2010
年 11月10日 ミニクリスマスツリーを作ろう
‐‐‐ 電子工作 はんだづけ ( 半田付け )に挑戦 ‐‐‐ |
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今週は、電子工作に挑戦しました。
以前から、管理人は、電子工作が好きだったので、電子工作や はんだづけを、みんなに体験してもらいたいと 思っていました。 今年度の第一回の科学クラブで、児童から電子工作の希望がありましたので、みんなで、 チャレンジしてみました。
( 今回と次回は、かなり前置きが長いです。すいません。 それだけ、準備をしたということで・・・。 本来はこのようなことは、表に出すことでは無いのかもしれませんが、やったことの記録として 今後の参考のために、メモや防備録としてアップさせて頂いております。 )
・ 直接当日の様子を、すぐにご覧になりたい方は、こちら です。 (当日の様子にジャンプします。)
何を作りましょうか? 昔話で恐縮ですが、管理人が、小学校の頃、学研の電子ブロック(最近まで復刻版がありました。)を 買ってもらい、いつもいじっていました。 (友人は、マイキットでした。こちらも最近まで復刻版がありました。 それぞれ、まだ店頭にはあるようです。) これらのおもちゃは、100種類以上のいろいろな電子回路が 組めるので、家の中で遊ぶ時は、このような物で遊んでいました。( むかしは、DSのようなゲームの機械は ありませんでした。) 管理人は、ラジオが好きなので、ラジオを作りたかったのですが、ラジオだと予算も かかりそうですし、クラブの時間内(1時限正味30分)に作るのは何時限も費やしそうなので、簡単な物をと 思いました。(経験的に、3時限以上、同じ内容をやっていると児童が飽きてきてしまうようです。) 子供達は、音が出たり、光が出たりする物に特に興味があるようです。 何か良い物は無いかと探していたら、 電子ブロックの本の中に、電球の点滅回路がありました。2個の電球が、交互に点滅する回路です。 部品の数も少しです。これで赤いLED(電流を流すと光る部品->こちら(Wikiのページ))などを使って、 踏切の警報機でも作ろうかと思いました。 しかし、管理人の子供に聞いてみると、光るだけでなく、 音も出れば良いかもしれないけど、踏切の警報機なんか作っても嬉しくないと言ってました。 きっと、踏切の警報機を作っても、翌日には見向きもしてくれないと思います。(^_^;) これでは作りがいや、準備のしがいもありません。 そこで、何か良いものはと考えていたところ、電球がチカチカするものと言えば、クリスマスツリーが 思い浮かびました。クリスマスツリーにすれば、作製した翌日も、翌々日も、少なくとも今年のクリスマスまでは、 飾ってもらえると思いました。 ( 来年までは分かりませんが ・・・ ) 管理人の子供達に聞いても、 興味がありそうでした。 このようないきさつから、電子工作は、クリスマスツリーの製作をすることに決めました。
回路の選定 次に、回路をどのようにするか考えなくてはなりません。 電球やLEDを点滅させるのには、いくつかの 方法があります。 代表的な物を考えると、・・・ (ここでは、電球ではなく、消費電流の少ないLEDとしています。)
1. トランジスタを使って、非安定マルチバイブレーターという回路を使う。( 部品を使って自分で作る。) 2. 点滅させるためのIC(集積回路) を使う。 (点滅の機能を持った電子回路が組み込まれているIC。) 3. 自己点滅型の電球やLEDを使う。(電源を繋ぐだけで、自分で点滅する電球、LED。)
大きく分けて、以上、3つがあげられると思います。 それぞれの長短所を比べると、
( 点滅用ICや自己点滅ICは、予算が高いといっても、数十円の話です。 数円でも予算を少なくしたいので、 このような表現になっています。) 細かいことを言うと、もっと沢山のことがありますが、おおざっぱには上記のような感じです。 ここでは、やはり、予算を中心に考えていきたいと思います。
