電気の研究

  • ELECTRONICS

電池とは?

・物質が持つエネルギーを電気エネルギーに変換する物

電池の種類

・化学電池:化学的なエネルギーを電気エネルギーに変換する。(例:乾電池やリチウムイオンバッテリー)

・物理電池:物理的なエネルギーを電気エネルギーに変換する。(例:太陽電池や原子力電池)

化学電池の歴史

・1791年:ガルバニ電池(電池の原理)
・1800年:ボルタ電池(最初の電池)
・1836年:ダニエル電池(ボルタ電池の改良版)
・1859年:鉛蓄電池(最初の2次電池)
・1866年:ルクランシュ電池(マンガン電池の原理)
・1887年:屋井電池、1889年:ガスナーヘレセンス電池(最初の乾電池)
・1899年:ニッケルカドミウム電池
・1947年:アルカリ電池
・1979年:リチウムイオン電池
・1980年:ニッケル水素電池

化学電池の原理(1次電池)

例:ボルタ電池(最初の1次電池)

バッテリー00
硫酸水溶液中で負極(亜鉛)がイオン化し、電子が正極(銅)へ移動する。正極では水溶液中の水素イオンが電子を受け取り水素ガスが発生する。

化学電池の原理(2次電池)

例:鉛蓄電池(最初の2次電池)

バッテリー01
放電時:硫酸水溶液中で負極(鉛)がイオン化し、電子が正極(二酸化鉛)へ移動する。正極では二酸化鉛と水溶液中の水素イオンが電子を受け取り硫酸鉛が析出する。負極でも硫酸鉛が析出する。

バッテリー02
充電時:負極(硫酸鉛)では電子を受け取り鉛と硫酸イオンに分離する、電子が正極(二酸化鉛)へ移動する。正極(硫酸鉛)では電子を失い水と反応し二酸化鉛と水素イオン、硫酸イオンに分離する。

リチウムイオン電池の原理

バッテリー04
放電時:負極(炭素)に蓄えられているリチウムイオンが電解液中へ放出される。正極(コバルト酸リチウム)ではコバルト酸リチウム内にリチウムイオンが入り込む。

バッテリー05
充電時:正極(コバルト酸リチウム)に蓄えられているリチウムイオン電池が電解液中へ放出される。負極(炭素)では炭素内にリチウムイオンが入り込む。

リチウムイオン電池の特徴

・リチウムの原子番号が3番と小さく、エネルギー密度が高い。
・リチウムの標準酸化還元電位が非常に低いため高電圧が取り出せる。
・リチウムは水と爆発的な反応を起こすために電解液に有機溶媒()が用いられる。
・リチウムイオン電池内でのリチウムは金属リチウムではなくリチウムイオンとして存在する。
・両電極が層状になっており、その隙間にリチウムイオンが入り込む形になっている。(インターカレーション型電池と呼ばれる)
・リチウムイオンが両電極の間を移動するのみなので電解質の濃度が変化しない。(ロッキングチェア型電池と呼ばれる)

バッテリー06

リチウムポリマー電池の特徴

・電解液である有機溶媒に高分子ポリマーを混ぜて、ゲル状にしている。
・電解液がゲル状になっているため短絡が起こりにくい。
・液体が存在しないため、電池の形の自由度が高い。
・液体が存在しないため、液漏れしない
・電池内で問題があっても、電池自体が膨らむことにより内圧が高まりにくい。

 

電池の安全

・電池は化学エネルギーを電気エネルギーとして取り出す。

・電池の内部では、化学反応が起きており、正常に反応しているときには問題が起きにくい。

・異常な反応が起きた場合、発熱・液漏れ・破裂・発火が起きる。

 

乾電池の安全性

・逆接(逆装填)・短絡(ショート)・過放電などで電池に異常な反応が起きる。

発熱   逆装填や過放電・充電が起きないように電池の形が定められている。
また容易に短絡しないように電池のパッケージなども定められている。
液漏れ   電池の構造上、液漏れを完全に防ぐのは難しい。電池をセットする機器側、または使用者側で注意する。
破裂   乾電池には安全弁が備わっており、内部でガスが発生した場合には安全弁よりガスが排出され破裂しにくくなっている。

