コイル 電流 巻き数

また、巻き線の太さや巻き数などでも磁界の強さが変わります。微弱な信号から、送電線に使われるような大きな電気まで扱うことができます。 図3：巻き線による磁界. コイルをたくさん巻くと、一本の巻き線を流れる電流は巻いた数だけコイルの周りを回ります。 だから100ターンより1000ターンの方がコイル芯を取り囲む電流は10倍多くなります。 だから磁場は強くなります。 これで解るでしょうか。 トランスでは、巻き数の大きなコイルに電流を流して生み出した磁力の変化を、近くの小さな巻き数のコイルが影響を受けることによって大きな電圧を発生させ、電圧を上げることができます。 電源回路用に電圧を変換するだけでなく、中間周波信号を取り出す「ift 一般の電源は交流回路ですから、電子回路を動かすためには電流を整えるための平滑回路を通す必要があります。この平滑回路の中にインダクタが使用されるのです。また高周波の交流を通さない性質がノイズの除去にも役立ちます。電源回路に使われるインダクタは主にパワーインダクタやチョークコイルと呼ばれています。巻線インダクタは、最初に解説したような導線をらせん状に巻いた、コイルの形に最も近いインダクタです。中が空洞になっているインダクタもありますが、ミシンで使うボビンのような芯（コア）に導線を巻き付けてあるものもあります。用途やインダクタンス値によって、多彩なサイズや形状があります。インダクタは私たちの暮らしの中のさまざまな場所で使われています。また用途に応じ、変圧器の例のように、コイル、ソレノイド、ラインフィルタなどさまざまな呼び方をされています。下記に代表的な呼び方を紹介します。トランスでは、巻き数の大きなコイルに電流を流して生み出した磁力の変化を、近くの小さな巻き数のコイルが影響を受けることによって大きな電圧を発生させ、電圧を上げることができます。この逆転が起こる周波数を自己共振周波数と呼びます。自己共振周波数に近い周波数の電流が流れる際、インダクタ内のインダクタとしての性質とコンデンサとしての性質が、互いに打ち消し合う現象が発生します。そのためインダクタのインピーダンス（交流回路における抵抗値）が下がり、多くの電流が流れるようになります。この性質を利用し、高周波回路用のインダクタは、特定の周波数を持つ信号を取り出す目的で使用されます。c2003-2020 MATSUSADA PRECISION Inc. ALL RIGHTS RESERVED.インダクタはコイルと同じ構造ですが、インダクタと呼ばれるものは、巻き線が1つ（1巻き）のものがほとんどです。導線のみを巻いたものや、巻いた導線の中にコアがあるものなどがあります。インダクタの作用は巻数や半径の2乗に比例し、長さに反比例します。電柱などに設置されたトランス（変圧器）にもインダクタを利用しています。変圧用ではインダクタとは呼ばず、コイルと呼ぶことの方が多いです。コイルに交流電圧を加えると、中を流れる電流が変化するため磁力が変化し、この磁力によって周りのインダクタが影響を受け電圧が発生する。このような作用を「相互誘導」と呼びます。インダクタは抵抗（R）、コンデンサ（C）と同じ受動部品と呼ばれ、「L」と表示される電子部品です。電流を一定に保つ働きを持ちます。インダクタの能力は「インダクタンス」で表します。単位はヘンリー（H）です。コンデンサはインダクタとは逆で、直流電流を通さずに交流電流を通す性質を持っています。そのため周波数が低いうちはインダクタの性質が勝るのですが、ある一定の周波数を超えるとコンデンサとしての機能がインダクタの機能より勝ってしまい、インダクタとして使用することができなくなってしまうのです。ドーナツ状の強磁性体をコアに用いたコイルをトロイダルコイルと呼びます。棒状のコアを用いたコイルと異なり、巻線内の磁束が外に漏れが少なくなります。そのため安定性・再現性が高く、高周波回路に多く用いられます。主に電源回路に使われるインダクタをチョークコイルと呼ばれています。交流電流を一方方向の電流に整えたり、ノイズを取り除いたりします。電磁石になったインダクタに磁石を近づけたり遠ざけたりすると、インダクタの磁界が変化します。すると、磁界の向きや勢いを保とうするような「変化に逆らう力」を発生させるために電流が流れます。これを「電磁誘導」と言います。高周波回路用のインダクタも、基本的な仕組みや考え方は電源回路用のインダクタと同様です。しかし無線LANなどの通信用に多く使われる高周波回路は数10MHzから数GHzまでの高周波数帯域ですので、このような回路では通常のインダクタは使用できません。そのため一般的なインダクタよりも性能（Q値：Quality factor）の高いインダクタが使用されます。松定プレシジョンの製品は回生機能を備えた高性能双方向電源装置を取り扱っています。