電子工作の基礎

ハードウェアの勉強として電子工作を始める前に、電子回路の基礎知識を学ぶ必要があります。
更新日 2016-02-13

電気について

手作りの電子回路でもっとも重要なのは主に電圧と電流、その掛け合わした電力(発熱量)です。

電気の基礎

電気とは導体を流れる自由電子の事です。電流は電気の流れる量の単位でアンペア(A)。電圧は電気の流れる圧力でボルト(V)。

半導体

半導体の仕組みについて勉強します。実際の部品の多くはIC のようなDIP パッケージになっています。

基礎

半導体は特定の条件を境に流れたり流れなかったりする素材(主にシリコン)です。機械的接点を持たない事で高い信頼性と微細化が可能になりました。もっともシンプルな半導体はダイオード (一方向にのみ通電する)です。

デジタル回路

電子回路自体はアナログ的な仕掛けですが、その上である閾値を持って1か0とする処理方法をデジタルといいます。また処理をIC などにまとめることで、機能のデジタル化(プログラムでいうなら オブジェクト化)が可能になります。アナログ回路のもつ不安定さから極力距離を取る事で、複雑な回路設計ができるだけの信頼性を確保しています。

プルアップ・プルダウン

デジタルIC の入力ピンに何も接続していない場合(例えばメカニカルスイッチオフでLow としている時も)、実際には確実にLow となるとは限りません。 抵抗を通じて常にグラウンド接続しておけば、確実にLow とする事ができます。これをプルダウンと言います。
逆に電源から繋ぐ場合はプルアップといいます(この場合メカニカルスイッチの配線はグラウンドに繋げます。つまりオンの時にLow となります)。
出力ピンの時にも電圧を向上させる目的でプルアップを行う事ができます(オープンコレクタならば異なる電圧源でも可)。Low 出力の時にはプルアップからの電流は出力ピンに吸い込まれる事になります。
プルアップとプルダウンを同時に使う事はできません。PIC の中にはプルアップ抵抗を内蔵している場合もあります。

オープンコレクタ(オープンドレイン)出力

内部ではトランジスタのコレクタに出力ピンが接続されます(FET の場合はオープンドレイン)。エミッタはグラウンド接地。従ってピンをHigh にしても、現実には何も出力されません。 ここで吐き出し電流が欲しければプルアップ接続をする必要があります。またPIC に通ずる電圧よりも高い別の電圧源から配線する事で、High のレベルを上げる事もできます。
Low 吸い込みとして使う時にはトランジスタ由来の電流量を流す事ができます。

ハンダごて

電子工作でもっとも時間のかかる作業です。まずは部品を配置し、配線します。部品同士は隣り合っていれば繋げられますが、離れている時は絶縁ケーブルで繋ぎます。

ヤニ入りハンダを使う

ハンダにもいろんな種類がありますが、太さ(0.8mm)のヤニ入りハンダが一番適当でしょう。1リール(1kg) を持っていますが、どんなに使っても減らない感じです。このペースだと 一生買わなくて済むでしょうね。

共晶ハンダを使おう

あまりにヘタクソなのでコテ先変えてみたりフラックスを塗りまくったりしてたんですが、ものは試しで共晶ハンダに変えてみました。とても上手になりました。 融点が180 度と低いので簡単に溶けるし、コテ先も汚れなくなりました。ホビーレベルならコチラがいいですね。

配線の種類

主にETFE 線(0.32 程度) を使います。ハンダの熱で皮膜が溶けないので、込み入った箇所への取り付けも楽です。ハンダのヤニが飛ぶと表面張力で弾かれるので、 コテ先のハンダに先に触れさせておきます。すばやくやるのがコツです。特にトランジスタは熱に弱いので、足一本毎に冷却時間をしっかりとります。

基板のハンダ付けのコツ

コテ先を当てておいてハンダを流し込むのが正当派ですが、私はこれが苦手です。ハンダが思ったように溶けず、また加熱しすぎてしまうからです。(基板を固定するのも面倒だし・・・)
私はまず基板にフラックスを少量塗っておいて、コテ先に乗せたハンダをジュッと流し込みます。フラックスのおかげで十分綺麗に仕上がります。また熱に弱い部品にはヒートクリップが有効です。 終わった後でフラックスリムーバーで綺麗に流し取ります。
水を使用しないクリーニングワイヤーを使ったコテ先クリーナー(白光)を利用すると驚くほどコテ先を綺麗に維持できます。ハンダのノリがすぐ回復するので、作業効率も上がります。

コテ先の手入れ

コテ先に付く汚れはヤニ、配線の被服、そして酸化物です。チップリフレッサーにジュワッっと付けて湿らしたスポンジで落とし、クリーニングワイヤーのコテ先クリーナーで仕上げます。一度で落ちない時は 何度か繰り返します。それでも落ちないガンコな汚れは一度よく熱して炭にします。次に板ヤスリでゆっくりと炭だけを擦り落とします(メッキは極力削らないように優しくゆっくりと)。 最後にもう一度、当初の手順で手入れを行えば再び新品同様のツヤが得られます。
ただしコテ先は消耗品でもあります。ある程度使ったら素直に買い替えましょう。

ハンダを取り除く

むりに取ろうとするとスルーホールめっきまで剥がれてしまいます。ハンダ吸取線を使って吸い取ります。少しパワーがあるハンダこて(ブーストボタンがあると便利)でないと ちっとも溶けない上に電子部品を焼き潰してしまうでしょう。スペースに余裕があるなら部品だけ切り取って、別の穴に再配置する方が楽です。