電子回路の基礎：LEDを光らせる・モーターを回す仕組み

【電気の概念】            【水流（水の流れ）への例え】
  ・電圧（V：ボルト）   ⇒  「水圧」あるいは「水槽の高さ（位置エネルギー）」
  ・電流（A：アンペア） ⇒  「水の流れる量（水流の太さ・勢い）」
  ・抵抗（Ω：オーム）   ⇒  「パイプの狭さ（水の流れにくさ）」

• 電圧（V）： 電気を押し出す力です。高さが高い水槽ほど、下の蛇口から水が強く勢いよく飛び出すのと同じです。

• 電流（A）： 実際に回路の中を流れている電気の量です。

• 抵抗（Ω）： 電流の流れをブロックして制限する「ブレーキ」の役割です。水道ホースの先端を指でギュッとつぶすと、水が出にくくなりますよね。あれが「抵抗」です。

なぜ「抵抗」が必要なの？（オームの法則の出番）

もし抵抗を入れずに、高い電圧（電源）とパーツを直接繋いでしまうと、ホースの破裂＝「過電流によるパーツの破壊・破裂・発煙」が起きてしまいます。 必要な分だけ電気を流すために、水流を調節する「弁」や「細いパイプ」として抵抗器（レジスタ）を回路に挟むのです。

2. 実践①：LEDを光らせてみよう！（ダイオードの性質と保護抵抗）

電子工作の基本中の基本、「LED（発光ダイオード）」の仕組みです。

LEDの2大ルール（ここを間違えると壊れます！）

① 電気は一方向にしか流れない（極性がある）

LEDには向き（プラス・マイナス）があります。

• アノード（＋）： 足が「長い」方。（電源のプラス側へ繋ぐ）

• カソード（−）： 足が「短い」方。（電源のマイナス/GND側へ繋ぐ）

  ※逆に繋ぐと、電気を通さないため光りません（壊れはしませんが動きません）。

② 必ず「保護抵抗」を直列に入れる！

LEDは非常に繊細なパーツです。Arduinoなどの5V電源に直接LEDを繋ぐと、一瞬で大電流が流れて「パチッ！」と弾けて焼き切れてしまいます（熱や煙が出る原因になります）。

適切な抵抗の選び方（かんたん計算）

一般的な赤色LEDは、約2.0Vの電圧がかかったときに、約10〜20mA（0.01〜0.02A）の電流が流れるとキレイに光ります。

Arduino（5V出力）を使う場合：

1. 抵抗で引き受けるべき電圧 ＝ $5\text{V} – 2.0\text{V} = 3.0\text{V}$

2. オームの法則（$R = V / I$）に当てはめると：

   $$\text{抵抗値 } R = \frac{3.0\text{V}}{0.015\text{A}} = 200\,\Omega$$

つまり、200Ω〜330Ω程度の抵抗器をLEDと一緒に入れてあげれば、安全にLEDを光らせることができます！

3. 実践②：モーターを回す仕組み（なぜ直接マイコンに繋いじゃダメなの？）

LEDが光ったら、次はいよいよロボットの主役「DCモーター」を回す仕組みを学びましょう。

ここで初心者エンジニアが必ずやってしまう重大な間違いがあります。

「Arduinoのピン（出力端子）に、直接モーターのコードを繋いじゃえば動くのでは？」

★答え：絶対にダメです！マイコンが壊れます！

なぜマイコンにモーターを直結してはいけないのか？

理由は大きく分けて2つあります。

原因1：電気のパワー（電流）が足りない

Arduinoなどのマイコンのピンから出せる電流は、せいぜい20mA〜40mA（0.02〜0.04A）程度です。これはLEDを1〜2個光らせるのが限界のパワーです。

一方、小さなDCモーターでも、回り始めるときや重い負荷がかかったときには500mA〜1000mA（0.5〜1A以上）という、マイコンの数十倍の電流を必要とします。直接繋ぐとマイコンの内部回路が焼き切れてしまいます。

原因2：モーターからの「逆起電力（ぎゃくきでんりょく）」という攻撃

モーターは「電気を流すと回る」パーツですが、逆に「手で回すと発電機になる」という性質を持っています。

モーターの回転が止まった瞬間や逆転した瞬間、モーター内部からマイコンに向かって逆向きの巨大な高電圧（ノイズ）が一気に跳ね返ってきます。 これを「逆起電力」と呼び、半導体を破壊する大きな原因になります。

4. 救世主！「モータードライバー」の役割とHブリッジ回路

マイコンを破壊せずに安全に強力なモーターを回し、さらに「正回転」「逆回転」「スピード調整」まで自由自在に行うために使うのが、「モータードライバー」という電子基板です。

モータードライバーの内部にある「Hブリッジ回路」の仕組み

モータードライバーの中には、スイッチをHの形に組み合わせた「Hブリッジ」と呼ばれる回路が入っています。

【正回転させたいとき】             【逆回転させたいとき】
  (5V) ──[SW 1:ON]   [SW 2:OFF]      (5V) ──[SW 1:OFF]  [SW 2:ON]
             │           │                      │          │
             ├─ モーター ─┤                      ├─ モーター ─┤
             │           │                      │          │
  (GND)──[SW 3:OFF]  [SW 4:ON]      (GND)──[SW 3:ON]   [SW 4:OFF]
  ⇒ 左から右へ電気が流れる！        ⇒ 右から左へ電気が流れる！

【PWM 100% (最高速)】   ████████████████████ (ずっとON)
【PWM  50% (半速)】     ████    ████    ████ (ONとOFFが半分ずつ)
【PWM  25% (微速)】     ██      ██      ██   (ONの時間が短い)