電気のおはなし
1-3 交流回路とは
交流波形をした電圧や電流が電源から負荷に流れているのが交流回路です。同じ波形を繰り返す交流波形には商用電源に使われている正弦波、一定周期で動作を繰り返す回路の掃引など使われている鋸(のこぎり)波、デジタル回路のクロックなどに使われている矩形波、など多くの種類があります(図1)。
図1:交流波形の種類
- 正弦波
- 鋸波
- 矩形波
一番よく利用されている交流が正弦波形をした商用電源です。交流発電所から工場、デパート、ショッピングモールなど大口需要家、そして一般家庭、商店などの小口需要家へと送電されていきます。この商用電源の送電路は、大規模な交流回路の一部を構成しています。
交流商用電源は、発電機の回転子が回転して発電されているので1秒間に正確な回数を繰り返すつぎの図のような正弦波になります (図2)。この繰り返し周波数をヘルツ(Hz)とよんでいます。 明治時代に導入された交流発電機の発電周波数が地域によって異なっていたため50Hzと60Hzの二つの周波数が日本の商用電源には存在することになり現在に至っているのです。
図2:商用電源の波形と時間
交流は、トランスの一次側と二次側の巻き数比で電圧を高めたり低めたりすることが直流より簡単にできます。 そこでこのトランスを使って高圧に昇圧した電力を遠距離まで損失を少なく届けることができます。 需要家の近くで今度はトランスを使って降圧して給電することができます。 配電が開始された当初に主流だった直流送電システムは、 損失を抑えるために需要家の近くに発電所を設けねばならないというネックがあり、交流送電システムが確立されると直流から交流へとその座を譲り渡していきました。
この交流送電システムや電磁気学分野へ多大な貢献をした二コラ・テスラ(1856~1943)に対して米国の電気電子情報学会IEEEはマイルストーン特別賞を2006年に贈り、栄誉をたたえました。
一般家庭やオフィスでは多くの電化製品のプラグをコンセントに差し込んで使っています。電化製品のスイッチを入れて交流が流れて動作を開始すると商用電源と電化製品の間には交流回路が形成されています。
よく使われている便利な配線器具にテーブルタップがあります。 このテープルタップは、欧米ではパワーストリップとかパワーアウトレットと呼ばれることが多いようです。 デスクトップのパソコンの後ろ側をみるとプリンター、ディスプレイ、モデムなど多くの周辺機器のプラグがテーブルタップに差し込まれているのをよくみかけます(図3)。ここでは多くの交流並列回路が形成されています。
図3:たこ足状態のテーブルタップ
このようなたこ足状態の使い方はごみがたまりやすく見栄えもよくありません。そこでディスプレイの筐体中にパソコン基板、DVDなどをすべて収納して配線をすっきりさせたノートパソコンを大きくしたようなディスクトップパソコンも商品化されています。
交流は直流のように電池に蓄えておいてバックアップすることができません。 そこで瞬停や短時間の停電が発生したときにも処理作業の継続やデータの保管が求められる用途ではパソコンやサーバーの電源にUPS(無停電電源装置)が使われています(図4)。 UPSでは商用電源の正弦波停止を検出すると瞬時にACスイッチを商用電源側から蓄電池駆動のインバータ側へ切り替えて負荷へ商用電源と同じ電圧、周波数をした交流を供給し、停電による障害発生を防止します。 このようにUPSは交流回路の信頼性をバックアップしているのです。
UPSで使われている蓄電池には寿命があります。年月が経過するにしたがい電気を蓄えられる量が徐々に減少するという劣化現象が蓄電池内で進行していきます。 交換時期がわかるバッテリーの寿命チェッカーが付いているUPS製品を選択されることをお勧めします。
図4:UPSの構成/UPS内蔵蓄電池の例
『電気のおはなし』の目次
第1章 電気回路
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1-1回路とは漢字が示す通り、回って戻って来る路が回路です。回路を循環しているものが電気なら電気回路、電子なら電子回路になります。
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1-2回路の種類電気回路には大電流、大電力の発電系、送電系からの大工場、大型ショッピングモールなどの受電系、一般家庭の受電系、パソコン、スマホなどのプリント基板のパターンを流れる小電流回路、ICやLSI内部の微小電流まで扱う電流の大小により多くの種類があります。
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1-3交流回路とは交流波形をした電圧や電流が電源から負荷に流れているのが交流回路です。
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1-4直流回路とは直流電源を使用している回路や部品、機器、設備の内部には直流回路が形成されています。直流電源には直流発電機、電池、交流から直流に変換する電源アダプターなど多くの種類があります。
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1-5並列回路とは工場の電動機や照明等の負荷への配線、オフィスの複写機、パソコン等の負荷への配線、住宅内のエアコン、家電品等の負荷への配線など電力会社から受電した電気を負荷へ供給している配線回路のほとんどが並列回路を形成しています。
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1-6直列回路とはスマホ、ノートパソコンなどの携帯電子機器ケースの内部には充電できる二次電池のホルダーが収納されています。 中
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1-7分岐回路とは退避線のある駅に各駅停車の電車が近づくと本線から分岐された線路を通って目的のプラットホームへと向かい停車します。
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1-8遮断回路とは地震や火災、風水害が発生した時や保守点検、工事安全確保が必要な場合や目的に達した時に電路と切り離し動作を行う回路に遮断回路があります。
