౦‫ێޢ‬ĉʏˋʯ˃Ʉˁɼˋʠ˄ĜʍĜ‫ع‬ȻɡȭɘʃĜ‫غ‬Ɉ౿੼

2

C

H

OBATTE

M CA
O
K RY

C
A SE
R7

D1

T

T

TR

4

C

R5

C

R6

C

PS

R3

1

PS

ON

R
R6

R5

VR

1

D2

R1

R2

A

A

A

1

M1

R4

2SA950

A

TR

2

TR

3

TR

2SA950

2SA950౿੼ĆଌঅĆʠˁˋʐʑʗ‫ޑ‬ᇭ໴ᄑ

M2ຄࢶ൥ߔ౺દࡳ୹ॸ࢞ஒ
჎ᅰɈ‫ߔݨ‬ଞᅤ౰ਆ੐ʞʅʑʠ
3122 ༃ 8 ॢ 34 ໲

ちょこまカー、世界一 ? シンプルなライントレーサー
ライントレーサーというのは、床の上に引かれた線を自分で見分け、モーターを動かしたり

ON

R
A
C
A E
M CAS

KO RY
OBATTE

明るさは左の方が明るい。この場

6
TR合は左のモーターが回転し、右のモーター（回る）

左の方が明るいは右に曲がり、ロボットの進路がロボットは右に曲がる

線の方へ修正されます。

トランジスタ

ON

R

KO RY
OBATTE
H

R6

D1

4
TR

動きません。ちょこまカーの制御回路はたっ

T

5
TR

C

C

R6

C

2
PS

C

のも難しいし、プログラムを入力しないと

R7

1
VR

D2
1
PS

R1

R2

A

クロコンピュータを使っているので、作る

A
C
A E
M CAS

A

1

M1

R4

2SA950

A

TR

2
TR

とんどのライトレーサーは制御回路にマイ3TRしたり止めたりするのが制御回路です。ほR3

光センサーの情報をもとにモーターを動か

モーターは停止します。ロボット

2SA950

M2

5
TR

4
TR

C

C

C

D1

R5

R7

にあるので、光センサーが感じる

2SA950

R3

進行方向に対して真ん中より右側
H
C

R6

R5

R2
2

PS

R1

1
VR

D2
1

PS

R4

2SA950

2SA950

A

方向

A

光センサー
進行

左図の場合、線がちょこまカーの

A

1
TR

2
TR

M1

3
TR

モーター（止まる）

2SA950

止めたりすることによって、線の上に沿って走るロボットです。

M2

トランジスタた 6 このトランジスタでできているので、簡単に作れすぐに動かせます。

ちょこまカーの制御回路はトランジスタ 6 個

工作教室の進め方とこのテキストについて
今日の工作教室ではトランジスタ回路がどのように動作するか説明する時間がありません。
製作して走らせてみるところまでです。その範囲でも、光センサーの位置をどのように調節するといいか、タイヤの太さを変えると走り方がどう変わるか、などなど実験してみるとおもしろいテーマがいろいろあります。
このテキストには、次のページから作り方や注意事項などが書いてあります。その後にト
ランジスタとはどんなものか、トランジスタや抵抗器やモーターがどのように動作するのか説明してあります。後半は家に帰ってから読んでみてください。

ちょこまカーの構造
電子部品、センサー、電池、モーターなどすべての部品がプリント基板に取り付けられます。
プリント基板には電子部品を接続するための配線パターンが作り込んであります。電子部品
をこのパターンのパッドという部分にはんだ付けすると、正しい回路が完成するようになっています。

トランジスタ

2

ON

R

M CA
KTOTERY
OBA

A
C
A SE

H
C

R3

D1

TR

T

TR

R4

6
TR

5C
TR

4C
TR

C

C

D1

5

C

6

C

C

PS

R7

R6

R5

VR

1

HB

R1

R2

AAS
C
M
Y
O
KTER
OAT
ON

D2
1
PS

R4

2SA950

2SA950

R
A
CE

R3
R4
R7

R2
R5
R6
R1

1
VR

A

P

3
TR

モーター

S2

A

D2
1
PS

A

1
TR

M1

2
TR

3A

TR

1A

2A

TR

TR

M1

2SA950

電池ケース

2SA950

2SA950

2SA950

抵抗器

M2

M2

光センサー

ダイオード

トリマ抵抗器スイッチ

パッド：ここに部品をはんだ付けする

配線：塗料がぬってあるのではんだが付かない
INSTITUTE OF INDUSTRIAL SCIENCECHOKOMACAR
THE UNIVERSITY OF TOKYOT

