初歩的な電子回路をくめる、理解できるようになりたい

Question

現在大学３年生です。

今まで電子回路は大学受験でやったり、
大学の講義で座学としてやったことはあります。

オームの法則だとか、コイルに働く力だとか、
大学だと三相交流だとか・・・
これらは結構勉強しました。

ですが、大学の実験等でトランジスタやオペアンプを使った電子回路を
見せられたとき理解ができません。
なんでこう繋いだらうまくいくって分かるの？
だれがこの配線考えたの？どう考えて作ったの？
等とはてなだらけです。

要するに回路の問題、例えばどこどこの電圧はいくらになるか、
とかここを流れる電流はいくらか、等はある程度解くことができるけど、
実際の回路の話になると何もわからない、というイタイ状態です。
独学でなんとかしたいのですが、
何か良い初歩的な参考書などはありませんか？

joshua01 · Accepted Answer

こんにちは。
お悩みですね。つぎのようなアドバイスではいかがでしょう。
確かに電子回路はすべてを理解しようとすると奧が深く、また、基礎知識はいくら並べても回路の理解にはなりにくいものです。
次のようなアドバイスをしておきましょう。

　ポイントとしては、「２つのステップで理解する。まず、オペアンプについて、単純な“はめ込み”部品セットで動作の実験まで行い、最も基本である増幅を（理論でなく）直感的に納得する。次に、ラジオの回路解説の本を見て、電子回路による最小限の「システム」である「ラジオ」を理解することで、「回路」がどのように「働く装置（システム）」になっているかの勘をつける」
この方法なら、途中で挫折しても、その部分だけは「身」になります。

○　まずはオペアンプ。（これは自分で実験）
オペアンプは学生実験でもさわったようですね。でも多分、時間に追われて納得できないままだったのではないでしょうか。大したお金もかからないので、自分で買ってみましょう。最小の回路は部品3個で実験できます。添付のhpが参考になるでしょう。
ブレッドボードという、はめ込み基板を使えばハンダ付けも要らず、電源も乾電池でよいので、ブレッドボード、オペアンプIC、増幅率を決める抵抗器に1kオーム、2kオーム、10kオーム程度の抵抗に、入力電圧を変える10KΩボリウムや、みの虫クリップコードを買えば、全部で2000円くらい（さらに安物テスターを2000円で追加）で済むでしょう。
　やるべき目標自体は簡単。増幅率２倍の回路を構成し、入力電圧が0.1v変化すると出力電圧が0.2v変化するのを理解します。次に増幅率10倍の回路を構成し、入力が0.1v変化したら出力の変化が１ｖになるのを理解します。（ただし、中心部はたった3個の部品ながら、正負両電源の供給など、実際に動くようになるまでがけっこう大変。）
　かつて、私にとってこれは画期的でした。手に伝わるボリウムの摩擦の手応えと、入力側電圧の針の振れ、出力側の針の振れが気持ちの中でつながり、また、1本の抵抗を交換するだけで増幅率が変わり、その増幅率も２つの抵抗器の単純な割り算だけで予測できる！これなら、僕にだって、どんな増幅器も作れる！また、いろいろな回路図にオペアンプが描かれていれば（実際の回路では付加部品が複雑で機能も複雑な上、オペアンプICの型番も異なるから正確ではないが）概ね何倍の増幅をしているかは推定できる！
http://akizukidenshi.com/catalog/items2.php?c=bread&cl=1


