芳賀サイエンスラボ

特・ロボット工作

Posted on: 2015年11月25日

//逐次更新していきます。

 

11月3日 於 霞ヶ浦環境科学センター

●目的
モータを回す回路を製作し、ロボットを作る。


 

●参加者
講師: 芳賀先生、大久保維人
スタッフ:狩野、坂入、谷口、中井
午前: キッズ81人
午後: キッズ51人
参加者計: 132人


●所要時間
【午前】
9:30~ 受付と説明
10:10~ LED回路の実験
11:00〜 モータ回路の実験
12:00  片付け
【午後】
13:30~ 受付と説明
14:10~ LED回路の実験
15:00〜 モータ回路の実験
16:00  片付け


 

●内容

  • 部品説明

ブレッドボード

ブレッドボード写真

ブレッドボード

 

説明

ブレッドボードの表面には無数の穴が並んでいて、ここに部品を挿して使う。
穴はブレッドボード内部でつながっているので、挿した部品同士がつながることになる。
ハンダ付けすることなく回路が組め、部品の組み換えや取り外しも自由なので回路の試作などが楽である。

ブレッドボード外側の点はそれぞれ一直線に全部つながっている。

ブレッドボードのほぼ全体を占める内側の穴は、これらは隣同士とつながっている。
写真の向きでは縦方向に、溝を挟んで上側/下側5穴ずつ つながっている。

重要なことは、

1つの部品は必ず2列にまたいで挿す。1列の上に挿さない。

ということ。 (上の写真だと縦5穴の2つを使うように電子部品を挿さないこと。必ず他の縦ラインにもまたがるように挿す。)

 

注意点

部品が簡単に抜けてしまう。

真ん中部分の穴のつながりがわかりづらく、よく間違える。

ブレッドボードに組んだ電子部品の金属同士が触れたりするとショートすることもあるので注意。

 

ブレッドボードワイヤ

ブレッドボードワイヤ 写真

ブレッドボードワイヤ

 

説明

ブレッドボードにさして導線としてつかう。

色による違いはない。先端部分が違うタイプもある。

なお、プラス側を暖色系、マイナス側を寒色系を使うとわかりやすい回路が作れる。

注意点

大きな電圧をかけると溶けることがあるので、あくまで試作用として使う。

抜きさしの際に、強い力をかけると先端の金属部分が折れることがある。

長年使っていると内部で断線することがある。

 

電池ボックス

電池ボックス 写真

電池ボックス

説明

電池を入れて使う。

単3形電池用や単4形電池用など、電池の種類に合わせて使う。

ケーブルがすでに付いているタイプや、スイッチ付きのタイプもある。

 

注意点

電池を入れる極性に注意する。

安全のために、保管や持ち運ぶ際などは必ず電池を抜いておく。電池を入れたままにしておくと、思わぬところで通電して電池が熱を持つこと、回路を壊すことがある。

 

電池スナップ

電池スナップ 写真

電池スナップ

説明

電池ボックスに取りつけて、導線として使う。

極性がある。小さな金属端子と大きな金属端子とをそれぞれ合わせてくっつける。

金属部分と垂直に線が伸びているタイプもある。

 

注意点

電池ボックス側の根本を強く曲げると断線することがある。

先端の金属部分が折れることがある。

結合には少し力がいるので、低学年生には補助が必要かもしれない。

 

抵抗

抵抗 写真

抵抗

説明

電流の制限や、電圧の分圧、時定数回路などに使う。

抵抗に書いてある線の色(カラーコード)で抵抗値がわかる。

一般に、抵抗のカラーコードは左の二つが数値を表し左から3つめが乗数を表す。一番右側が許容差を表しています。

抵抗表

それぞれの色の数値など

注意点

作成する回路に合わせて適切な抵抗を選ばないと回路が壊れることがある。

色がわかりづらいものがあるのでテスターで抵抗値を調べると良い。

脚が柔らかいものがあり、ブレッドボード上で抜き差しを繰り返していると脚が曲がるので注意。

 

LED

LED 画像

LED 3mm 緑

LED 画像 LED 5mm 緑

 

説明

電気を流すと光る半導体素子

身近な製品にもたくさん使われている

発する光の強さは、電流の量にほぼ比例する

極性があり、それぞれ、アノードとカソードと呼ばれる。

LEDの脚の長さで、アノードとカソードを見分けられる。(長い脚がアノード(+側)、短い脚がカソード(-側))