プリント基板モーターがななめになっているのはなぜ？
ちょこまカーに使っているような小さいモーターは１秒に数百回転します。たとえば直径
2 センチメートルのタイヤを 100 回転させると約 6.3 メートル走りますが、ちょこまカーは毎秒何メートルも走ると速すぎます。そういう場合、普通は減速ギヤーを使いますが、減速
ギヤーはけっこう値段が高いので、ちょこまカーではタイヤの直径を小さくすることで走る
速さを遅くしようと考えました。モーターのシャフトにシリコーンゴムのチューブをはめ、そのチューブをタイヤのかわりに使います。そのかわり、チューブのほうがモーターより細いため、モーターをななめにしないとチューブが床に接触しないのです。

ちょこまカーの製作
準備
めがねをかけていない生徒は保護ゴーグルをかけてください。
はんだごてを専用スタンドに入れ、プラグをコンセントに差し込んでください。こて先を拭くためのスポンジを水で濡らしてください。
グルーガンのプラグもコンセントに差し込んでください。

PS1

PS2

M1

D2

D1

M2

回路図とプリント基板の記号

VR1

R6

TR6

A

R5

R7

TR3

R2

R4

A

C

R3

TR2

プリント基板は、記号が印刷してあるあるほう（右

TR5

C

A

と右図のプリント基板の記号は対応しています。

R1
TR4

TR1

下の回路図の中の部品番号（R1 とか TR4 など）

C

CHOKOMACAR図）が表です。こちら側から部品をさし込み、裏BATTERY CASE

側ではんだ付けします。

ON

TR1
2SA950TR2
2SA950TR3
2SA950

M1

PS1
R2 10kD2
1N4148R6 220

VR1
50k

R4
33k

R5
33k

R1 47k

1.5V
R7 220R3 10kD1
1N4148PS2
TR42SC2120

TR5
2SC2120

TR6
2SC2120

M2

部品の取付けとはんだ付けの練習
抵抗器 R1 を使って部品の取付けとはんだ付けの練習をしましょう。R1 の抵抗値は 47 kΩ
（47 キロオーム）です。この値はカラーコードという色によって抵抗器に表示されています。
カラーコードの読み方はテキストの後の方に出ていますが、答えを書いてしまうと、金色の帯を右側に置いたとき左から黄色、むらさき、オレンジ、そして金という色の帯が付いているのが 47 kΩです。
R1: 47 kΩ
黄

むらさき

オレンジ

金

R1 のリード線（電子部品から出ている針金）をあなの間隔に合うように曲げ、プリント基
板 [R1] と印刷されている面からさし込みます。抵抗器には決まった方向がありません。全ての抵抗で金色を同じ方向にそろえる方がかっこういいだけです。
プリント基板を裏返し、突き出ているリード線を両側に広げるように曲げ、はんだ付けのときに部品がずれないようにします。

曲げる

IN

F

O

TU

H

TE

S

TI

C

T

D

OBATTEH
C E UN

S

U

O
K SIT
O IVER

S

L

IA
TR

曲げる

H

R7

裏返す

A T
MY OF

IE
C

A E
M CAS
O
Y
R
K

A

R5

R6
R3

R4

1
VR

R1

R2

C

A

IN

D1

T

T

4
TR

C

R5

C

R6

C

2
PS

ON

R

A
A

1
D2
1
PS

N

3

C

E

TR

さし込む

2

TR
TR

M1

R
A
C OKYO

曲げる

2

M
裏側でリード線を曲げる目的は部品がはずれないようにするためなので、電池ケースのように曲げるには太すぎたり硬すぎる線は曲げる必要はありません。曲げる向きもとくに

TI

ようにしましょう。

IN

切れたリード線がどこかへ飛んでいかない

T

TU

H

H
C E UN

IN

F

O

S

切るときは、切り取る部分を指で押さえ、切る

TE程度の短さに残して切ります。リード線を

K S
O IVER

D

U

S

TR

ない程度の長さ且つ隣の部品に接触しない

IA

L

S

切る

A T
MY OF
O IT

C OK

C

次にリード線を切りますが、部品が外れ

N
IE

C

R
A YO

E

決まりはありません。

長すぎてとなりとショートする
短すぎて部品が抜ける

切ったリード線が飛ばないように押さえる

ニッパー

C
S

だ付けします。はんだごてでリード線とパッド

A T
M F
O ITY O

IE

C
N

E

残ったリード線をそのまわりのパッドにはんRA
C OKYO

ちょうどいい長さ

S

U

K S
O ER
H UNIV

TR

IA

L

はんだ付け

の両方を同時に加熱します。はんだごての先の

TU

H

IN

S

TI

に接触するようにしましょう。約２秒間待てば

T

F

O

TE

CE

IN

D

はんだ付け

位置と角度を調節してパッドとリード線の両方
じゅうぶん温度が上がり、はんだの線をリード線に当てると溶けるようになります。

はんだ
んだ

は

ん

だ

ご

て

の

先

フラックスの煙

リード線

パッド

2 秒待つ

長く加熱しすぎるととげができる
よい

金属表面に油・さび・汚れなどがあったり、金
加
加熱が足りないとはんだの「ぬれ」が悪く

はんだ不足

電
電気的な接触も不完全になる

注意：こういう方法はだめです。はんだごての先ではんだだけを溶かし、はんだ付けしたい部分に持って行ってくっつけようとしてはいけません。そういう方法だと途中ではんだの表面が酸化してしまい、うまくくっつきません。先にリード線とパッドの温度を上げておき、はんだが溶けている時間は短くなるようにするのがコツです。