○　次にラジオ（これは本を見るだけで、作る必要はないでしょう）
　次に、ラジオ受信機の回路について見てみましょう。書籍としては添付のhpのものを、また、解説hpとしてもうひとつ紹介しておきます。
この解説hpにはラジオの動作原理も書いてありますね。2石（トランジスタが2個）のラジオで、オペアンプは使っていませんが、トランジスタの「ベース」端子がオペアンプの入力端子に当たり、「コレクタ」端子が出力端子に当たります。「アンテナコイル」が電波の入り口であることと、イヤホンが仕事の最終出口であることは概ねお気づきでしょうから、結局、いろいろな部品をつなぎつつも、基本的には増幅器が2段ならんでいるだけであることが理解できるでしょう。
　かつて、中学生の私にとって、この発見も画期的でした。ラジオや無線受信機のどれも、テレビさえ、要は「電波の入り口から音や映像の出口まで、基本的には増幅器が数珠繋ぎになっているだけ！ 
　そこでやっと、「ラジオの原理」と、「トランジスタ以外の部品の意味」に目が行きます。増幅回路一段ずつ（入り口や次の段との間の部品を含む）に比較的理解しやすい役割が一つずつ（場合により2つ程度）割り当てられている点でも、「ラジオ」は回路を使ったかなり高度な仕事をするシステムである点で勉強には最適です。
添付のhpの回路についてはその文章内に説明がありますが、
(1)「アンテナコイル」（コンデンサ付き）が、空間に飛び交う多くの電波の中から目的のラジオ局の電波だけを選んで取り込む機能
(2)「ダイオード」が、最初のトランジスタで増幅された「電波」信号から、「音」の信号を取り出す機能
であることを知ると、一応、ラジオの機能の理解ができたことになります。
http://www.osakac.ac.jp/labs/matsuura/japanese/events/refreshRika2005/08_F.pdf

○　次のステップは？
　ここまで理解できた後、次の方向は大きく２つに分かれます。
・他にたくさんあるコンデンサや抵抗類の意味も理解する。
　実はあまりお勧めしません。「トランジスタ回路の基礎」といった本などで理解でき、きちんと理解できると設計もできるようになりますが、細かい計算などが必要な割に、部品の役割自体はたいした意味がなく、最近では先に出たオペアンプや高機能のICが製品化されているので、現実には役に立ちにくいです。
・　もっと複雑な装置の全体の回路構成を理解する。
　大した役割のない部品の理解はほったらかしにして、もう少し高度な装置の理解に進んでみましょう。具体的回路図は上げませんが、スーパヘテロダイン方式（スーパーラジオ等と言われ、トランジスタが4個～10個くらい必要です）のラジオ回路については前出の本にもありますので、動作原理を理解してみましょう。少々複雑ですが、巧妙な仕組みとなっており、もし、「ブロックダイヤグラム」という概要（流れ）図等を通じてこの仕組みがある程度理解できれば、hp検索などでスーパ方式のラジオの回路図をいくつか入手してみましょう。ちんぷんかんぷんだった回路図の全体の流れが理解できるようになり、一見、全く違う数のトランジスタやICを組み合わせて使っている場合でも、結局、同じような構造であることや、単純なものに比べて複雑なものはどのトランジスタを増やし、あるいはICに置き換えているのかがわかります。

さてさて、すっかり長くなってしまいましたがいかがでしょう。

まあ、さらにこの先は、実際に、わかるところから改造したり、修理したり、製作したりを繰り返さないと突破できない壁もありますが、ひとまずの指針としてお役に立てば幸いです。
（昔は、「ラジオの製作」「初歩のラジオ」などといった、中学・高校生向けの回路工作の雑誌もあり、その機能や特徴が作り方付きでじっくり解説してあり、「No○○の抵抗値を大きくすると○○の電流が大きくなって感度が上がりますが、雑音が増えることがあるので注意しましょう」等とあると、抵抗1個の意味も（少なくとも直感的に）理解でき、“じゃあやってみよう”というチャレンジ精神も煽られたのですが、最近は本も少なく改造の自由度の少ないICに頼ることにもなったため、勉強したい方には難しい時代になりました。）

参考URL：http://www.cqpub.co.jp/hanbai/books/32/32791.htm

inara · Answer

回答が落ち着いてきたようなのでコメントいたします。
何か分からない回路があればここでどんどん質問してください。いかにも宿題のようなものはダメですが、自分で勉強しているということをちゃんと明記すれば、このサイトではとても親切に教えてくれます。

私は電子回路の回答が多いほうですが、手元にある回路の本を見たり、自分で回路を組んで確かめたり、簡単にできるものは手計算したり、回路シミュレータを使ったりした上で回答します。手元にある回路の本は何十冊もありますが、こういう回路はあの本に出ていたなと思い出せる程度で、全部暗記しているわけではありません。