さまざまな色の製品がある。点滅回路が入っているものや、抵抗内臓のものなどもある。

注意点

抵抗を内蔵していないタイプのLEDを、電池と直接つなぐことなどをしてはいけない。発熱したり、燃えたり、最悪の場合 破裂などが起こる。

見た目以上に強い光が出ているため長時間、直視することなどはおすすめしない。

逆接続や、熱に弱いため回路設計に注意が必要。

連続最大電流、瞬間最大電流を超えないようにつかう必要がある。(定格電流より大きい電流を流すと高光束が得られるが、寿命が極端に短くなる。また、LEDを使用した市販品では、寿命を犠牲にして高輝度を得ている物や価格を抑えるために電流を制限する回路を省いている物もある。)

安価で入手性もよく、使いやすい部品ではあるが、使用は意外と難しい。

 

コンデンサ

コンデンサ 写真

コンデンサ

説明

電荷(電気エネルギー)を蓄えたり、放出したりする受動素子である。

電解コンデンサや、セラミックコンデンサなど複数の種類がある。

 

注意点

定格以上の電気を流すと破裂することがある。電解コンデンサの中身の電解液、ガスなどは有害であることもあるので触ったり、吸ったりしないほうが良い。

 

トランジスタ

トランジスタ 写真

トランジスタ 2SC1815

 

トランジスタ 写真

トランジスタ 2SD2012

 

説明

トランジスタは、増幅、またはスイッチ動作をさせる半導体素子。

エミッタ、コレクタ、ベースという3つの極性があり、上の写真の1815だと上からエミッタ、コレクタ、ベースと並んでいる。

用途に合わせて様々な製品が作られている。

今回使った小さなトランジスタは、トランジスタの中で代表格とされる2SC1815

アナログ回路中では、トランジスタは増幅器として使われていることが多い。

今日のデジタル回路、集積回路化した世界では単体で使うことはほとんどなくなった。

バイポーラトランジスタには、PNP型とNPN型という種類がある。

また、以下に示すように型番によって使い分ける必要もあったりする。

2SAxxx PNP型バイポーラトランジスタ 高周波用
2SBxxx PNP型バイポーラトランジスタ 低周波用
2SCxxx NPN型バイポーラトランジスタ 高周波用
2SDxxx NPN型バイポーラトランジスタ 低周波用

特性が等しいNPN型とPNP型の一組(例:2SC1815・2SA1015)をコンプリメンタリと呼ぶ。

トランジスタの世界は奥が深く、このスペースに列挙することはできない…。

注意点

様々な種類の製品があるので、それぞれのデータシートをきちんと見て 回路を作る必要がある。

エミッタ、コレクタ、ベースそれぞれの接続を間違えないように注意して回路を作る必要がある。

 

DCモータ

モータ 写真

DCモータ

説明

永久磁石と、コイルを使い、流れる電流の向きを切り替えることで磁力の反発、吸引の力で回転力を生成させる電子部品。
模型やラジコンなどを初め、色々な製品に使われている。

DCモータは、起動トルクが大きく、加えた電圧に対して回転特性が直線的に比例する。入力電流に対し出力トルクが直線的に比例し出力効率が良い。などの特徴がある。

注意点

定格以上の使いかたをすると発熱し危険。

使いやすい部品だが、スパーク、回転騒音、ノイズなどが発生し周辺の回路に影響を与えることがある。

選定が少し難しい部品だったりする。

 

CDS

cds 写真

CDSセル

CDS 写真

CDSセル 上面図

説明

CdS (硫化カドミウム) セルは、当たる光の量に従って抵抗値が変化する。

セルに当たる光が多ければ、抵抗値は低くなる。

低価格で、入手も容易である。

街灯の点灯、消灯の判断のセンサとして使われていることもある。

周波数による特性変化が無い、無極性である、耐電圧が比較的高い、電流電圧特性が比例的であるなど使いやすい。

注意点

使用に際して特に難しいことはない。強いて言えば、カドミウムが含まれているため、未来の地球のため安価な代替え品を生み出さねばならないだろう…。

 


  • LED点灯回路

動作説明

LEDを点灯させる回路を作る。

部品リスト

ブレッドボード

ブレッドボードワイヤ

電池ボックス一式

LED

抵抗

 

回路図

 

配線図

 

解説

 

世の中では

 


 

  • CDSを用いたLED点灯回路

動作説明

 

部品リスト

 

回路図

 

配線図

 

解説

 

世の中では

 


 

  • モータ駆動回路

動作説明

 

部品リスト

 

回路図

 

配線図

 

解説

 

世の中では

 


 

  • 発展させると

センサを変えて

モータをサーボへ

Arduinoを用いたロボット

夏休みの自由工作

部屋の自動化


 

  • 電子部品購入先

秋月電子通商

マルツ

千石

鈴商

若松

共立

スイッチサイエンス

aitendo

 