R4=R5=33kΩ

はんだ付けの練習がすんだので他の部品を基板に取り付けていきましょ

R6=R7=220Ω

R2=R3=10kΩ

2
PS

ON

A E
M CAS
O
Y
K R

A

OBATTE
C

H

R7

R4

R3

1
PS

R6

C
R2
1
VR

R1

D2

D1

4
TR

C

R1=47kΩ

5
TR

C

6
TR

C

トリマ抵抗器

R

A
A

A

M1

けるほうがやりやすいと思います。

3
TR

2
TR

1
TR

抗器のような背の低い部品から取り付R5う。決まった順序はありませんが、抵

2SA950

2SA950M2

2SC2120

トランジスタについては２つの点に注意してください。
まず、ちょこまカーには２種類のトランジスタ 2SA950(TR1, TR2, TR3) と 2SC2120 (TR4, TR5, TR6) が使われてCAいます。それらをごちゃ混ぜにしないこと。
２番目に、トランジスタには方向があります。2SA950の平らな面は前 側（モーター 側）を向きます。いっぽう、
2SC2120 の平らな面は後ろ側（電池ケース側）を向きます。
2SA950
2SA950
2SA950
2SA950

2SA950

D1

ON

A

C
A SE

OBA

M CA
KTOTERY

R6

R5

C

H

R7

R4

2SC2120
2SC2120
2SC2120
TR

T

T

R4

C

R5

C

6

C

2
PS

バネ：マイナス側

電池ケース

R3

VR

1

D2
1
PS

R1

R2

ん。
スイッチには方向はありません。

R

A
A

A

M1

3

1

リード線は太いので曲げる必要はありませ

スイッチ

TR

2

TR

ているのがマイナス側です。電池ケースのTR

2SA950電池ケースにも向きがあります。バネが付いM2

次にモーターを取り付けます。モーターの傾斜角度を定めるため、次のようにしてください。
モーターのはんだ付け端子側を基板にあいている取付あなの内側・上面の角に当たるように、
またシャフト側を外側・下面の角に当たるように位置を調節します。

モーターにも方向があります。ロット番号が印刷されている
2SA950

R
A
C
A E
R7
M CAS
KO RY
OBATTE
ON
H

A
A

2

PS

R3

1
VR

1

PS

上面

R1

Do

C

R5

R2

ロット番号は上から見えるように

R6

A

M1

R4

2SA950

3

2

1

ちょこまカーは後ろ向きに走ります。

TR

TR

TR

シャフトより下に来るように取り付けます。そうしないと

2SA950平らな面が上面から見えるように、言い換えると小さい孔が

5
4
TR

下（床）側

2

A E
M CAS
KO RY
OBATTE

ON

R

C

H

R7

R6

Do

TR

TR

4

C

5

TR

C

6

C

PS

R3

1

PS

ホットメルト接着剤（ホットボンド）を使って

R5

VR

1

Do

R1

R2

C

A

A

A

1

M1

R4

2SA950

A

TR

2

TR

3

TR

小さい孔はシャフトの下になるように

2SA950

M2

2SA950

あります

TR

C

基板

短く切ったように描いてTR

C

図解のためにシャフトを

6

C

Do

モーターを基板に固定します。

M2

グルーガン

2SA950

3

うえでリード線と基板だけでなくリード線

ON

C

H

R7

R4

OBATTE

C

A E
M CAS
O
Y
K R

A
R6
R3

5
TR

6
TR

C

Diode

4
TR

この 4 か所もはんだ付け

Do

C

PS

3S
E92

ターの電極に沿わせるようにします。その2基板の裏だけでなくCP

りくっつけるのではなく、リード線をモー

R5

R2
1
VR

Do
S1

R1

ています。右図に示すように、ダイオード
は抵抗器などと違い、基板の表側にぴった

R

A

A

Diode

A

1

M1

ですが、モーターへの配線の役目も果たし

TR

2

TR

はトランジスタを保護するのが第一の目的

TR

2SA950ちょこまカーに使われているダイオード

2SA950

ホットメルト接着剤

M2とモーターの電極もはんだ付けします。
ダイオードの向きにも注意しましょう。
回路記号の三角と線はそれぞれアノードとカソードのついた帯で表示されています。

黒帯
アノード

カソードと言います。部品のカソードは色使用しているダイオードは
1N4148。カソードの方向が、回路記号では線で、部品自体には黒色の帯で表示されている。カソードが電池側を向くように取り付ける。