回路網の計算は rabbit_cat さんが言われるように、キルヒホッフの２つの法則だけでできます。そして、素子のインピーダンスが、抵抗が R、コイルがj*ω*L、コンデンサが 1/( j*ω*C ) ということだけ憶えれば、原理的にはどんな複雑な回路でも計算できます。

さらに、微分方程式を使って過渡応答も解けるようになると微分回路や積分回路、整流回路の波形の計算も可能になります。そして、トランジスタの等価回路を使って回路計算ができるようになると高周波特性なども分かるようになります。

トランジスタ回路よりも、OPアンプ回路のほうが内部素子が少ない分すっきりしているので、まずは単純な反転増幅器や非反転増幅器の勉強されてはいかがでしょうか。練習問題として、以下の反転増幅器の利得の周波数特性（Vout/Vinの周波数依存）を計算してみてください。

　　　　　　　　　　　　　　┌─ R2 ─┐
　　　　　　　　　　　　　　│┏━━┓│
　 Vin ─ C1 ─ R1 ─┴┨-　　┠┴─ Vout
　　　　　　　　　　　　　　┌┨+　　┃
　　　　　　　　　　　　　　│┗━━┛
　　　　　　　　　　　　　　┷
　　　　　　　　　　　　　GND

以下に、私が回答した質問がありますが、回路網の計算法が書かれているので参考にしてください。

[2]　IC555を使った三角波の理論を教えてください　http://oshiete1.goo.ne.jp/qa3463693.html
[2]　電気回路に関して　http://oshiete1.goo.ne.jp/qa3354463.html

richardo · Answer

数式のコピーで出来ている本が多いから、理解するのは難しいよ。
　自分でいじって経験する事ですね。
　秋月電商で廉価なキットが有るので、こういう物で学ぶといいでしょう。
　ＣＱ出版「ＰＳｐｉｃｅ入門」のシミュレータで、実物で実験する代わりに電気理論を勉強出来ます。
　これ一冊でよく分かるという本は、殆ど無いでしょう。色々な本を読む事です。
　電気雑誌の読者の投稿欄に「こういう記事を載せて欲しい。もっと深く掘り下げて解説して欲しい。誰々の記事が良かった。」と投書するのもいいでしょう。

　出版社の記事は、読者の意見次第です。

rabbit_cat · Answer

回路を理解するのに必要なのは、キルヒホッフの２つの法則（ポテンシャル・フローの式）だけです。
オペアンプとかいろん能動素子や非線形な素子がでてくると、つい何を考えればいいのか忘れてしまいがちですが、とにかく、回路の理解するのに必要なのは、キルヒホッフの法則だけなので、常にそれを頭において回路図を見るようにしましょう。
そういう意味では、
＞ここを流れる電流はいくらか、等はある程度解くことができるけど、
これは非常に重要です。最初のうちは、とにかく、キルヒホッフまでもどって、ちゃんと真面目に計算する、てことをしておかないと、いつまでたっても、直感が働くようになりません。

あとは、慣れですかね。アナログ回路は、ある程度決まった定石みたいのがあってそれを組み合わせてく、ってことが多いので、定石を覚えていくと、何をやっているのかすぐにわかるようになります。
あと、トランジスタであればVce-Ic特性、Ib-Ic特性、Vbe-Ib特性とかの概形が瞬時に思い出せるようになってくると回路の動作理解が早まるでしょう。
あと、アナログ回路では、回路図上には現れない寄生容量・寄生抵抗・寄生インダクタなんかが、大きな影響を持っていることがけっこうあります。ここらへんも慣れとしかいいようがないのですが、回路図をぱっと見たときに、回路図上には書かれていない寄生素子が一緒に見えてくるようになるといいですね。