 

リチウムイオン電池の安全性

・逆接・短絡・過放電・過充電・過電圧・過電流などで電池に異常な反応が起きる。

・電池自体のエネルギー量が乾電池などに比べて大きい、電池内の反応が急速に進みやすい、電解液に可燃物を使用している、などから取り扱いには細心の注意が必要になる。

・電池を個別に制御する基板などが必要になる。

・電池が金属缶で覆われているために破裂した場合、事故につながる場合がある。

 

リチウムポリマー電池の安全性

・リチウムイオン電池とリチウムポリマー電池の違い。Li_Li-Po

・基本的にはリチウムイオン電池と注意、保護する点は同じ。

・大きく異なる点は外装に金属缶を用いずに金属ラミネートフィルムを用いている。
※電解液の中にポリマー(高分子素材)を混ぜることで、電解液がゲル状になる。液体が存在しないので金属缶が必要ない。

★この構造のおかげで電池内部でガスが発生しても金属ラミネートフィルムが膨らむことで内圧が高まりにくく破裂することが少ない。

保護項目 保護内容 保護がなかったら?
過充電保護 電池の容量以上に充電しないようにする。 過充電が起きるとガスが発生し、熱を持つ。
過放電保護 必要以上に放電しないようにする。 放電が進みきると、充電反応が起きなくなる。
過電流保護 定められた電流以上流れないようにする。 過電流が流れると熱を持ち短絡する可能性が増える。
過電圧保護 定められた電圧以上かからないようにする。 過電圧がかかると熱を持ち短絡する可能性が増える。
短絡保護 回路内で短絡が起きた場合、
異常な電流が電池に流れないようにする。
異常な電流が流れた場合、電池内で異常な反応が起きる。
温度保護 温度によって充放電の可否を行う。 適正温度以外での充放電では電池内の反応が正常に行われない。
逆接保護 逆に電流が流れても電池を保護する。 逆に電流が流れると電池内で異常な反応が起きる。
2017年4月24日

ACアダプター

1.定義
  商用の交流電源より入力し、目的の電力を出力する補助機器。

2.種類
  AC-ACアダプターとAC-DCアダプターがある。
  AC:Alternate Current(交互の+電流=交流)
  DC:Direct Current(直接の+電流=直流)
  Adapter:適応させるもの

  • AC
    AC(交流)
  • DC
    DC(直流)

3.基本構造
  ①降圧
  ②整流
  ③平滑
  ※トランス式の場合。

ac-dc3

4.構成部品
  ①トランス:電気エネルギーを磁気エネルギーに変換し、磁気エネルギーを電気エネルギーに変換する。
        原理は1831年イギリスの化学者・物理学者マイケル・ファラデーが「電磁誘導の法則」として発見。
  ②ダイオード:電流を一定方向にしか流さない作用を持つ。
  ③コンデンサ:電荷を蓄えたり、放出したりする。

5.トランス
  ①原理
   一次コイルN1に交流電流を流し、変動磁場を発生させ、それを相互インダクタンスで結合された二次コイルN2に伝え、
   再び電流に変換し、出力する。
   N/N=k・V/V
  ②歴史
   1884年〜1885年 ブタペストのガンツ社の技術者ジペルノウスキー、ブラーティ、デーリが効率的なZBD式の鉄心モデルを開発。

  • transformer2
    トランスの基本原理図
  • transform
    実物のトランス(弊社所蔵)

6.主な方式
  ①トランス式
  ②スイッチング式

  スイッチング式の回路図
ac-dc_sw

  • ac_tablet
    タブレットのACアダプター(BAC-02K)
  • ac_dvd
    ポータブルDVDのACアダプター
    (BDP-AC)
  • ac_tv
    テレビのACアダプター(BTV-AC5)
2017年11月2日