一方で、交流電流を流した場合（図③）、電流が0から上昇する時は電流の変化率が最も大きいため電圧は大きくなります。電流の上昇速度が遅くなるに従い電圧は低下し、電流が最大になった時点で電圧はゼロとなります。続いて主なインダクタの分類と特徴を解説していきましょう。いろんな分類方法がありますが、ここではまず、巻線の構造によって分類をしておきます。積層インダクタはフェライトやセラミックと、コイルパターンを交互に積層したものです。コイルパターンは導線を巻くのではなく、フェライトなどの上に導体をスクリーン印刷しています。これを何層も重ねることでコイルのような性質を持たせるのです。一方でその構造から内部にコンデンサ成分を持つことにもなります。前述の通り、インダクタは直流電流を通しやすいですが、交流電流を通しにくい性質があります。また交流電流を通す際にはその波を抑えて、より平滑な電流に変えて流す性質があります。このことから、インダクタは直流電流で動く電子回路の電源回路に使われます。2つのチョークコイルが一体化したような形をしているのがコモンモードフィルタの特徴です。USBやHDMIなどのデジタルインターフェースでノイズを取り除く役割をしています。理想的なインダクタはインダクタンスの機能のみを持つことですが、現実には内部や端子の抵抗があり、コイル同士がコンデンサの電極のような作用を持ってしまう分布容量なども持ってしまいます。なお、回路図のようにインダクタに直流電流を流した際（図②）には、電流の流れ始めに電流を妨げる方向の起電力が発生します。この性質を自己誘導作用と呼びます。しかしその後、直流電流が一定値に達することに伴い磁束の変化がなくなるため、起電力は発生しなくなり、電流の妨げがなくなる性質があります。大きな電流を流さなければならない回路や、高いインダクタンス値が必要な場面に向いています。電源回路用に電圧を変換するだけでなく、中間周波信号を取り出す「IFT」のようにラジオや無線回路に使用されるものや、音声周波信号を変換する「オーディオトランス」などの種類があります。電流が最大値から下がりを始めると、マイナスの電圧が発生し始め、電流が0になった点で電圧は最低となります。ここで電圧と電流の波形を見ると、1／4遅い位相の起電力が発生することになります。まずは簡単にインダクタの原理について説明しましょう。電流が導線の中を流れると、周りには右ネジの方向に磁力が発生します。同じ方向に導線を巻き付けたインダクタに電流を流すと、電線の周囲に生じる磁界が束ねられ、電磁石になります（図①）。逆に、磁力から電流を生み出すことも可能です。インダクタに発生する起電力は、電流の変化率（ΔI /Δt）に比例します。そのため直流電流に比べ、交流電流は通りにくくなります。さらに交流の周波数が一定の値を超えると、起電力によって常に電流が妨げられるようになり、電流は流れなくなります。よって交流電圧の周波数が高いほど流れにくくなります。 ・コイルとしたときの耐熱温度はどれぐらいか ・流す電流は、直流か交流か ・直流の場合、最大どれぐらいの電流を流すのか ・交流の場合、周波数はどれぐらいか、表皮効果を考慮するかどうか ・絶縁層がハンダの熱で溶けるかどうか 図16では、電流立ち下り時における時定数の考え方です。電流OFF時は、電流の急激な変化により、自己インダクタンスが作用します。SWをOFFにしても、磁界エネルギーが残っているため、電気エネルギーとして放電すると言った方が分かりやすいかもしれません。これも、63.2％減衰したところまでの時間を時定数1τとする考え方です。この時、この発生した磁界の増加に伴い、打ち消す方向に電圧が発生します（図7）。動画では、10オームの抵抗と100uHのコイルを2つ使っています。この時定数を求めてみましょう。回路のインピーダンスを正確に測ることは易しいことではありません。浮遊容量の影響や測定誤差など、測定結果によりばらつきが出てしまうものです。今回は、この難しいインピーダンス測定を、LTspiceとADALMを使用して、できるだけ正確に測定するための方法を学びましょう。コイルは、抵抗やコンデンサなどとも合わせて、様々な信号を除去したり取り出したりすることができます。ノイズ対策や、今後の講座で解説するLPFやHPFにとても影響を与えます。コンデンサは、電界をベースとしていますが、コイルは磁界をベースにしています。コンデンサの場合と少し異なるのが、コイルは直流や低い周波数の場合には通りやすいのですが、周波数が高くなってくると、自己インダクタンスの影響で電圧を減衰するように働きます。電圧が減衰すると電流も減衰しますので、フィルタとしての機能となります（図10）。回路におけるコイルの挿入の仕方で、LPFやHPFになります。今後のフィルタの解説のところで、改めて、説明していきたいと思います。