BACKHAND · Answer

こんばんは
40才代のエンジニアです。
私が、小学校のころに
持っていて、数年前に
復刻版が出た、
”電子ブロック””マイキットシリーズ”
がお勧めです。
これは、すばらしい教材ですよ。
ハンダ付けなし、しかも簡単に、100種類
以上の回路が組めます。

imoriimori · Answer

私も学生時代、電子回路は皆目わかりませんでした。今は大学で講義していますが、やはり学生は殆どわからないようです。教科書はやたら難しいですしね。細かい数式よりも「原理」について感覚ができるとわかってくるのですが。
若い頃はトラ技とかも勉強しましたが、そして意味あったと思いますが「知らない用語をバンバン」なので苦しいですね。
オペアンプは岡村みち（漢字がワープロで出ない）夫先生の本が良かったです。今もあるのかな。
実学的で初歩的となると、本気で回路をしっかりやろうとする学生がいたら次の本を薦めようかと思っています（そんな学生はうちにはいませんが）。
廣済堂科学情報社　電気基礎講座５　「プログラム学習による基礎電子工学電子回路編Ｉ」
末武国弘監修
同　電気基礎講座６　「プログラム学習による基礎電子工学電子回路編ＩＩ」

ext · Answer

●電気は見えない物ですから、最初は数学が基本になります。

いろいろな物（部品）に電気を通した時の立ち振る舞いは（過渡現象）数式で理解しやすいからです。

基本回路やモデル回路でそれらを学びます。

ここの辺は、学校で一番教えてくれますので、よく学んでおいてください。

実際の回路の考え方とリンク出来る時が来ます。

●実際に社会に出ると、基本回路やモデル回路の数式で覚えた原理原則より、応用技術が大切になります。

教科書に載っている参考回路は、事実、あまり役に立ちません。

ノイズ対策が不十分であったり、温度特性を考えてなかったり、安定度が小さかったりします。

●教科書と実際の回路を埋める本として、ＣＱ出版社から出ている月刊「トランジスタ技術」があります。

トラ技（とらぎ）と略して言うと「通」だと思われます。

４月号には、フレッシュマン（新入社員）特集がありますので、役に立ちます。

＜ＣＱ出版：トップ＞
http://www.cqpub.co.jp/

＜ＣＱ出版：トラ技＞
http://www.cqpub.co.jp/toragi/

＜ＣＱ出版：トラ技スペシャル＞
http://www.cqpub.co.jp/trs/index.htm

トラ技スペシャルは、トラ技の特集記事をまとめた物などが個別単行本として発行された物です。
私は数十冊持っています。
フレッシュマン（新入社員）特集の物や、初心者本もあります。

大きな本屋に行くと、トラ技スペシャルのバックナンバーが置いてありますので、立ち読みして、レベルにあった物をお買い求め下さい。

オペアンプの原理解説など、とてもわかりやすいです。

a072818 · Answer

ＣＰＵやＩＣ等の外観からはどんな処理をするのか分からない物以外は
昔も今も電子回路の基本は一緒ですよ。

少し昔のラジオ等を分解して中の電子基板を図面にあらわして、回路の組み方や、「この素子はこの使い方・これをするとこの効果がある」といった事を先に勉強したほうがいいのではないでしょうか？

電圧や電流等の計算は後から追って出来ます。（電子回路に使用される部品の供給電圧等は規格が決まっているので後回しでもいいかと）

トランジスタやオペアンプといった部品も、特性や増幅率等を後回しにすればまず「ＨかＬか」が問題になってきますよね。

具体的な参考書はちょっと分からないですが、勉強するジャンルを
「電子回路の数学」→「電子回路の組み方」
にしたほうが良いかと…

初歩的な電子回路をくめる、理解できるようになりたい

こんにちは。

回答が落ち着いてきたようなのでコメントいたします。

数式のコピーで出来ている本が多いから、理解するのは難しいよ。

回路を理解するのに必要なのは、キルヒホッフの２つの法則（ポテンシャル・フローの式）だけです。

こんばんは

私も学生時代、電子回路は皆目わかりませんでした。

●電気は見えない物ですから、最初は数学が基本になります。

ＣＰＵやＩＣ等の外観からはどんな処理をするのか分からない物以外は

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　数式のコピーで出来ている本が多いから、理解するのは難しいよ。