液晶ディスプレイ

1.定義
  液晶ディスプレイ(Liquid Crystal Display)。
  →液晶を利用する平面状、薄型の視覚表示装置。
  液晶とは液体状の結晶。

2.歴史
  1888年:オーストリアの植物学者フリードリッヒ・ライニツァーが液晶(安息香酸コレステロール:C34H50O2)を発見。
  1889年:ドイツの物理学者オットー・レーマンが液晶を解明。
  1917年:フランスのチャールズ・モーガンがガラスをすり合わせる液晶配列技術を提案。
  1962年:RCA研究所のリチャード・ウィリアムズが液晶に電気刺激を与えると光の透し方が変化することを発見。
  1968年:RCA研究所のジョージ・ハイルマイヤーが液晶を使う世界初の表示装置(DS方式)を試作。
  1969年:ケルカーが室温で動作する液晶(MBBA:C18H21NO)を合成。
  1971年:世界初の液晶を搭載した電気腕時計(ハミルトン社)。
  1984年:世界初の2型のカラー液晶を搭載したポケットテレビ(セイコーエプソン)。
  1996年:10.4インチカラー液晶を搭載したテレビ(シャープ)。

3.構成
  DS(Dynamic Scattering/動的散乱)方式

  • DS_ON
    <液晶への印加電圧がオフのとき>
    液晶の結晶性が保たれているため光が透過する。
  • DS_OFF
    <液晶への印加電圧がオンのとき>
    液晶の結晶性が乱されて光が散乱する。

4.原理
  1.液晶は電気情報を光情報に変換する媒体に使われる。
  2.電気がないときは光は液晶を透過する=光がある。
    電気があるときは液晶は光を散乱させる=光がない。

5.応用例
  TN(Twisted Nematic)方式:低電力、コントラストが高い。
  VA(Vertical Alignment)方式:視野角が広い、コントラストが高い。
  IPS(In-Plane-Switching)方式:視野角が広い、色再現性が高い。

LCD_sw2

ポータブルDVDプレーヤー「BDP-1040W」の液晶パネル(左)とバックライト(右) (弊社所蔵)
2018年1月31日

テレビ

1.定義
  語源:TELE VISION = 遠く離れた(ギリシア語)+視界(ラテン語)
  定義:実像をほぼ同時に遠く離れた空間に再現する。

2.歴史
  1843年:アレクサンダー・ベインが静止画像を走査し電気信号に変換・電送する装置を開発(FAX)。
  1873年:イギリスで明暗を電気の強弱に変えて遠方に伝えるテレビジョンの開発が始まる。
  1884年:ポール・ニプコー、直列式の機械走査を実現する「ニプコー円板」の発明。2次元の画像を1次元の信号に変換した。
  1896年:グリエルモ・マルコーニが電磁波を使って、モールス信号の無線通信実験。
  1897年:フェルディナント・ブラウンがテレビの受像管に用いる陰極線管であるブラウン管の発明。
  1911年:ボリス・ロージングが世界で初めてブラウン管を用いたテレビの送受信実験。
  1925年:ジョン・ロジー・ベアードが世界初のテレビ(機械式、白黒)を開発、公開実演。
  1926年:高柳健次郎が電子式テレビ受像機(ブラウン管テレビ)の開発。
  1927年:フィロ・ファーンズワースが電子式テレビ撮像機の開発。
  1928年:ジョン・ロジー・ベアードがカラーテレビの公開実演。
  1929年:BBCがテレビ放送開始。

  • Nipkow disk
    ジョン・ロジー・ベアードとテレビ送信機
    (中央の穴の空いた円板がニプコー円板)

3.構成
1)全体像
TV_signal(zentai)

2)詳細(地上デジタル放送)
TV_signal(detail)

