章エコ・デバイスってなぁーに？

序章 エコ・デバイスってなぁーに？

ード型へ、消費する電力が約 Ｗから数 へと大きく

この進化によって、電卓は、左図⒞のように重さ

エコ・デバイスの進展

エコ・デバイスって 何 な のでしょうか？ エコは変貌しました。 特に、電力面では、約数千万分の一エコ・デバイスってなぁーに？

”で、生態学とか、生態環境の意味ですので、“
ecology：素子）の意味
環境を配慮した電子デバイス（ deviceが ㎏から ｇへ、大きさが机上に載る大きさからカになります。
電子デバイスは、左図⒜のように真空管からトラン策です。 その考え方は、ディスプレイの世界にもありへと省エネルギー化しました。これは、大変なエコ対ます。つまり、ブラウン管を用いた表示から液晶ディジスタ等の個別（ディスクリート）素子、そして、個別素子を用いた電子回路を一つの半導体基板（シリコンウスプレイの開発へとつながっております。 また、エコ対

この省エネルギー化（エコ対策）は、電子機器におい）による照明ランプへド（ Light Emitting Diode : LEDも波及しているのです。

策の考え方は、白熱電球、蛍光灯から発光ダイオーェハー）に集積した集積回路（ Integrated Circuit : ）ICへと進化してきました。 さらに、この集積回路は一つの電 子 機 器の機 能 を 集 積 化 する 大 規 模 集 積 回 路）へと進化しました。この技術（ Large Scale IC : LSIをフルに利用して小型軽量化、および、省エネルギー消費電力

約40W

数μW

構成素子

ダイオード：約2,000個
トランジスタ：約 600個

CMOS-LSI：1個

表示素子

ニクシー管

液晶ディスプレイ

表示桁数

16桁

8桁

計算機能

四則演算、√計算、メモリ付

四則演算、√計算、メモリ付

電源

交流100V

太陽電池（ボタン電池）価格

約40万円

約1,000円ては駆動するための電源システムにも依存します。つ33g化を大幅に達成したのが電卓なのです。 もちろん、1993年

13kg

まり、電子機器自体の電力削減化の他に電源システ

1965年

重量

この電子デバイスの進化とともにディスプレイの進化

発売時期

ムの電力損失低減が重要になります。この鍵を握る

カード電卓 LC-866

BOXμW

33

昔の電卓 BC-1621もありました。 電卓の表示体は、ニクシー管から蛍11●エコ・デバイスは、環境を配慮した電子デバイスのことです！
●エコ・デバイスは、電子機器自体の消費電力を削減する素子です！
●パワーデバイスを「エコ・デバイス」と呼ぶこともあります！
● LSI：Large Scale Integrated Circuitの略で、大規模集積回路のことです！
● CMOS-LSI：Complementary Metal Oxide Semiconductor-LSIの略で、相補型金属酸化膜半導体大規模集積回路と呼ばれ、シリコン基板にpMOSとnMOSトランジスタを使用して電子回路を集積化したものを指します！

10（c）電卓（電子式卓上計算機）仕様の変遷のが「パワーデバイス」
ですので、「パワーデバイス」を“エMPU
マイクロプロセッサ

要点
用語解説4013

個別素子（ディスクリート素子）

各種集積回路コ・デバイス”と呼ぶこともあります。

（Shouldered Tube管）（Glass Tube管）

MT管
GT管
ST管

なす管

メモリ

各種真空管

（MiniatureTube管）（b）世界初の液晶表示電卓と搭載されたLSIウェハー

光表示体へ、そして、 液晶表示体へと進み（左図⒝宇宙に行けるのもエコ・デバイスのおかげ！

参照）、現在のカード型電卓へと進化したのです。

出典：くろにか舎、”
液晶とは、イカなるものか？”、テクノコム、理工・生命系学部・学科進学ブック 2011、（財）産業教育振興中央会、
pp.25-29.

