LEDをつないだら暗い、Arduinoを動かすとモーターが止まる、USB電源では動いたのに電池では不安定になる。このような現象の多くには、電圧降下が関係しています。電子回路 電圧降下 なぜと疑問に思ったときは、電気が途中で「消えた」と考えるより、電気エネルギーが部品や配線で別の形に変わった、と捉えるのが近道です。
電圧降下は故障の印ではありません。抵抗やLED、モーターなどが働くために起こる、回路の基本的な現象です。ただし、想定していない場所で大きく起これば、マイコンのリセットや発熱、センサーの誤動作につながります。テスターを使って実物を測りながら、原因を見つけられるようになりましょう。
電子回路で電圧降下が起こるのはなぜ？
電圧は、電気を動かす力の差です。水の流れにたとえるなら、水圧の差に近いものです。電源のプラス側から出た電気は、部品や配線を通り、マイナス側へ戻ります。その途中に抵抗があれば、電気エネルギーの一部は熱や光、回転する力などに変わります。その分だけ、部品の前後で電圧に差が生まれます。これが電圧降下です。
たとえば、9Vの電池、抵抗、LEDを直列につないだ回路を考えます。赤色LEDの両端では、およそ1.8Vから2.2V程度の電圧が使われます。残りの電圧は抵抗にかかり、電流を安全な値に調整します。LEDが約2V、抵抗が約7Vを受け持つなら、合計は電源電圧の9Vになります。
ここで大切なのは、電圧は回路を一周する間に好き勝手に減るわけではないことです。電源が与えた電圧は、回路内の各部品に配分されます。どこで何V使われているかを測れば、回路が期待どおりに働いているかを判断できます。
オームの法則で電圧降下を計算する
抵抗で起きる電圧降下は、オームの法則で求められます。
`V = I × R`
Vは電圧[V]、Iは電流[A]、Rは抵抗[Ω]です。たとえば330Ωの抵抗に0.02A、つまり20mAの電流が流れるなら、抵抗両端の電圧は次のようになります。
`0.02 × 330 = 6.6V`
5V電源と白色LEDを使う場合、白色LEDの順方向電圧を約3V、流したい電流を10mAとすると、抵抗に必要な電圧は約2Vです。必要な抵抗値は、`2V ÷ 0.01A = 200Ω`となります。実際には部品のばらつきや余裕を考え、220Ωや330Ωなど標準的な値を選びます。
抵抗値を大きくすると電流は小さくなり、LEDは暗くなります。その代わり、LEDを壊しにくく、電池も長持ちします。明るさだけを優先して抵抗値を小さくしすぎると、過電流でLEDやマイコンの出力ピンを傷めることがあります。目的に合った電流を決めることが、回路設計の第一歩です。
LEDやダイオードには固有の電圧降下がある
LEDやダイオードは、単純な抵抗とは少し違う性質を持ちます。一定以上の電圧がかかると電流が流れ始め、そのときに部品ごとに特徴的な電圧を示します。赤色LEDなら約2V、青色や白色LEDなら約3Vが目安です。
この値は完全に固定ではありません。流れる電流、温度、製品の種類で変化します。データシートを確認できる場合は、順方向電圧と推奨電流を見てください。工作では目安の計算から始め、実際の明るさや電流を測り、必要に応じて抵抗を交換する方法が安全です。
配線でも電圧は下がる
ジャンパーワイヤーやブレッドボードの配線にも、ごく小さな抵抗があります。LEDを1個光らせる程度では問題にならなくても、モーター、サーボ、LEDテープ、ヒーターのように大きな電流を使うと無視できません。
たとえば細く長い配線に1A以上の電流を流すと、線そのものが抵抗として働きます。コネクターの接触不良、半田付け不足、ブレッドボード内部の接点も同様です。電圧が下がるだけでなく、接点が熱くなることもあります。
特にArduinoやRaspberry Piでモーターを動かす工作では、マイコンとモーターを同じ細い配線やUSB電源だけでまかなうと失敗しがちです。モーターは回り始める瞬間に大きな電流を必要とします。その瞬間に電源電圧が下がると、マイコンがリセットしたり、通信が切れたりします。
対策は、電流に見合う電源と太さの配線を使い、モーター用電源を適切に分けることです。ただし、別電源にした場合でも、制御信号を共有するならGNDは共通に接続します。このGND共通化を忘れると、信号の基準が合わず、動作が不安定になります。
電池やUSB電源の「内部抵抗」も原因になる
新品の乾電池をテスターで測ると1.5V以上あるのに、モーターにつなぐと急に力がなくなることがあります。これは電池の内部抵抗が関係します。電池の内部にもわずかな抵抗があり、大きな電流を取り出すほど、電池の内側で電圧降下が起こります。
開放状態、つまり何もつながない状態では高い電圧を示しても、負荷をつないだ状態では電圧が下がることがあります。このため、電源の確認は「つながっていないとき」と「実際に動かしているとき」の両方で行うのが実践的です。
USB電源も同じです。充電器、モバイルバッテリー、USBケーブルには供給できる電流の上限があります。細いケーブルや品質の低いケーブルでは、5V電源のはずが負荷側では4V台まで下がることもあります。高性能なマイコンやセンサーほど、必要な電圧範囲を守ることが重要です。
テスターで電圧降下を見つける手順
電圧は、必ず測りたい部品の両端にテスターを並列につないで測定します。電流測定のように回路を途中で切る必要はありません。まずテスターを直流電圧レンジにし、黒いプローブをGND側、赤いプローブを測りたい場所へ当てます。
LED回路なら、電源のプラスとGND、抵抗の両端、LEDの両端を順番に測ります。各値をメモし、抵抗の電圧とLEDの電圧を足した値が電源電圧とおおむね一致するか確認しましょう。少しの差は測定誤差や配線の抵抗によるものです。
モーター回路では、停止中だけでなく回転中にも測ります。動作中に電源端子の電圧が大きく落ちるなら、電源容量、電池の種類、ケーブル、接続方法を疑います。配線の片側だけでなく、GND側の電圧降下も測ると、意外な接触不良を見つけられます。
電圧降下を減らすための考え方
必要な電圧降下までなくす必要はありません。LEDや抵抗のように、回路の働きとして必要な降下もあるからです。減らすべきなのは、配線や電源、接点で起きる不要な電圧降下です。
電流が大きい回路では、配線を短くし、必要に応じて太くします。ブレッドボードは試作に便利ですが、大電流を流す場所には向きません。モーターやLEDテープの電源ラインは、ネジ端子、半田付け、適切な太さの電線へ移すと安定しやすくなります。また、電源の近くにコンデンサーを入れると、モーターの始動時など短時間の電圧変動を抑える助けになります。
電圧降下は、数式だけではつかみにくいテーマです。まずLEDと抵抗の回路を組み、部品ごとの電圧を測ってみてください。次に配線を長くした場合や、抵抗値を変えた場合を比べると、数字が実際の明るさや動きに結び付きます。手を動かして測った一つの値が、次の電子工作を確実にする頼もしい手がかりになります。