1.は、電子部品だけでなら50円前後でいけそうです。 2.は、点滅する系統が2系統ですと、それだけで、ICを2個使い、100円を超えてしまいます。 3.も、1系列に1個の自己点滅LEDを使うので、2系列だと、他の部品と合わせて、100円を超えそうです。
このため、1.の マルチバイブレータで行くことにしました。
マルチバイブレーターは、以下のような回路です。 マルチバイブレータについては、こちら(Wikiのページです。)
( いきなり回路図で、すいません。興味の無い方は、読み飛ばしてください。) 抵抗(電気がたくさん流れないように制限する部品、単位:オーム、Ω Wikiのページは、こちら )が4個、 電解コンデンサー(電気を一時的に貯める部品、 単位: ファラッド、F Wikiのページは、こちら)が2個、 トランジスタ(電流を増幅したり、スイッチとしての働きがある3本足の部品 Wikiのページは、こちら )が、2個です。 これ以外に、LEDという光る部品が2個ですが、2個だけではさびしいので、少し増やすことにします。 青いLEDは高いので、赤、黄、緑のLEDを使うことにしました。2系統あるので、赤、黄、緑それぞれ1個ずつ 計6個のLEDを使うこととしました。 電池ボックスをネットで調べると、単3電池2本用が、スイッチ付きで、1個60円(10個以上で単価50円)もします。 電池ボックスは、紙などで簡易的に作っても良いかと思いましたが、接触が不安定になると思います。 LED(LEDは、赤で2.0Vぐらい、黄、緑では2.2Vぐらいの電圧が必要です。) LEDは、下の左図のように 電流を制限する抵抗を直列に接続しなければいけません。(他の方法もあります。)
LEDを電池に対し並列につなぐと、それぞれのLEDに対し、電流制限抵抗を用意しなければいけません。 しかし今回は、各系列LEDを3個ずつ使うので、3個直列にすれば、電流制限抵抗は、各系列に1個で済みます。 しかし、電圧を上げないといけません。単3電池を直列に使ってもよいのですが、その分電池ボックスのコストが かさみます。しかし、小さい電池が6個直列に入っている、四角い電池 006P電池を使用すれば、コストは 100均で、2個100円で入手できます。(1個50円) ( 006P電池は、こちら Wikiのページ ) さらに、006P電池電池スナップも、1個10円と安いです。 これで、安いコストで行けそうです。 このような回路で行こうと思いました。 ( 初めに出てきた回路図のLEDが、3個に増えただけです。) しかし、問題が発生です。手元にある2SC1815というトランジスタは、上記の回路図のB(ベース)とE(エミッタ)間の 電圧の耐圧が5Vとなっています。さらに、マルチバイブレータは、(交互にトランジスタがON・OFFとなりますが、) OFFとなる瞬間に、コンデンサーに貯まった電圧が逆にかかるので、トランジスタが痛みます。 このため、5V以上で駆動する際は、BとEのところに、逆にダイオードという、一方向にしか電流を流さない部品を 入れた方がよいのです。 下図の下方にある、D1とD2です。 ダイオードは、まとめ買いすれば、 1本1円程度なので、コストも大丈夫です。
部品の値の決定 次に、各部品の定格を決定しなければいけません。 抵抗 R1 は、 LEDの電流を、15mA 程度として決定します。 (決定の仕方は、検索サイトでどうぞ。いろいろあります。) 各LEDの電圧を2.2V×3で、6.6V とします。(実際には、赤1.8〜2.2V、黄、緑は2.0V〜2.2V程度です。) 電源を9Vとすると、9V−6.6V=2.4V なので、2.4Vを抵抗に受け持たせるわけなので、 中学校で習った式、オームの法則の式 (抵抗:Ω)=(電圧:V)÷(電流:A) より、 2.4(V) ÷ 0.015(A) = 160(Ω) となり、抵抗R1には、160Ωの抵抗を用意すれば良いことになります。 (抵抗R4も対称なので同じです。 15mAは、0.015Aです。 ミリなので、1000分の1です。)