 

  • 参考サイト

murata

wiki

0電

Google 検索

個人ブログ


 

  • トラブルシューティング

動かない場合は

電池の電圧

電子部品の配置 極性など

配線ミス

コツ 回路図を電源のプラス、マイナスから順に追っていく

プラス、マイナスから出ているワイヤの本数と回路図の

回路図で線が別れるところは同一の縦ラインにある

素子周りを追っていく、 トランジスタなら エミッタ、コレクタ、ベース、それぞれから一番近い電子部品はなにか。

データシート

 


 

●感想

大久保維人

今回のサイエンスキッズは、人数が多いかつ、細かい作業が多かったため大変でした。途中でスライドのミスがあったりなど、事前準備不足を感じました。また、時間配分が難しく、なにか良い方法があればよいと思いました。今回使ったブレッドボードを使えば自分の想像した回路が自由に作成できるので、自分で創意工夫して楽しんでほしいと思いました。また、小学生の頃にLEDやモータ、トランジスタなどに触ったことがあると将来、大学などでの実験で扱うときや製品開発をするときに苦手意識や抵抗がなくなると思うので、ぜひ遊んでほしいです。今回は、細かく手順を説明し進めましたが、本来は自由に作り変えて、たまには電子部品を壊してしまうことなどから学ぶことが一番良いと思います。(3V程度の電圧で大きな怪我をすることはあまりないので)。小学生の枠にとらわれない自由な発想で様々な面白いものを作ってほしいと思います。

 

狩野絵吏子

今までになく大勢のキッズに参加いただき大変にぎやかな回にでした。
トランジスタやコンデンサなどは、どの機械にも使われているものなので、
電子機器の中身を身近に感じることができたかなと思います。
反省点としては、準備不足を感じました。
当日部品を準備する等々、手間取ってしまったことが多々ありました。
また、ブレッドボードの構造の理解のためにも
回路図を用意して説明するか、
図に電気の通り道を書いておくか、をしても良かったのではと思います。

 

 

坂入愛

今回は電子工作ということで、普段と異なるキッズの様子が見られました。なんでこれが光らない、動かないのか?とキッズ同士で観察して議論している様子が見られました。ただ、キッズが多すぎてスタッフで全員を見ることができず、スタッフの指示待ちのようになってしまったキッズがいたのが残念でした。それでも自分で解決できるような糸口を提示できたら良いと思いました。今回は芳賀先生ではなくスタッフがメインの回だったので、事前にスタッフが説明を聞いて、分かりづらい場所などをフィードバックしておくと良いかなと思いました。また、細かいパーツを多く配布する必要があったため、ブレッドボートの入っていたケースにまとめて入れたり、ケーブルもまとめて入るような箱を最初に一緒に製作したりといった工夫が必要だという反省もありました。今後も、定期的にブレッドボードを使った活動をしていきたいです。そのときは一部のスタッフに負担がかからないように極力分担して準備し、より良い回にしたいと思います。

 

谷口友梨

今回のサイエンスキッズは、参加人数が多く、スタッフとして面倒を見なければならないキッズの数が多く、その上、わからないキッズにはつきっきりで教えてあげる必要のある工作だったため、対応が大変でした。また、今回、電子工作の経験があったキッズとそうでないキッズの差が大きかったように思います。図を見せられただけでパッと回路を組み立てられるキッズは、そうでないキッズが作り終えるのを待っているだけで退屈そうだったので何か工夫が必要だと思いました。
また、午前中は回路の図が一転二転したためにキッズもスタッフも混乱してしまいました。回路の組み立てに手間取ってしまい、ロボットまで行き着けなかったのは残念に思いました。ですが、回路が組みたって、LEDが点灯した時や、モーターが回った時のキッズの嬉しそうな様子は印象的でした。

 

中井彩加

今回のサイエンスキッズはロボットという内容が魅力的だったのと、初めての取り組みだったためか、参加人数がとても多く驚きました。特に午前中は人数が多かったことと、事前準備の不足で目標の部分まで達することができなかったことが残念でした。午後はその点もう少し改善することができたのはよかったです。午後の会は少し余裕が生まれたためか、キッズ達が回路を工夫したり、モーターの先に紙やビニールを切ったものをつけて遊んでいました。様々な工夫や柔軟な発想が見られて面白かったです。自分で工夫することはとても良い勉強になると思うので、興味をもってくれたら今回を入り口に電子工作にチャレンジしてみてほしいなと思います。私も今回扱ったブレットボードのように手軽に電子工作をできるものがあるとは知らなかったので、これを機にもっと楽しんでみたいと思いました。

 

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