3)テレビ受像機
TV_receiver_main_parts_ss

4.部品
  ①アンテナ
  1)概念:高周波電流を電磁波として放射し、逆に空間の電磁波を高周波電流に変換する装置。
    語源:Antenna 昆虫の触覚

  • rod_antenna
    ロッドアンテナ
  • yagi
    八木アンテナ
  • parabola_S
    パラボラアンテナ

  2)歴史
    1887年 ヘルツが現在のアンテナの基本形(ダイポール、ループ、パラボラアンテナ)を製作。
    1926年 八木 秀次と宇田 新太郎が八木・宇田アンテナを発明。

  3)構成・原理
    (1)コンデンサの間に電界が生じる。
      コンデンサの間に空間があるが交流信号は流れる。
    (2)コンデンサの間を広げて外側に向けたものがアンテナ。
      アンテナから空間に向かって電界が放射され、電界の変化により磁界が発生する。
    (3)磁界の変化によって電界が発生する。これが繰り返され電磁波が伝搬する。
    (4)電磁界に金属棒があれば、高周波電流が流れる(受信)。

antenna_principle

  ②チューナー
  1)概念:同調回路。同調、検波、出力回路のセットを指すこともある。
    語源:tune 調整する。調律する。(ギリシア語の緊張、音の調子)

  2)歴史
    1874年 ドイツのフェルディナント・ブラウンが金属硫化物に金属を接触させて整流作用が生じることを発見。
    1890年 フランスのエドアール・ブランリーが電磁波によるコヒーラ現象を発見。
    1894年 イギリスのオリバー・ロッジがコヒーラ検波器を考案。
    1898年 イギリスのオリバー・ロッジが同調回路を発明。
    1904年 ジャガディッシュ・ボースが方鉛鉱に金属針を接触させた鉱石検波器を発明。
    1906年 グリーンリーフ・ピカードがシリコン結晶に金属針を接触させた鉱石検波器を発明。

  3)構成

tuner_structure_photo

    (1)同調回路
      共振回路により目的の周波数を取り出す。
      共振回路はコンデンサとコイルから成る回路。
      コンデンサ:周波数が上がるほど電流が流れやすくなる。
      コイル:周波数が上がるほど電流が流れにくくなる。
      →コンデンサの容量の値を変えて共振周波数(選局する周波数)を変える。

  • kyoshin2
    設定した周波数のみ共振回路を通過する
  • kyoshin2s
    共振回路はコンデンサとコイルから成る
  • kyoshin3
    共振周波数を変えて選局する

    (2)検波回路
      復調回路のことである。
      復調回路:選局された周波数の電流から高周波の搬送波を取り除き、低周波の元の電気信号を取り出す。
      初期の検波回路は鉱石検波器(下図、半導体の性質を持つ鉱石に金属針を立てたときの整流作用を使う一種のダイオード)が用いられた。

crystal_detector

    (3)出力回路
      復調回路によって取り出された元の電気信号を出力する。

  ③デコーダー
  1)概念、語源
    code(コード):符号
    符号化(エンコード):情報の伝送・記録・処理を目的として情報の表現方法を変換すること。
    復号化(デコード):符号化した情報をもとに戻すこと。
    <符号化の種類>
    (1)情報源符号化(データ圧縮)
    (2)通信路符号化(誤り検出訂正)
    (3)暗号符号化
    (4)伝送路符号化

  2)歴史
    1832年 アメリカのサミュエル・モールスがモールス符号を考案。
    1948年 アメリカのクロード・シャノンが情報理論を提唱。
    1949年 スイスのマルセル・ゴレイが誤り訂正符号を開発。
    1991年 画像圧縮規格「JPEG」標準化。
    1992年 映像圧縮規格「MPEG-1」標準化。
    1994年 映像圧縮規格「MPEG-2」標準化。

Morse_Code2

  3)構成
    上述の「3.構成」の2)参照。

  ④スケーラー
  1)概念、語源
    デコードされた映像信号を調製し、液晶パネルに美しく表示する回路。
    Scaler:計量する人。
    <主な機能>
    (1)解像度変換
    (2)i/p変換