次に、点滅する周期を決定します。 点滅する周期は、こちら。(マルチバイブレータ、Wikiのページです。) こちらによると、発信周波数 f (1秒間に何回ちかちかするか。単位は Hz(ヘルツ))は、 f(Hz)≒0.721/R(Ω)・C(F) (Ω:オーム、電流を流れにくくする抵抗の単位、大きいほど流れにくい。) (F:ファラッド、電気を貯めるコンデンサーの単位、大きいほど電気が貯まる。) クリスマスツリーは、あまり点滅が早いと、落ち着きません。1Hzだと、1秒回に1周期なので、 左右ある回路のうち、片側が0.5秒しかついていません。これでは、ツリーらしくないので、 片側が、1秒間に1回点滅するようにするため、2Hzとして計算してみました。 電解コンデンサーC2は、管理人の家に、33μFの物があったので、それを利用することにしました。 2(Hz) = 0.721/ R(Ω)・ 0.000033(F) となり、 ( 33μF は、0.000033 Fです。 μ:マイクロなので、1000000分の1です。) R(Ω) = 0.721 / 2 ・ 0.000033 ≒ 10924 ≒ 10.9 kΩ ( 1kΩ=1000Ω) 抵抗 R2 は、10kΩとしてみます。 (R3も対称なので同じです。)
まずは、予備実験です。 (ここで紹介する程のことでもないですが、・・・・) 早速、ブレッドボードで、予備実験をしてみました。 (ブレッドボードとは、・・・ こちら Wikiのページです。 部品を差し込むだけで部品どうしを結線できるものです。ちょっとした電子工作の実験に便利です。)
(ボードの右の方にICがありますが、ICは555です。別の実験で使ったもので、今回は使っていません。) LEDは、かなり眩しいです。電流を測ってみると・・・
左は、LEDの所で計測し、14.5mA流れていました。ほぼ計算通りです。右は、回路全体として計測し、 15.2mAでした。
ツリーに繋いでみました。 ツリーと言っても、ただの厚紙にLEDを6個差し込んだだけのものです。 (期待していた方、すいません。 m(__)m ) ( 6個ある丸い所が、LEDです。 太い実線は配線です。) 図のように、LEDを差し込んで配線します。 また、配線を減らすため、抵抗R1.R4は、ツリー側に配置しました。 (上図の上方にある円筒形の部品が、R!、R4です。矢印の所から、LEDを点灯させる基板に配線します。 配線は、右上−左中−右下、 左上−右中−左下 のように、 ”く”の字、逆”く”の字となるようにしました。) ( 点灯しました。 (^。^) ) また、周期は、ダイオードを入れると計算通りに行かずに、かなり早い点滅周期となってしまいました。 R2、R3の抵抗の値を変えたり、C1、C2のコンデンサーの値を変えたりしたのですが、 1秒間に2〜3回程度の点滅で、クリスマスツリーとしてはかなり点滅の早いものとなってしまいました。 こんな感じです。 これでは、落ち着きません。 結局、トランジスタは痛みますが、ダイオードの無い回路となってしまいました。 今後、検討の余地があります。LEDの点滅は、ゆっくりの方が落ち着いていて、クリスマスツリーらしかったので、 結局、R2,R3は、120kΩとなりました。 点滅周期は計算通りには行きませんでした。 また、LEDが眩しくて直視できません。このため、LEDに流す電流を制限し、制限する抵抗R1、R4の数値を 高くしました。ツリーに見合った程度の輝度で、R1、R4は、結局、2KΩ(2キロオーム=2000オーム)となりました。 このときの、電流は、・・・
たったの1.9mA(1.9ミリアンペア=0.0019アンペア)でした。 LEDは、高輝度のタイプなので、 たったこれだけの電流で、LEDは、十分点灯してくれました。 当初の約7〜8分の1の消費電力です。 このため、電池は長持ちするようになりました。
実際のイメージとしては、こんな感じです。 ちょっと周期が長いようですが、遅いぐらいの方が、クリスマスツリーらしくなり、落ち着きます。