光センサーを取り付けます。光センサーのリード線は、センサーが床の付近に向けら

H
C

R4

R7

M CA
KTOTERY
OBA

ON

R
A
C
A SE

R5

R2
2

D1

5
TR

TR

4

C

光センサー

TR

C

6

C

PS

R1

1
VR

1

PS

R6

A
A

A
D2

R3

2SA950

2SA950

2
TR

1
TR

M1

3
TR

2SA950れるように十分な長さを残してはんだ付けします。

M2

この間じゅうぶんな長さを残す

下じきを切ってしっぽをつくります。
シリコーンチューブをモーターのシャフトにはめてください。このチューブは非常に小さいタイヤの役目を果たし先端だけが床に触れるような形に曲げます。チューブとモーターのケースのます。

間は少し隙間を残します。
、そうしな
いとチューブとケースの間の摩擦（まさつ）でモーターが回りません。

これをプリント基板下側の後端にホットメルト接着剤で取り付けます。

A T
MY OF
O
T
I
U
K S
IT
T
O ER
S
H UNIV
CE

R
A O
C OKY

シリコーンチューブをはめる

T

H

F
O

T

E

切る

R
T
S
U
D
N
I

IA

L

S

IE
C

N

C

E

隙間を残す

しっぽがなぜ必要かというと、ちょこまカーの基板の下面にはリード線がちくちく出っ張っているためしっぽがないと床に引っかかって走りにくいのと、プリント基板がだい
たい水平になるほうが見た目が良いからです。

調節の方法とヒント①左右どちらかに曲がるくせがあるときは・左右の光センサーを同じ明るさの所に向けたときに両方のモーターが回るようにトリ
マ抵抗を調節してください。右に曲がるくせがあるときはトリマ抵抗を左に、左に曲がるくせがあるときはトリマ抵抗を右に回してみてください。
・左右の光センサーの高さが違いませんか？
②カーブで曲がらずに突進する、またはちょこちょこ左右にゆれるとき
・２個の光センサーの幅を変えたらどうでしょう？
・光センサーを前方にのばすか本体のすぐ前までちぢめるかで変化しませんか？
※下の２つは電子回路がわかるひと向けです。
・R1 を大きくすると電圧アンプの増幅率が上がり位置ずれに対する感度が上がります。
・R4 と R5 を小さくすると電流アンプのバイアス電流が増え両方のモーターが同時に回る範囲が広がります。
③速度について・シリコーンチューブの太さを変えてみましょう。
・走らせているうちにシリコンチューブがすりへって直径が小さくなり遅くなってきます。

注意事項
・はんだには鉛が含まれています。遊んだ後は手を洗いましょう。
・ちょこまカーはコースをはずれると暗い方に走っていく性質があります。
ソファーやベッドの下に入ってしまわないように気をつけましょう。
・ちょこまカーをテーブルなどから落とすとモーターの軸が曲がったりする
ので気をつけましょう。

コースの描き方・線を描く色は黒かできるだけ黒に近い色を使います。線幅は 10 mm から
15 mm 程度が良いでしょう。
・ふつう直角や小さい半径のカーブは曲がりきれませんが、直角でも線を太くしたりセンサーの位置や速度を調節すると曲がれる場合もあります。

トランジスタとはなんだろう
トランジスタはほとんどの電気製品、携帯電話、自動車、電車などに使われています。オー
ディオアンプや電気製品の電源回路と呼ばれる部分には３本脚のパワートランジスタ（大型のトランジスタ）が使われていることがよくありますが、パソコンやテレビの中では集積回路（IC）のほうが目立ちます。しかし、集積回路のシリコンチップの中には数百から 1000万個くらいのトランジスタが「集積されて」います。

集積回路 (IC)

