温度特性 アルファ・エレクトロニクス株式会社カタログ May. 10. 2010 炭素皮膜抵抗器の特性 May. 10. 2010 金属皮膜抵抗器の特性 May. 10. 2010 超精密級高電圧用抵抗器の特性 株式会社日本ファインケム カタログ May. 10. 2010 受動素子 • コンデンサー – 文字表示 ： C , c – 単位 ： F 電解コンデンサー + – 記号 1 jC – インピーダンス Z(ω) ： – ラプラス変換したインピーダンス Z(s) ： • 電解コンデンサー + 1 sC コンデンサーの種類 – 電解コンデンサー • Al ： 箔、粉体（焼結） • Ta ： 箔、粉体（焼結） 誘電体 ： 陽極酸化膜 誘電体： 陽極酸化膜 – フィルムコンデンサ • • • • • マイカ 紙 ポリエステル ポリプロピレン その他 – セラミック – ガラス – その他（気体、真空、半導体等） May. 10. 2010 電解質 ： 湿式、固体、有機半導体 電解質 ： 湿式、固体、有機半導体 コンデンサーの構造・形状・特性 • 構造 – 機械的構造 • • • 単板型 積層型 巻き型 – 電極構造 – • 箔 • 蒸着 • 焼結 誘電体 • • • • • ： 無機フィルム（マイカ）、有機フィルム（ポリエステル、ポリプロピレン等）、紙 油、絶縁性の液体 セラミック、半導体、絶縁体 空気等、（真空）、 形状 ： 電子回路で使用される小型の物は形状の規格化が – リード線型 • • • フィルム 液体 ： 固体 ： 気体 ： アキシャルリード線型 ： 円筒型、円板型、角形 ラジアルリード線型 ： 円筒型、円板型、角形 – 表面実装型 サイズ – リード線型 • 誘電体、耐圧、構造で異なり千差万別 – 表面実装型 • May. 10. 2010 表面実装部品の標準サイズに準拠 コンデンサーの構造・形状・特性 • 温度特性 ： 1 ℃当たりの静電容量値の変化率 （TCR PPM/℃） – 誘電体の誘電率の温度変化と熱膨張で静電容量が変化する。 – 誘電体の種類で温度特性は非常に異なる。 • • • • 一般的には高誘電率系のセラミックコンデンサーは温度変化が非常に大きい。 フィルムコンデンサーやマイカコンデンサーは温度変化は小さい。 低誘電率系のセラミックコンデンサーは様々な温度特性のものがある。 使用目的に応じて温度特性を選択する必要がある。 • 電圧特性 – 電解コンデンサーには極性がある。 • 逆に接続すると壊れる。 – タンタル電解コンデンサーは瞬時に壊れる（ショートモード） アルミ電解コンデンサーはすぐには壊れない。 – コンデンサーの周波数特性は内部に存在するRとLの成分で決まる。 • 広い周波数範囲でインピーダンスを下げるには複数の種類と容量のコンデンサーを」組み合 わせて使用する – 高誘電率系のセラミックコンデンサーは電圧で静電容量が変化する。 • 電界で誘電体が歪むため • 歪みが元に戻る時電荷が生じる。 • 低誘電率系は歪みが小さい。 May. 10. 2010 高誘電率系セラミックコンデンサーの温度特性と電圧特性 日本ケミコン カタログ May. 10. 2010 受動素子 • インダクター（コイル） – 文字表示 ： L – 単位 ： H – 記号 – インピーダンス Z(ω) ： j L – ラプラス変換したインピーダンス Z(s) ： • コイルの種類 – 空芯コイル – 磁芯コイル • 鉄（合金を含む）芯 ： 多結晶、アモルファス • フェライト – トランス May. 10. 2010 sL コイルの形状と特性 • 形状 – 空芯型 • インダクタンスの大きさで形状は千差万別 – 数回巻きから数万巻以上まである。 – 線の太さ（電流容量）、電気抵抗などでも形状大きさが非常に異なる。 – 放射線計測の電子回路で使用する物は小型で抵抗器と同じ程度の大きさでインダクタ ンスはmH以下が多い。形状が同じであればインダクタンスが大きい物は電流容量は小 さい。 – 電流容量は線径と発熱で制限される。 – 磁芯型 • 同じインダクタンスならば空芯型よりも小型に出来る。 – 磁芯の飽和で電流が制限される。 » 電子回路の最大電流（瞬時値を含む）で飽和しない様に選択する。 • 磁芯の特性で高周波まで損失の少ないコイルや雑音電流を吸収するコイルもあ る。 • 磁芯コアの形状 – – – – – May. 10. 2010 ソレノイド（棒形 IE型 ツボ型 ： 漏れ磁場が少なく外部の磁場変化にも影響を受けにくい リング型 その他 （絶遠トランス等で使用しているロ字型など） 電子回路に使用されるインダクター • インダクターが使用されている回路 – 電源回路 • • 平滑回路 スウィッチング電源回路 – 同調回路 – フィルター回路 – 雑音フィルター回路 • • • – – – – 電源回路 入力（出力）信号回路 回路基板内の電源回路、入力（出力）回路、コントロール信号回路 インピーダンス整合回路 波形整形回路 磁場センサー、電流センサー トランス回路 • • • • • May. 10. 2010 インピーダンス変換、インピーダンス整合 電圧変換 極性変換 直流遮断 入出力絶縁 受動部品の選定 • 受動部品は回路の特性に直接関与するのでその性質は完 全に把握する必要がある。 • 回路の特性は能動部品の特性が直接表に出ない回路構成 （負帰還回路）にして受動部品の特性だけで回路の特性が 決まる様にする。 – 能動回路の非線形性が無視出来る状態にする事で受動部品の線形 性だけで回路の特性を記述する。 • 受動部品の線形性は一定の条件下で満たされる。 – 温度、圧力、歪み、浮遊素子（LCR等）、・・・ • 受動部品は同じ電気的な特性でも様々な形と大きさがある。 • 特定の特性を持つ部品は少量では入手しにくい。 • 特性が明確でない部品は使用するべきではない。 May. 10. 2010
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