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2章 電気の測定

2-2 電圧の測定

1.電圧の測定

○電圧測定用の計器

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。

計測場所に携帯でき、レンジ切替スイッチを切り替えることにより直流電圧、直流電流、交流電圧、交流電流、抵抗、容量等の測定機能を有する計器にテスター(回路計)があり、マルチメーターともよばれています。

一方では直流電圧測定用、交流電流測定用などと測定対象が決まっている専用計器もあります。

制御盤とか監視盤などの盤面に取り付けられる測定計器はパネルメーターとよばれており、アナログ表示とデジタル表示の計器があります。数字の表示器には自己発光のLEDと液晶(LCD)があります。

表示器は時代とともに変遷してきているので映画やテレビの中でレトロな時代感覚を演出するためにニキシー管とよばれる放電管を表示器に使ったパネルメーターや時計が使われていることがあります。

電車や自動車のインパネに埋め込まれている計器には丸型のアナログ計器が好まれる傾向にあります。

図1 指圧式テスターとデジタルテスター

図1 指圧式テスターとデジタルテスター

図2 指針式電圧計とデジタル表示電圧計(LCD表示とLED表示のパネルメーター)

図2 指針式電圧計とデジタル表示電圧計(LCD表示とLED表示のパネルメーター)

図3 12V・自動車と電車・運転台の丸型指針式電圧計

図3 12V・自動車と電車・運転台の丸型指針式電圧計

○直流電圧の測定

デジタルテスターの直流電圧レンジを使ってLED懐中電灯を点灯させた状態の電気回路の各部の直流電圧を測定し、LEDを流れる電流と電池の内部抵抗を求めてみましょう。

LED懐中電灯の電源となる電池ボックス内部では、単三乾電池が3本直列に接続されています。

  • 測定手順
  • テスターのレンジをDCVに切り替えます。
  • スイッチSWをONします。
  • 赤(+)のテスター棒の先端を測定対象の+側に、黒(−)のテスター棒の先端を測定対象の−側の充電部に接触させます。(間違って+側と−側を入れ替えて接触させて測定したときには−が先頭に表示されます。)
  • 表示された直流電圧値を読み取ります。

測定結果の利用

・LEDに流れている電流値を求める。

LEDに直列に電流を制限するための抵抗が入っています。この抵抗のカラーコードは順番に茶、黒、黒となっていますので10オームと読み取ることができます。

この抵抗Rの両端にテスター棒をあてて電圧Vrを測定します。スイッチをONさせてLEDを点灯させると電池から抵抗Rを通って順方向電流(If)が流れます。抵抗RとLEDは直列回路ですので両方に同じ値の電流が流れています。そこで測定した電圧Vrからオームの法則を使って電流値Ifを求めることができます。

この測定では、Vrがほぼ1.2Vで、Rが10ΩなのでIf=Vr/R=1.2/10=0.12となりますので、LEDを流れている電流はほぼ0.12A (120mA)と求めることができます。

・電池の内部抵抗を求める。

三個の電池は、直列接続されていますのでLEDと同じ値の電流0.12Aが流れています。

電池b1の内部抵抗r1は、r1=Vd1/If=0.018/0.12=0.15となり、ほぼ0.15Ωとなります。

電池b2の内部抵抗r2は、r2=Vd2/If=0.057/0.12=0.475となり、ほぼ0.48Ωとなります。

電池b3の内部抵抗r3は、r3=Vd3/If=0.28/0.12=2.333となり、ほぼ2.33Ωとなります。

電池残量が少なくなるにつれて電池の内部抵抗は高くなっていき、電池電圧も低下していきます。電池残量表示と警告のついている機器では、電池電圧が低下しすぎると電池残量を測定して警告をだす回路が動作できなくなってしまうので回路動作の限界電圧になる前に電池残量の警告を出すように設定されています。