2SC2120

2SA950小型トランジスタ

シリコンチップ
数百から 1000 万個くらいのひじょ

パワートランジスタ

うに小さいトランジスタが入っている

トランジスタや集積回路は抵抗器、コンデンサ、ダイオードなどの部品と組み合わせて電子回路を構成することで、その能力を発揮します。
コンデンサ

トランジスタの役割

ダイオード

473
101

トランジスタには「増幅（ぞうふく）」という役
割と「スイッチ」としての役割があります。まず増抵抗器
その他の部品

幅作用について学びましょう。

増幅作用
増幅作用を利用する例として、拡声器（電気メガホン）を考えます。拡声器を構成するのは大きく分けてマイクロホン、
増幅器、スピーカーの３つです。

増幅器

スピーカー

マイク

音（空気の振動）音（空気の振動）

電圧の振動

電圧

電圧

電圧の振動

時間

時間

音は空気の振動です。マイクロホンは空気の振動を電気（電圧）の振動に変えます。マイクロホンから出てくる電圧の振動（音声信号と呼びます）の振幅（読んで字のとおり振動の幅）が小さいので、増幅器で振幅を大きくしてからスピーカーにその電圧をかけます。スピーカー
からは大きい音（振幅が大きい空気の振動）が発生します。
この増幅器の「増幅」という作用を行っているのがトランジスタです。
最初は簡単なたとえ話で説明しましょう。下の図のようにこびとさんがマジックボックスという機械で増幅の仕事をしているとします。マジックボックスにかかる電圧はレバーの位置で変えられるようになっています。電池の電圧からマジックボックスにかかる電圧を引いた残りがスピーカーにかかるのです。うまくレバーを動かすとスピーカーにかかる電圧がマイクの電圧と同じ形で振幅だけ大きくなるようにすることができるはずですね。結果的にマイクの出す電圧を増幅した電圧がスピーカーにかかります。このマジックボックスを使ってこびとさんがするのと同じような動作をしてくれるのがトランジスタです。
このときマジックボックス（またはトランジスタ）がスピーカーを動かすエネルギーを出しているわけではありません。電池が出しているのです。
マイク
スピーカー

マジックボックスにかかる電圧

電圧を見る
電池の電圧

電池
レバーを動かすスピーカーにかかる電圧
マジックボックス

③

2SC2120

①

①
③
②

②

マジックボックス

トランジスタの記号②① ③

実際のトランジスタの形

マジックボックスには端子（たんし：電線をつなぐ場所）が２カ所とコントロールするためのレバーが１個付いています。トランジスタには足（端子）が３本ついていますが、それ
ぞれマジックボックスの２個の端子とレバーに相当すると思ってください。もっとも、トランジスタはレバーに相当する足を動かしてコントロールするのではなく、その足にかける電圧でコントロールするのです。
さて、こびとさんとマジックボックスのたとえ話では不満なひとがおおいでしょう。たとえ話の精度を上げようと思います。そのためには、電流、電圧、電気抵抗、電気回路などの知識が必要になってきますから、後の方で解説します。すでに電気回路をある程度知っているひとは適当にとばして読んでください。逆に「電気回路」の話はむずかしそうだと思うひとにもなるべくイメージしやすいように、水を使った「水回路」のたとえ話をセットにして解説しますから、がんばって読んでほしいと思います。でもちょこまカーの制御回路を理解するにはだいぶたくさんの準備が必要になりますから、さいごまでついて行かれないひともいるでしょう。そこで、電流、電圧、電気抵抗などの話の前に、トランジスタのスイッチ作用についてもう少しだけ話をしておきます。

トランジスタのスイッチ作用
電球とマジックボックスを直列にして、マジックボックスのレバーを完全に上にたおすと、
マジックボックスには電圧が全然かからなくなるとしましょう。そのとき電球には電池の電圧が全部かかります。つまりマジックボックスはスイッチが ON の状態です。逆にレバーを完全に下にたおすと、マジックボックスに全部電圧がかかり、電球にはかかりません。つまりスイッチ OFF の状態です。スイッチと違って ON と OFF の中間状態にもなることができるマジックボックス（トランジスタもそうです）をスイッチのように使うというだけです。
ジックボック
ックス（
ス トラン

電池
スイッチ ON

電池
スイッチ OFFスイッチは省エネだ「なんだそれだけのことか」と思うでしょうが、トランジスタをスイッチとして使うことが省エネとディジタル社会に役だっているのです。
増幅作用をマジックボックスで説明した部分を思い出してください。スピーカーにかかっていない電圧はマジックボックスにかかっています。しかも電流が流れます。電圧がかかっていて電流が流れると電力が消費されます（電気回路の知識がないひとにはごめんなさい）。
その電力は電圧と電流の積です。ところが、完全に ON の場合は電圧がゼロです。逆に完全に OFF の場合は電流がゼロです。結局スイッチは電力を消費しません。

アナログ、スイッチング、ディジタル
ON と OFF の中間状態も使う電子回路をアナログ回路とよびます。オーディオアンプや拡声器などに使われる増幅器は、ふつうアナログ回路です。ON と OFF だけ使う電子回路をス
イッチング回路とよびます。電力消費がすくないため、最近の電気製品の電源回路（交流100 V の電気を使いやすい直流 5 V などに変換する回路）はほとんどスイッチング回路です。
まだ少数派ですがオーディオアンプさえもスイッチング回路で作られるようになってきました。スイッチング回路のなかでもとくにコンピュータなどの計算に使われる回路技術を論理回路とかディジタル回路と呼びます。スイッチング回路は電力をあまり消費しないで計算ができるので、すごい速さで発展しているのです。
で、すごい速さで発展