コンデンサの時定数では電圧が関係していましたが、コイルを含んだ回路の場合、電流も時定数に関係しています。コイルの場合も、目的の電流に達するまでに時間がかかります（図14）。図3は、図2-(b)の小さな磁界がまとまって合成された磁界の様子です。コイルの中を磁界が貫通するように形成されます。このように電流を流して磁界が作られるものは、電磁石と呼ばれています。電磁石は、電流の流れる向きによりN極やS極を切り替えることができます。モータなどはこの仕組みを最大限活用しています。この電磁石も抵抗やコンデンサ（容量）と同じように磁石の強さを示す単位があります。その単位はH（ヘンリー）として表されます。パーツの大きさや使われている素材により、磁界の強さが変わります。概ねuH（マイクロヘンリー）のラインアップが多く、鉄や磁性体がコイルの中に使われていると磁界の大きさも変わってきます。また、巻き線の太さや巻き数などでも磁界の強さが変わります。微弱な信号から、送電線に使われるような大きな電気まで扱うことができます。組み込みシステムの基礎から応用まで「知る」「学ぶ」「動かす」をテーマとする半導体専門技術コンテンツ・メディア図19は、動画の中でも使用している時定数を計測するための接続方法です。ここからは、コイルの自己誘導に伴う過渡現象を見ていきましょう。まずは、抵抗とコイルが直列につながった直列回路（RL直列回路とも言います）を用いて考えてみます（図4）。冒頭の動画では、10オームと200uHのコイルをつないでいます。コイルに極性はありません。ADALM1000とADALP2000で使用可能な組み合わせを選びました。この組み合わせは、ADALM1000のスペック内で使用できる組み合わせになっています。これ以外の組み合わせでは、周波数が高すぎるか、電流が大きくなりすぎます。安全に使うには、mH（ミリヘンリー）単位のコイルを買ってくるのがいいと思います。図1の緑色にコーティングされているコイルが、22mHのコイルです。式2：コイルの電圧を求めるための式（自己インダクタンスの求め方）電源を切った瞬間や、車のイグニッション時にも大きな電流が流れるのはこのためなのです。逆起電力が発生するのは、電流が変化している時のみで、一定の電流になると逆起電力はなくなります。つまり、前回（第7回：コンデンサの役割）定常状態の説明をしましたが、定常状態になるとコイルの磁力の変化がなくなるので、安定した磁力を持ち続けます。コイルは、電流の変化がとても嫌いなのです。バンドパスフィルタ（BPF：Band Pass Filter）は、周波数の範囲を決めて、その周波数のみを通過させるフィルタ回路です。この講座では、バンドパスフィルタの構成と範囲の決め方をLTspiceとADALMで学びましょう。コンデンサの場合と違って、コイルの場合は、コイルに含まれている抵抗成分も抵抗として計算する必要があります。動画の中では、オームメーターを使用して抵抗値を計測しています。今回は11.18オームと計測できました。コイルは200uHなので式1から時定数を求めると、17.88usという時定数が算出されました。追従可能な周波数は約5.6KHzです。動画の中では、6KHzを超えると徐々に追従できなくなり、波形が減衰していく様子をご覧いただけます。最後に、過渡状態における抵抗の電圧を求めてみましょう。これまでの式の結果から求めることができます。ここで、この回路に図11のようなタイミングで電圧を与えます。ちょうどSWをONにしたような状態と考えてください。その時の回路は、図12のようなイメージです。動画の中では実際にSWは使っていないので、直接ジャンパー線をつないだり外しています。用途によってさまざまですが、共通していることは電気を通すと磁石になるということです。図2-(a)のように、銅線に電流を流すとその周りに磁界が生じます。流す電流の向きにより磁界の方向も決まっています。これを「右ねじの法則」と呼んでいます。図2-(b)のように線を巻いた形状にすると、小さな渦巻の磁界が形成されます。この場合も右ねじの法則に従って、磁界が作られます。SWをONにした時の波形を図にしました（図13）。コンデンサと同様に、コイルを含んだ回路においても定常状態と過渡状態が存在します。コイルの場合は磁界が深く関連してきますので、もう少し掘り下げていきます。1KHzは、1msです。これは、波形としての時間なので、時定数の10倍に相当すると考えて、100usが求める時定数になります。今回は、100オームの指定があるので、求めるコンデンサの容量は1uFとなります。もちろん、もう少し小さい容量であれば、十分な時間が確保できます。次に、図4の回路を、キルヒホッフの法則を使って式を組み立てて、電流を導き出します。