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電気のおはなし
私たちの生活から切り離せない存在、「電気」。 電気が循環する回路の種類や、電気の測定、電気用品、発電、電源など、 電気にまつわるあらゆる基本的な事項をご紹介していきます。
第1章 電気回路

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。 充電できない乾電池のような一次電池は、二次電池に比べて安価なのでモータで動く玩具とか懐中電灯などに幅広く使われています。 これら電池の基本となるセルの電圧は低いものが多いので高い電圧で動作する負荷にはセルを直列に接続して電源として使います。 一方、発光ダイオードLEDのように低電圧で動作する負荷素子を高圧電圧の電源で動作させるときには、素子を何個か直列に接続して使います。 これから電源や負荷に使われている直列回路の実例を見ていきましょう。

直列回路の例

○乾電池の電源

乾電池一個の電圧は低いので3Vの電源電圧が必要な時には2本、6Vの電源電圧が必要な時には4本など何個かの電池をホルダーにいれて直列に接続して使っています(図1)。 最近は低電圧でも動作する集積回路やモータが増えてきたので直列に接続する電池の本数も減少傾向になっています。

  • 図1:3V用電池ホルダーの例
  • 図1:3V用電池ホルダーの例
  • 図1:6V用電池ホルダーの例
  • 図1:6V用電池ホルダーの例

図2:6V用電池ホルダーの直列接続と回路記号

図2:6V用電池ホルダーの直列接続と回路記号

○LEDイルミネーション

木々に巻き付けてクリスマスツリーを演出するイルミネーションには豆球に代わって発光色が豊富で発熱も少ないLEDが使われることが多くなってきました。 このような用途で商用電源100Vを整流した直流電源を使うときには数十個のLEDを直列に接続して点灯させます(図3)。 LEDの寿命を延ばすには直流電源に直列に電流制限抵抗などの電流制限回路を入れて定格の電流値以下で動作させます。

図3:直列接続されたテープLEDとその直列回路図

図3:直列接続されたテープLEDとその直列回路図

○電気自動車(EV)の電池電源

電気自動車の電源は外部の充電スタンドから充電できる大容量で高圧の充電池です。充電池の基本となるセルは、3.7V前後の低電圧です。

日産自動車のリーフではセルの電圧は3.75Vです。このセルを4個2並列2直列に接続しケースに収納し、15Vを出力するのがモジュールです。 モジュールを48個直列に接続し、DC360Vの高圧を供給するのがパックです(図4、5、6)。

  • 図4-1:セル 3.75V
  • 図4-1:セル 3.75V
  • 図4-2:モジュール 7.5V(2並列2直列)
  • 図4-2:モジュール 7.5V(2並列2直列)

  • 図4-3:パック 360V(7.5V×48)
  • 図4-3:パック 360V(7.5V×48)

図4 日産自動車「リーフ」充電池の構成 ※24kWhモデルの場合 (出典:オートモーティブエナジーサプライ株式会社HP)


  • 図5:日産自動車「リーフ」のカットモデル
  • 図5:日産自動車「リーフ」のカットモデル
  • 図6:充電池パック内部の写真
  • 図6:充電池パック内部の写真

○自然界の直列回路

落雷は、雷雲中の摩擦で発生し、蓄えられた高圧のマイナス電荷が一気に地上のプラス電荷へ向けて放電される現象です。 このとき雷雲と大地の間には一瞬、直列回路が形成されます。落雷には、次の図に示す直撃雷、誘導雷、逆流雷の三種類があります(図7)。

  • 直撃雷
  • 直撃雷
  • 雷雲から高い木、建造物、アンテナ等を直撃して、落雷大電流が建造物を伝って大地へと流れる雷。
  • 対策
  • 高所に設置した避雷針で直撃雷を受け止め、落雷大電流を接地極から大地へと拡散して流します。

  • 誘導雷
  • 誘導雷
  • 落雷大電流や雷雲間の放電などからの誘導作用により通信線や電力線にサージ電圧やサージ電流を発生させる雷。
  • 対策
  • 誘導雷による被害発生率は高いので避雷器を電気機器、電子機器、通信機器等に挿入して機器を守ります。

  • 逆流雷
  • 逆流雷
  • 落雷電流が大地から接地線を通って機器へと逆流を起こす雷。侵入雷、接地雷サージともよばれています。
  • 対策
  • 避雷針の接地極と電気機器、電子機器、通信機器等の接地極の間に逆流が起こらないように施工します。

図7:落雷の種類


○自然界の直列回路

直撃雷に対しては避雷針を設置して先端のとがった突針からプラス電荷のお迎え放電を発生して雷雲から降下してくるマイナス電荷との間に落雷を誘導します。 落雷した雷電流は、避雷針から接地線を通して大地へと導いて拡散されます(図8)。

図8:落雷抑制避雷針と今までの避雷針

図8:落雷抑制避雷針と今までの避雷針

避雷針から大電流を接地線へ流すと近隣の電源線や通信線にサージ電流が発生して情報機器に被害を及ぼすことがあります。 この被害を避けたい場合には、保護対象範囲への落雷を抑える落雷抑制避雷針を設置します。 誘導雷や逆流雷に対してはSPDとかアレスターよばれている避雷器を電源線、通信線に設置して、雷電流を接地線から対地へ流すと同時に電子機器や電気機器に高圧が印加されるのを抑え、機器を保護します(図9)。

図9:様々な避雷器製品

図9:様々な避雷器製品

○直列回路のまとめ

直列に接続された電源と直列にされた負荷の電圧と電流がどうなるかを表にまとめてみました。

直列回路のまとめ

  直列回路
電源 負荷
電圧値 各電源電圧を加算 負荷値に応じて分圧
電流地 負荷電流と同じ 電源電流と同じ
執筆:常深 信彦

『電気のおはなし』の目次

第1章 電気回路

第2章 電気の測定

第3章 回路計

第4章 電気用品

第5章 発電

第6章 電源装置

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