H

PUS

電池

スイッチによる OR 回路

ディジタル回路入門
ここでトランジスタの話から少し脱線しますが、ディジタル回路について少し学んでみましょう。上の図は、押したときだけ ON になるスイッチを 3 個並列に接続したものに電球と電池が直列に接続されています。左か真ん中か右か、どれか１個以上のスイッチを押せば電球がつきます。「左か真ん中か右」を英語で言うと” Left or middle or right” なので、こういう回路を OR（オア）回路と呼ぶことができます。

では下の回路ではどうでしょう。左と中央と右の全部のスイッチを押したときだけ電球がつきます。こういう回路は AND 回路と呼ぶことができますね。

H

H

PUS

PUS

電池

スイッチによる AND 回路

しかし、これだけではあまり複雑なことはできません。なぜ？

それは「入力」がスイッチを押すことで、「出力」が電球が光ることだからです。「出力」を次のスイッチを押すようなマネキンの手構造に変更してみましょう。たとえば右図のように。OR 回路や AND 回路を次々に組み合わ鉄板
電磁石

せて複雑なことができそうです。

H

PUS

電池

マネキンの手鉄板
電磁石

押すと OFF になる

出力を電磁石とスイッチに変更した OR 回路

押しボタンスイッチ

また左図のように接続すると「記憶回路」ができます。指で押す左下のス
イッチとマネキンの手が押す上のス
イッチは並列（スイッチによる OR 回
電池路）になっているので、左下のスイッチを 1 回押せば、あとは手をはなしても電磁石と電球に電流が流れます。右自己保持回路（記憶回路）のボタンを押すと電流が止まります。

マネキンの手は説明としてはいいでしょうが、可動鉄片

どう考えても無駄ですね。電磁石とスイッチを内蔵したリレーと呼ばれる部品が実際にあります。
下の図はリレーを使った記憶回路を 3 個並べたものです。これはリレー式 3 ビットメモリーと呼ん

スイッチ

電磁石

でもさしつかえありません。

リレー（電磁スイッチ）電池

リレー式３ビットメモリー

リレーやスイッチなどを回路図にしてみると下図のようになります。たとえばこれを学校の教室に設置しておき、登校したら電球を点灯させ下校するときに消灯させることにすれば、だれが出席しているかわかりますね。

出席ランプ

Ａ山Ａ彦

Ｂ田Ｂ介

C川C子

N.O.

N.C.

＝ノーマリーオープン＝ノーマリークローズド＝押してないとき切れている＝押してないときつながっている

登校したら N.O. スイッチを押す

下校するとき N.Ｃ. スイッチを押す→ランプが点灯→ランプが消灯

では、全員が出席しているかどうか自動的に調べてくれる回路は出来ないでしょうか。それは上のリレー式 3 ビットメモリーに、リレー式 AND 回路を組み合わせることで実現できます。

全員出席ランプ

自動全員出席確認器

ところで、3 ビットメモリーのそれぞれの記憶回路（ビットと呼ぶことがあります）に「Ａ山Ａ彦」「Ｂ田Ｂ介」「Ｃ川Ｃ子」というように別々の個人を割り当

２進数 10 進数
000

0

001

1

010

2

011

3

100

4

101

5

110

6

111

7

てて使うこともできますが、電球が点灯してる状態を“1”、消灯している状態を “0” という数字で表すことにすると、右の図に示すように 3 ビットまとめて「3桁の 2 進数」が表現できます。3 桁の 2 進数は全部で８種類の状態があり、10 進数で表すと 0 から 7 を意味します。
メモリーがいくつもあったとしましょう。それぞれのメモリーの内容（たとえば 001 と 110）を足した
りかけたりする回路というものがあれば、ほら、コン
ピュータに近づいてきますね。
実際のコンピュータではもっと大きい数値が扱える
よ う に 8 ビ ッ ト（0〜255）と か 32 ビ ッ ト（0〜4294967295）などの幅で記憶したり計算したりします。
それでは話をトランジスタに戻して、ディジタル回路の話を終わりにしましょう。現在のディジタル回路はすべて集積回路でできていると言えます。リレーを使ったメモリーや簡単な計算回路は、実際に使われた時代もありました。しかしリレーは小型で速く動くものでも1 秒に 100 回くらいしか動きません。あまり小さくもできません。それにかなり電力をくいます。機械的に動く部分があるので、トランジスタより壊れやすいという欠点もあります。

それにくらべて、トランジスタのスイッチ作用を利用すると、速度は速く（毎秒 10 億回くらい動作します）、電力消費は少なく、小型で（1 個の集積回路に 1000 万個くらいトランジ
スタを入れることができます）、壊れにくくなります。現在使われているディジタル集積回路
は主に MOS（モス）トランジスタというものでできています。ちょこまカーで使ったのはバ
イポーラトランジスタという種類で少し違いますが、20 年くらい昔にはバイポーラトランジ
スタのディジタル集積回路もよく使われていました。
AB
C