1（a）電子デバイスの変遷

序章 エコ・デバイスってなぁーに？

電子機器の省エネルギー化は、電子機器自体を構い、電力の削減を図ります。この変換（コンバータ）とその際に電圧や周波数を変えて電子機器の制御を行節電に寄与する
パワーデバイス

成する電子デバイスの消費電力の削減にあり、また、逆変換（インバータ）とによってインバータ装置（通称、エコ・デバイスと呼ばれるパワーデバイス！

電子機器を駆動するための電源供給システム、つまり、インバータ）が構成され、多くのパワーデバイスが用い： DC）に変換、用駆動電気（直流 /Direct Current
あるいは、その逆を行う電子デバイスを指します。一制御し、電力の削減を図ります（ＶＶＶＦ方式）。②ます。 例えば、①モータは、電圧や周波数を変えて図る対象の電気製品によって、いろいろな方式があり主なパワーデバイスを左図⒞に記します。

られます。ここで、各種電源装置と機能、および、パワーデバイスの電力削減化もあります。
このパワーデバイスは、左図⒜のように商用電気（１般の家庭用電気製品は交流で動作しますが、その消蛍光灯やＩＨ調理器などは、周波数を変えて制御し、００Ｖ 交流費電力を削減するには商用電気（交流）の電圧や周波電力の削減を図ります（ＣＶＶＦ方式）。 ③コンピュー

この電気を変換する方式には、省エネルギー化を数を変えて行います。この代表的な家電が“インバー）を電子機器ACタエアコン”です。ここで、商用電気（交流）は、電力タは、電圧や周波数を一定に保って制御し、電力の削：/Alternating Current

会社より電圧や周波数が一定で送られてきます。この商用電気

インバータ装置

各種パワーデバイス
スイッチングある大きさの直流（DC）
をレギュレータ
他の大きさの直流（DC）に（DC-DCコンバータ） 変換する装置

備考
機能内容
名称

このインバータによって可変電圧、可変周波数をもつ交流ができる！
このコンバータによって交流を直流に変える！

（c）各種電源装置

コンバータ（変換器/整流器）

交流（AC）を直流（DC）に変換する装置

整流素子、パワーデバイスなど

周波数変換器交流（AC）の周波数を他の周波数に変換する装置

パワーデバイスなど

インバータ（逆変換器）

直流（DC）を交流（AC）に変換する装置

IGBT、パワーデバイスなど

BOX減を図ります（ＣＶＣＦ方式）。

コンバータ● パ ワ ー デ バ イ ス は、商 用 電 気（100V 交 流/AlternatingCurrent:AC）を電子機器用駆動電気（直流/Direct Current:DC）に変換、あるいは、その逆を行う電子デバイスを指します！
● VVVF：Variable Voltage Variable Frequencyの略で、可変電圧、可変周波数の意味です！
● CVVF：Constant Voltage Variable Frequencyの略で、一定電圧、可変周波数の意味です！
● CVCF：Constant Voltage Constant Frequencyの略で、一定電圧、一定周波数の意味です！
● IH：Induction Heating（誘導加熱）のことで、代表的な製品として調理器に使われています！