あまり、立派でないかもしれませんが、電子工作の入門ということで、(改良点はありますが、)とりあえず、 今年はこれで行くことにしました。、
電子部品だけでの部品代は、・・・・ ( 一人当たりです。) (1個単位で買うのではなく、100個や200個単位で買った価格です。価格は、秋月電子通商の価格です。 ( 秋月電子通商は、秋葉原にある、電子部品の販売店です。まとめて買うと、卸し的な価格です。)
合計は、57円でした。 このほかに、配線に使うコードや 来週使う基板用の銅箔テープなどがありますが、 一人当たり2〜3円程度です。 結局、電子部品関係だけで、一人当たり 約60円となりました。 このほかに、電池代が、100均で 2個 105円 なので、1個 52.5円となり、一人当たり、約113円となりました。
事前の最終準備です。 あらかじめ、学校から預かった厚紙に、ツリーの印刷した紙を貼りました。(人数分+α) ツリーの台紙には、あらかじめ、LEDの入る穴をあけておきました。(1つにつき 6か所。φ5mm。) ( LEDの固定が良いと思って、はじめはφ4mmで穴をあけましたが、φ5mmのLEDを入れるのがきつく、 なかなか挿入できませんでした。 φ5mmだと、すこし緩いです。 糊や接着剤で固定した方が良いようです。 φ4.5mm〜4.8mm程度が良いのかもしれませんが、ドリルの刃を持っていませんでした。) また、ツリーから、部品のある基板までの配線の固定用に、銅箔テープを1cm角を上下に2まいずつ、 計4枚ずつ貼りました。(ここから、LEDドライブ用の基板まで配線します。) はんだごてを使うため、以前から管理人が使っていたこてに加え、100均のはんだごてをいくつか 買い足しました。また、こてをのせる台も、100均のアルミ線で作製しました。 はんだこでの置き台です。3mmのアルミ線で作製しました。 (はんだごては、児童が13人いるので、2人に1個となるように、計7個用意) はんだも100均で買い足し用意しました。 そして、組み立て説明用紙の作製もしましたが、図を作るのに時間がかかってしまい、当日の朝4時まで、 かかってしまいました。・・・・ ( はんだ付け方法は、大洋電機産業さんのページからです。 大洋電機産業さんのはんだ付けの方法のページはこちらです。参考になります。) ( 大洋電気産業さんは、Goot というブランドで、はんだごて等を作っている会社です。 管理人も使っていました。)
いろいろありましたが、やっと準備完了です。 (^。^;)
実験当日を迎えました。 準備が当日の明け方4時までかかり、ちょっと寝不足です。
はんだごてや材料を用意し、学校に向かいました。
ヨーグルトのふたを利用し、各個人の必要な部品を分けました。
そして、それぞれのテーブルに、はんだごてや部品を準備しました。 延長コードが足りなかったので、50mのリールコードを拝借しました。・・・
児童たちが、集まってきました。来た人から、ツリーの台紙を切り抜いてもらいました。 また、LEDを台紙に取り付けたりの作業を始めてもらいました。
みんなが集まったあとで、本日の作業の概略や、はんだごての注意点、はんだの付け方などを 説明しました。 1,2で暖め、3ではんだを流し、4ははんだをとって、5でこてもとる、と、 説明しましたが、百聞は一見にしかずです。 さっそく、実演しました。
管理人がはんだ付けの実演をし、さっそく、児童にやってもらいます。
みんな熱心に作業しています。
初めてにしては、上出来です。
出来上がった人から、実際に繋げて、点灯の試験をします。 一人だけ、片側が点かなかった人がいました。
調べると、一つのLED(正面から見て、左上の黄色いLEDの接続)が、のプラス、マイナスが逆でした。 (LEDの足は、長い方がプラスです。)
それを、修正すると、ちゃんと点きました。 良かったです。
みんな、ちゃんと点きました。 良かったです。 \(^o^)/ でも、時間をかなりオーバーしてしましました。 みなさんすいません。 m ( _ _ ) m