左の図と表は入力が 3 個の AND と

A
B
C

Q

Q

OR の記号と、それぞれの入力と出力の３入力 AND の記号

３入力 OR の記号

３入力 AND の真理値表

３入力 OR の真理値表

関係を表しています。このような表を「真理値表」と言います。一昔前によく使わ

入力Ａ

入力Ｂ

入力Ｃ

出力Ｑ

入力Ａ

入力Ｂ

入力Ｃ

出力Ｑ

０

０

０

０

０

０

０

０

れていたバイポーラディジタル集積回路

０

０

１

０

０

０

１

１

シリーズの 74S11 の場合、下図のよう

０

１

０

０

０

１

０

１

０

１

１

０

０

１

１

１

に 3 入力 AND が 3 個入っていて、その

１

０

０

０

１

０

０

１

他に電源をつなぐ Vcc と VEE という端子

１

０

１

０

１

０

１

１

１

１

０

０

１

１

０

１

１

１

１

１

１

１

１

１

があります。

74LS11

Vcc

74S11 など

5V
Q
A
B
C

0V

Vcc
VEE
約 5 V の電圧＝“1” とする
約 0 V の電圧＝“0” とする
他の集積回路から来る電圧

GND

74S11 の 3 入力 AND１個分の内部回路

A
B
C

Q
３入力 AND の出力電圧

それぞれの AND 回路は上の回路図のようにいくつかのトランジスタの組み合わせでできています。ディジタ
ル集積回路で “1” や “0” は電圧が高いか低いかで表し

A 50 VVます。この集積回路は 5 V の電源を接続する必要があり、B 50 VV“1” を表すのは 2 V から 5 V、“0” を表すのは 0 V か

C 50 VVら 0.8 V です。上の真理値表と同じことを入力 A, B, Cと出力 Q の電圧波形で表すと右のようになります。

5V

Q 0V
時間

電気回路・電圧・電流・抵抗について
ここでしばらく電気回路について学びます。電気回路を理解するには電圧・電流・抵抗（電気抵抗）というものを知らなければなりません。このテキストでは「電気回路」といっ
しょに「水回路」というものを想像することで、イメージをつかみやすくしようと思います。
そもそも「回路」とは一周するともとの場所に戻る道のことで英語ではサーキットと言います。一周するともとの場所に戻る自動車レース場もサーキットと呼びますね。

電圧と水圧電気回路での「電圧」は、水回路では「水圧」に対応します。電圧を発生させるものは電池だけではありません。発電機も電圧を発生させます。電圧を発生させるものをまとめて「電圧源」と言います。
電圧源に対応する水圧源として何がいいでしょう。高いところにある水のタンクをイメージするかも知れませんが、じつはちょっと具合が悪いのです。なぜかというと、水回路は一周するともとに戻らなければいけないのに、タンクの水は使い終わったらタンクに戻りません。つまり放水したらなくなる。電気に対応させると、放電したらなくなる。何かに似てますね。静電気や雷に似ているのです。
水回路の水圧源はポンプをイメージしましょう。ポンプから出て行った水が回路を一周すると戻って来て、またポンプで送り出されていくと考えてください。

ポンプと水車、発電機とモーター
水回路の水車は電気回路のモーターに対応します。ポンプは軸を回転させると水が動き、水車は水が動くと軸が回転します。使い方は逆ですが構造はよく似ています。
ࡃƳӖ஛ƝƣǓư঎Ɣ௫Ɨ

「水モーター」

঎Ɣ௫ƗưࡃƔӖ஛ơǓÜÜƬǆǒ঎ࡥポンプ

それと同じように、電気回路のモーターも発電機になります。
ࡃǚӖơưದ஢ơǓÜÜƬǆǒದ஢֞฾‫ٸ‬ພȝÓǺÓ

฾‫ٸ‬ພȝÓǺÓ

஢໙ǚ໙ơưࡃƔӖ஛ơǓ

電流 - 流量電気の「電流」は水の「流量」に対応します。流量は単位時間あたりに通過する水の量です。
「単位時間あたり」というのは、「1 秒あたり」とか「1 分あたり」など、基準とする時間の単位です。たとえば 1 秒の間に 10 リットルの水が通過するならば流量は 10 L ／秒
（10リットル毎秒）です。また 1 分の間に 3 kg の水が通過するならば流量は 3 kg ／分（3キログラム毎分）です。正確に言えば前の例は体積流量、後の例は質量流量です。流量は流速（流れの速さ）とは違います。流量が同じでも細いパイプでは流速が速くなり、太い
パイプでは遅くなります。
断面積が 100 cm2 のパイプ