12
商用電気（交流）の電圧や周波数を自由に変えること

直流

産業機器用
エアコン用モータ

13

インバータ

以上のように、パワーデバイスは家 電 製 品、 産 業

コンデンサは容易ではありません。 そこで、左図⒝のように商交流

AC

DC

交流

用電子機器などの電力削減には重要な素子のために「エ（b）インバータ装置

コ・デバイス」と呼ばれるようになったのです。

直流（DC）
0V

可変電圧、可変周波数をもつ交流

AC

一定電圧、一定周波数をもつ交流

時間［t］

用電気（交流）を一旦、直流に変換し（コンバータ）、そ交流（AC）の直 流をさらに交 流に逆 変 換します（インバータ）
。

時間［t］
0V

要点
用語解説

2（a）交流（商用電気：AC）と直流（DC）

序章 エコ・デバイスってなぁーに？

交流から直流へ、直流から交流

電流は、正孔の流れ（電子の流れの逆）で一定の方向

電気は、大きさ（電圧）と流れ（電流）とで表します。
ば実線のような電流が流れ、Ａ端がマイナス（－）
、Ｂ

ここで、Ａ端がプラス（＋）
、Ｂ端がマイナス（－）であれード（半導体素子）
で、矢印の方向に電流が流れます。

電気変換を行う
パワーデバイスに流れている電流を“直流（ＤＣ）”、流れの向きが交端がプラス（＋）であれば点 線のような電 流が流れ、への変換を行うパワーデバイス！

互に換わる電流を“交流（ＡＣ）”と呼びます（ 項参発電所から送られてくる電気は送電線での損失を少照）。 乾電池の電気は直流、家庭用電気は交流です。
が流れ、直流に変換されたことになります。

結果的に負荷（電気製品等）には常に同じ向きの電流なくするために交流で、電気の流れの方向を換えるな“インバータ（これを逆変換回路（器）と呼ぶ）”で変同様に、直流を交流に変換するには左図⒝のようをオン、回数があり、これを「周波数」と呼びます。この周波時 間で と換します。 今、四つのスイッチをある時間ごとに切り

時間［t］

数は、富士川以西の地区（西日本地区と呼ぶ）は米国替えていきます。 例えば、t2と負荷には滑らかな正弦波の交流が現れます。
以上のように、商用電気を制御するにはコンバータインバータの動作波形

S2&S4がオンの時秒間に 回電流方向が変S1と をオフにしますと負荷に ⊕が現れ、 時間と をオフ、 と をオンにしますと 負 荷にS4の発電機導入から ㎐（でS3
時間［t］化）、富士川以東の地区（東日本地区と呼ぶ）はドイ
S2が⊕現れ、 負 荷に交 流が現れたことになります。
ここで、スイッチのオンオフ時間を変え、平滑します⊖

S1&S3がオンの時ツの発電機導入から ㎐になっています。この周波数

t1
S2&S4がオンの時

BOX

S2とインバータとによる電気の変換が重要になります。

時間［t］＋−−

負荷
直流電源

t2時間
S3
S4

S2

時間［t］

●電気は、大きさ（電圧）と流れ（電流）とで表します。電流は、正孔の流れ（電子の流れの逆）で一定の方向に流れている電流を“直流（DC）”、流れの向きが交互に換わる電流を“交流（AC）”と呼びます！

14S4

S3−
S1

t1時間

S115の違いは、新しい電気製品では両方に対応しています（b）インバータの動作原理

要点●電子（Electron）と正孔（Hole）：物質を構成する原子は、原子核とその回りを回る電子から構成されています。
これらの負の電荷をもつ電子は、正の電荷をもつ原子核と電気的に結びついていますが、外部からのエネルギーで結晶内の空間を自由に動くようになります。この電子を“自由電子”と呼びます。この自由電子が飛び出した跡は正の電荷が残り、この近傍に電子が近づくと自由電子の抜けた跡に再び電子が入り込みます。このように、自由電子の抜けた跡には、あたかも正の電荷をもつ孔が動くように見えるために、この孔を“正孔”と呼びます。

2＋−負荷t⊖60が、古い電気製品では対応しないこともあります。

A端時間［ ］コンバータの動作波形
コンバータの動作説明図t
D1&D3がオンの時
交流＋直流電源＋

S1&S3がオンの時

1

この交流を直流に変換するには左図⒜のような“コD3D4時間［ ］と呼ぶ）”で変換します。 図中の三角形表示はダイオ

負荷

直流−
B端

S2S1

交流
D2&D4がオンの時
B端
負荷＋
D2D1A端S3S46050ンバータ（これを変換回路（器）、あるいは、整流回路

用語解説

3（a）
コンバータ
（整流回路）の動作原理