来週は、LEDを点滅させる基板と配線して、仕上げをします。
でも、この時点で、来週使う、LEDを点滅させる(LEDをドライブする)基板は、サンプルの1個しか 作っていませんでした。 来週までに、不良等も考え、15個以上のLEDドライブ基板を作製しなければ なりません。 早速、帰って来週の準備に取り掛かります。
本日の感想、反省点など。 1. 当初から予想していたが、時間が大幅にオーバーしてしまった。 クラブの時間は、2時40分から 3時25分の45分間であるが、実際に児童が集まるのが、2時55分から3時となってしまい、 2時55分に集まったとしても、30分しか時間がとれない。(出席とりなどもあり、実際は、もっと短い。) 事前に、管理人の子供(小5)に作業をさせたところ、15分程度かかった。 はんだごてが、2人で1個なので、 単純に計算して、30分かかる予定であった。 多少の時間オーバーで行けるかと思ったが、デモや説明などで 時間を取られ、10〜15分程度余計にかかってしまった。 片づけまで入れると、4時近くなってしまった。 必要な時間数は増えてしまうが、作業を、もう少し分割しても良かったと思われる。 2. 3人がやけどした。 熱いと頭ではわかっていても、他の物を取る時に、うっかり触れてしまったようだ。 また、熱する部品の足や銅箔に触れてやけどする児童もいたようであった。 もう少し、事前の説明が必要か。 はんだごての配置も工夫が必要と思われた。右利きの人が多いので、右にはんだごてが来るようにすれば、 作業がしやすいようであった。 来週は、そのように配置したい。 アルミ線で作ったはんだごての台は、軽いため、コードのくせなどの軽い力でも、簡単に動いてしまった。 こて台が動くと、やけどのリスクが高まるため、もっと重い素材で作ったり、重りを付ける必要があると思われた。 3. LEDの足を折り曲げる作業があるが、はんだ付けをする際に、何度か足を折ったり伸ばしたりするうち、何人かの児童が 根元から足を折ってしまった。 (全員あわせて、黄色2個、赤1個、計3個) 特に上部や下部のLEDの足が根元から 折れ易かったようだ。 根元から折れてしまうと、はんだで修復しようがないので、根元でなく、足が細くなる所から 折るように指示を出せばよかった。 LED等の部品のセットは、1セット余分に用意していたが、ギリギリだったので、 もっと余裕を持って予備の部品を持参する必要があると思われた。 4. LEDの誤配線は、はんだを付けた後では、目視では判別しにくい。誤配線の場合も考え、直列ではなく、個々のLEDを 検査できるような部品(といっても、9Vの電圧でLED点灯ができるような抵抗 680Ω)を用意した。 1名LEDが点灯しない 児童がいたが、これを使用し、すぐに不良個所が分かった。 これは用意しておいて役立った。 5. 説明文書の作製など、予想より準備に時間がかかってしまった。 科学フェスタのようなイベントに出かけ、ラジオ工作などの電子工作教室などに参加したことがあるが、その際に、 電子工作教室の準備がかなり大変であろうと思ったことがある。 実際に、KEK(高エネルギー研究機構)の 一般公開の際のラジオ製作教室参加した際に聞いたことがある。 以前はKEKの職員が準備していたが、 工作教室の準備に追われ、本来の仕事ができないので、現在は外注で準備を行っている事を伺った。 今回のような簡単な電子工作でも、かなりの準備が必要であると思った。 コストはかかるが、キットを利用すれば、 事前の労力はほとんど必要ないので、キットの利用も選択肢として考えていきたい。 コストを下げる分、労力が (特に事前の準備)かかるのは仕方がない話でもあるので、コストと労力という相反する物を、いかにバランス良くこなすかが、 腕の見せ所であると痛感した。
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千葉県 柏市立富勢西小学校 科学クラブ 日記 |