コイルとは、銅線を巻いてある受動素子です。普通に考えればただの線材なのですが、なぜかクルクル巻いてある線に電気を通すと磁石に変貌してしまうのです。このコイルを上手に扱えるようにすると、電子回路の働きや不可解な現象の対策の手掛かりが見つけられるようになります。この講座では、コイルの働きや性質を理解して、過渡状態におけるコイルの動きを理解しましょう。今回は、コイルの理解と抵抗を含んだRL直列回路における「過渡現象と時定数」について学びました。今回学んだ内容は、フィルタ回路などに応用することができますので、しっかり基礎力を学んでおきましょう！Let’s Try Active Learning!今回の講座は、以下をベースに作成いたしました。さて、ここまで時定数と周波数と電流の関係を見てきました。動画の中では、実際のパーツを使って時定数や電流の変化をAlice Desktop Toolを使用して確認してきました。ただ、若干の誤差はあります。上記に求めた時定数17.88usという数ですが、この値もADALM1000内部の温度や、室温、抵抗の誤差、コイルの温度、オームメータのキャリブレーションの要因で、常に同じ値とは限りません。これも計測系における誤差の一つと言えます。これらを考慮して実際に体験してもらうのが、本講座の有効な活用方法です。図5は、右ねじの法則に従って巻き線に電流を流すと、貫通するように磁界が形成されます。図15では、電流が立ち上がった時の時定数のイメージです。自己インダクタンスの影響で、ゆっくり立ち上がります。最終的には十分な電流を流せなくなり、半分の電位に収束します（図18）。この動きはローパスフィルタの動きになりますが、ローパスフィルタについては今後の講座で解説します。ここでは、これまでの動きを実際に計算してみましょう。時間とともに変化する電圧および電流を計算できれば、最適な回路ができます。今回も微分であったり積分といった公式を使いますので、しっかり学びましょう。今回の講座の内容を理解するために、下記の2問に挑戦してみてください。答えは、次回のこのコーナーでお伝えしますよ！電源をONにした瞬間から電流が流れ始めますが、最大電流に対してコイルの自己インダクタンスが打ち消す方向に作用するため、立ち上がりまでに時間がかかります。この立ち上がり時間が、最大電流値に対して約63.2％のところまで要した時間τ（タウと呼びます）を「時定数」といいます。また、この時定数の5倍（5τ）の時間になると、ほぼ安定した状態になると考えることができます。立ち下がり時には、最大電流から、63.2％まで減衰したところが時定数としています。下記に、コイルの時定数を求める式を示します。波形が減衰していく理由は、自己インダクタンスの影響で、電流が打ち消されていることを意味しています。周波数が高くなれば、十分に電流が流れて安定する前に波形が変化するのと、時定数が長いため周波数変化に対応できなくなってくると考えることができます。この現象を「レンツの法則」といいます。ここで発生した磁界に起因した電圧が発生します。この電圧のことを「逆起電力（ぎゃくきでんりょく）」といいます。逆起電力が発生すると、さらに磁界も反対向きに発生します。これらの一連の動きを「自己誘導（じこゆうどう）」と言います。その大きさは、「自己インダクタンス(V)」で表されます。磁界が急激に変化すると、逆起電力も大きくなります（図8）。RCローパスフィルタが2つカスケード接続されている場合、1つの場合よりも遮断する信号レベルをより抑えることができます。イメージでは理解しやすいと思いますが、計算式では少し難しくなります。簡単に見えて、なかなか理解しがたいカスケード接続のフィルタ回路。今回は、このカスケード接続されたLPFの特性変化をLTspiceとADALMで理解しましょう。コイルは図1のようにくるくる巻いてある素子ですが、この素子に、電圧をかけて電流を流して使うのが一般的です（図4）。この電流について、もう少し具体的な動きを見てみましょう。まずは、図20のコイルの電圧式（自己インダクタンス）を導いておきます。また、円形の磁石や磁性体に、図9のように2つのコイルを形成することで、「相互誘導（そうごゆうどう）」という現象が発生します。自己誘導に働きは似ていますが、1次側と呼ばれるコイルで発生した磁界が、2次側と呼ばれるコイルに影響を与えます。この時の磁界の強さは、コイルに巻いてある線の巻き数の比率（1次側の巻き線と2次側の巻き線の比率）で決まります。一般的には、トランスとか変圧器と呼ばれたりしています。この講座では、これ以上の細かいことは省略しますが、とても奥が深い挙動をするコイルをじっくり勉強してみるのも面白いと思います。

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