図4 LED懐中電灯の回路図と測定電圧

図4 LED懐中電灯の回路図と測定電圧

スイッチ 電池電圧 R電圧 LED電圧
Vb1 Vb2 Vb3 Vr Vd
OFF 1.622 1.352 1.081 0 0
ON 1.606 1.295 0.801 0.41 3.3
電圧差 0.018 0.057 0.28   
電流制限抵抗R 10.1Ω
順方向電流If 41mA

お願い:電池交換をされるときには、残量が同じ新品の電池と入れ替えるようにしてください。

(この測定では、比較のために残量が異なる三本の電池を使用しています。)

  • 図5 LEDランプ基板
  • 図5 LEDランプ基板
  • 図6 LED懐中電灯の内部構造と配線
  • 図6 LED懐中電灯の内部構造と配線

○ 交流電圧の測定

電線は抵抗成分を有しているので長い配線に大電流を流すと配線の両端に電圧降下が発生します。 ここではデジタルテスターの交流電圧レンジを使ってオーブントースターのプラグをテーブルタップに差し込み、テーブルタップのプラグは壁面コンセントへ差し込み、通電した時の壁面コンセントの交流電圧とテーブルタップのコンセントの交流電圧を測定し、テーブルタップに使われているコードの抵抗を求めてみましょう。

  • 測定手順
  • テスターのレンジをACVに切り替えます。
  • 赤のテスト棒の先端と黒のテスト棒の先端をプラグを空いている壁面コンセント口に差し込みます。オーブントースターのW切替スイッチの設定をしてからタイマーをONにしてヒーターに通電します。
  • この状態で表示された壁面コンセント(交流電源側)の交流電圧値を読み取ります。
  • つぎに同じように二本のテスト棒の先端をテーブルタップの空いているコンセント口に差し込みます。オーブントースターのW切替スイッチの設定をしてからタイマーをONにしてヒーターに通電します。
  • この状態で表示されたテーブルタップコンセント(負荷側)の交流電圧値を読み取ります。

測定結果の利用

・テーブルタップコードの抵抗値を求める。

1000Wに設定して通電した時の壁面コンセントの交流電圧Vaは99.1V、タップコンセントの電圧Vbは98.2Vと測定されたので3m長のコード間の電圧差Vcは0.9Vとなります。交流電流値Iは、別途測定した結果から約10Aなのでコードの抵抗値Rbは、Rb=Vc/I=0.9÷10=0.09 となり、0.09Ωと求まります。

(負荷の交流電流値Iの測定については、2.電流の測定 で紹介します。)

・コード部分の損失電力を求める。

コード部分の損失Pは、P=I2・R の式で求まるので、P = 102×0.09=9 となり、コード部の損出電力は約9Wと求まります。

(負荷側にも1m長のコードがありますのでコード部分で合計すると10Wを超える損失が発生しています)

図7 交流電圧測定回路図と負荷(オーブントースター)の仕様

図7 交流電圧測定回路図と負荷(オーブントースター)の仕様


負荷(オーブントースター)の仕様

負荷の名称 オーブントースター
コード長 1m
負荷値切替 4段階

負荷 測定電圧 ヒーター
壁面コンセント タップコンセント Va-Vb
W Va Vb 電圧差Vc 抵抗値
OFF 103.5 103.5 0
300 102 101.7 0.3 32.5
400 101.6 101.2 0.4 24.8
700 100.4 99.8 0.6 14.3
1000 99.1 98.2 0.9 10.1

・交流電圧測定回路図と負荷(オーブントースター)の仕様

図8 タップコンセントの交流電圧測定状況(テスト棒の差し込み)

図8 タップコンセントの交流電圧測定状況(テスト棒の差し込み)

  • 図9 テーブルタップと負荷の接続状況
  • 図9 テーブルタップと負荷の接続状況
  • 図10 負荷の切替スイッチ(1000W)
  • 図10 負荷の切替スイッチ(1000W)

・ご注意:AC100V前後の交流電圧を測定しますので感電しないよう十二分に注意して測定してください。

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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