  ⑤表示
   ブラウン管:電子ビームを蛍光面に当てて、電気信号を光学像に変える陰極線管。
   液晶パネル:上述の項目「液晶ディスプレイ」参照。

  • braun_tube
    ブラウン管

5.色
  ①概念
  光の感覚により色が生まれる。色には色相、彩度、明度の三要素がある。

  ②表現
  (1)解像度
    画像の細かさ(単位長さ当たりの画素の数)を示す。画素は色情報を持つ最小単位。
  (2)色深度
    1画素が表示できる色の数を示す。色深度が高いほど多くの色を表示できる。
  (3)色域
    表現できる色の範囲を示す。
  (4)輝度
    画面の明るさを示す。最大輝度/最小輝度をコントラスト比と呼ぶ。
  (5)フレームレート
    1秒間に表示できる画像の枚数を示す。レートが高いほど動きが滑らかになる。

6.電磁波
  ①周波数
   地上アナログ放送:90〜220MHz(超短波/VHF)、470~770MHz(極超短波/UHF)
   地上デジタル放送:470~770MHz(極超短波/UHF)
   BS/CSデジタル放送:11~12GHz(マイクロ波)

  ②方式
   日本:ISDB(Integrated Services Digital Broadcasting)
   アメリカ:ATSC(Advanced Television Systems Committee standards)
   ヨーロッパ:DVB(Digital Video Broadcasting)

 <電波の割り当て>

  • frequency_allocation_japan
    日本(クリックで拡大)
    出典:総務省
  • frequency_allocation_us
    アメリカ(クリックで拡大)
    出典:National Telecommunications and Information Administration
2018年2月27日

ポータブルDVDプレーヤー

1.定義
  DVDとは:Digital Versatile Disc(第二世代の光ディスク)※Versatile:多彩な
  光ディスクとは:光を用いてデータの読み書きを行う記録媒体。
  ポータブルDVDプレーヤーとは:DVDを読み取ってディスプレイに表示するポータブル電子機器。

2.歴史
  1884年:グラハム・ベル、チチェスター・ベル、チャールズ・テインターが光ビームでガラス円盤に音を録音。
  1924年:ウラジミール・ロッシーネが音のパターンをガラス円盤に書いて音を得る電子オルガンを開発。
  1958年:デビッド・ポール・グレッグ(アメリカ)が光ディスクを発明。
  1965年:ジェームズ・ラッセルがデジタル式光ディスクを発明。
  1972年:フィリップスがVLP方式のビデオ用光ディスクを発明。
  1978年:レーザーディスク(フィリップス/MCA共同規格)の装置販売。
  1982年:世界初のCDプレーヤー(ソニー、日立、コロンビア)、CDソフト(CBS・ソニー)。
  1996年:世界初のDVDプレーヤー(東芝)、DVDソフト(松下、ビクター)。
  1998年:世界初のポータブルDVDプレーヤー(松下電器産業)。
  2003年:世界初のBlu-ray Discレコーダー(ソニー)。

  • 世界初のポータブルDVDプレーヤー

3.構成
portableDVD_s

4.原理
  レーザーで記録(穴を作り)し、レーザーで読み取る。

5.主要部品

  • BD_OPU_ss
    Blu-ray Disc用光ピックアップ(弊社所蔵)
  • DVD_OPU_ss
    DVD用光ピックアップ(弊社所蔵)
  • DVD_OPU_bunkai_ss
    DVD用光ピックアップ部品(弊社所蔵)
  • DVD_OPU_motor_ss
    送りモーターとディスクモーター(弊社所蔵)
  • Lens_ss
    Blu-ray/DVD用対物レンズ(弊社所蔵)
  • DVD_Laser_ss
    赤色半導体レーザー(弊社所蔵)
  • Blue_laser_ss
    青紫色半導体レーザー(弊社所蔵)
  • laser2
    青紫色半導体レーザーチップ(弊社所蔵)
  • BDP-1720
    ポータブルDVDプレーヤー(BDP-1720、弊社所蔵)

 

2018年2月7日
BLUEDOT研究所

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