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1-9プリント配線板とは電子回路や電気回路の配線の一部を印刷して展開した板をプリント配線板とよんでいます。
第2章 電気の測定
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2-1電気回路測定の心得電気回路の測定に入る前に測定する周囲の電場環境や磁場環境など周囲環境が電気回路や電子回路にどのような影響を与えているのかを調べておきたいと思います。
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2-2電圧の測定電圧の測定器はメーターの針で測定値を示す指針型のアナログ計器とLEDや液晶の表示器に測定値を数字で示すデジタル計器とにわけられます。
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2-3電流の測定電圧の測定で紹介した回路計(マルチメータ)の電流測定機能と測定範囲は機種によって異なっています。
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2-4抵抗の測定抵抗測定というと、Ωレンジへ切り替えて測定するテスタ、マルチメータをイメージしてしまいがちです。
第3章 回路計
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3-1テスター(回路計)とはテスターは、機種により装備している機能が異なりますが電気回路、電子回路の電圧や電流、電子部品の抵抗、容量などが手軽に測定できる便利な測定器です。
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3-2アナログテスターの使い方アナログテスターの電圧や電流の測定では測定部位にテストリードのテストピンをあてがいます。テストピンで取り出された電圧や電流は、切り替えつまみ
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3-3デジタルテスターの使い方デジタルテスターでも電圧や電流の測定ではアナログテスターと同じく測定部位にテストリードのテストピンをあてがいます。テストピンで取り出された電圧や電流は、切り替えつまみで切り替えられたスイッチ回路を通してAD変換器を中心とするLSIと周辺回路へ送られます。
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3-4自動車用テスターとスキャンツール現在の自動車は電気回路や電子回路やマイコン、センサーにより電子制御されています。今後、自動運転化が進むにつれてこの電子制御化傾向はさらに加速していくものと思われます。
第4章 電気用品
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4-1電気回路と関係のある法律とマーク電気回路と関係がある国内と海外の安全に関する法律や安全マークに数回にわたって解説していきます。
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4-2JIS日本工業規格とは今回は、電気回路に関係している電気設備、電気用品、電気部品、電気材料や機械部品などの標準化を定めている日本工業規格(JIS:Japan Industrial Standards)(以下JIS)について調べていきましょう。
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4-3電波法と技適マークについて電波を公平かつ能率的な利用を確保することによって、公共の福祉を増進することを目的として定められたのが電波法です。多くの政令や省令に詳細が定められています。
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4-4人工知能(AI)とは準備中
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4-5CEマーク準備中
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4-6ULマーク準備中
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4-7CSAマーク準備中
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4-8FCCマーク準備中
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4-9VCCIマーク準備中
第5章 発電
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5-1発電の種類準備中
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5-2水力発電準備中
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5-3風力発電準備中
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5-4火力発電準備中
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5-5地熱発電準備中
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5-6バイオマス発電準備中
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5-7原子力発電準備中
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5-8内燃機関発電準備中