体積流量
流速 10 cm/ 秒
2

断面積が 25 cm のパイプ（１秒あたりにこの面を通過する体積）はどちらも 1 リットル / 秒

流速 40 cm/ 秒

電流の場合も考え方は同じで、単位時間あたりに通過する電子の数という意味ですが、単位は「100 個毎秒」のような単位ではなく、電子 16021764600000000000 個が 1
秒あたりに通過するとき 1A（1 アンペア）ということになっています。電車 1 台分のモーターには 200 A くらいの電流が流れます。ちょこまカーのモーターに流れる電流は 25mA から 100 mA くらい、CdS セル（ちょこまカーの光センサー）に流れる電流は 0.1
mA から 1 mA くらいです。光センサーで直接モーターを動かしたり止めたりすることはできないのがわかります。

電気抵抗と細長いホース「電気抵抗」（電気の話をしていることがわかっているときは略して抵抗とも言います）
は電気の流れにくさのことです。水回路での抵抗は、細長いホースやパイプをイメージす
ればいいでしょう。ホースが長いほど、また細いほど、抵抗が高くなります。電気抵抗でも同じです。細くて長い電線は抵抗が高いのです。
太いパイプでも中にスポンジを詰めたようなものはとても抵抗が高くなります。これはもともと抵抗が高い性質があるパイプと考えることができます。電気抵抗も材料によって違います。銅は電気抵抗が低い性質があるので電線に使われますが、鉄は銅の約 6 倍、ステンレスは銅の約 40 倍も抵抗が高い性質があるので、電線には使われません。
電気抵抗の単位はΩ（オーム）です。1 V の電圧がかかったときに 1 A の電流が流れる
電気抵抗が 1Ωです。抵抗にかかる電圧と流れる電流は比例します。ですから 1Ωの抵抗に 10 V の電圧をかけると 10 A の電流が流れます。水の抵抗については、電気抵抗の単位オームのようによく使われる単位は、とくにありません。

抵抗が高い

同じ水圧が

抵抗が低い

流量が少ないかかっている

流量が多い

抵抗器
ちょこまカーに使った抵抗器は、炭素皮膜

ȘȮȒ

セラミックの芯
炭素の膜を付ける抵抗器とかカーボン抵抗器と呼ばれるものです。炭素は銅よりも抵抗が高い性質がありま

足を付けるす。セラミックの芯のまわりに炭素の膜（まく）が付いた構造になっています。炭素の膜の厚さや長さを 10 kΩとか 220 Ωなどにならせん状に切込みを入れて抵抗値を調節

るように調節してあります。
塗装（とそう）してカラーコードを印刷

抵抗器の抵抗値（何オームか）は、抵抗器のまわりにぬってある色で見分けます。10
種類の色が 0 から 9 の数字を表しています。これをカラーコードと言います。
色

数値

黒

0

茶

1

赤

2

オレンジ

3

黄

4

緑

5

青

6

むらさき

7

灰

8

白

9

茶＝1

黒＝0

オレンジ＝31

0（0 が 3 個）000

赤＝2

カラーコード表

赤＝2

茶＝1（0 が 1 個）
2
0

2

誤差 5％
10000 Ω（10 kΩ）

誤差 5％
220 Ω

ちょこまカーの抵抗器には 4 本の色の帯が印刷されています。金色の帯は「この抵抗器は表示してある値に対して 5 パーセント以内の誤差があるかもしれません」という意味です。銀色なら 10 パーセントです。抵抗値の読み方は、金色を右側にして、左から 2 本
はそのままカラーコードを数字になおします。その次の 1 本は０の数です。たとえば、ちょこまカーに使った 10 kΩの抵抗器には茶・黒・オレンジ・金の帯が付いています。茶黒＝10 にオレンジ＝３個の０を付けて 10000 Ω、つまり 10 kΩということになります。

オームの法則抵抗にかける電圧が２倍になれば流れる電流も 2 倍になります。電圧を変えないで抵
抗を２倍にすれば流れる電流は２分の１になります。この関係をオームの法則といい、抵抗を R [Ω]、電圧を E [V]、電流を I [A] とすると次の式が成り立ちます。

E=IR

I=

E
R

R=

E
I

I R というのは、かけ算の記号が書いてありませんが、I と R をかけるということです。
何を求めるかによって式を選びます。たとえば 10 kΩ（=10000 Ω）の抵抗に 1.5 Vの電圧をかけたときに流れる電流 I を求めるには I= で始まる真ん中の式を使います。1.5を 10000 で割って約 0.00015 A 流れることがわかります。0.00015 A という数字は小さすぎて使いにくいので 0.15 mA とか 150 µA（マイクロアンペア）と表します。

もう少しくわしいトランジスタの話
ここでまたトランジスタの話をしたいと思います。
実際のトランジスタは半導体でできています。半導体というのは導体（金属など電流がよく流れる物質）と絶縁体（プラスチックのように電流が流れない物質）の中間くらいの性質の物質のことで、代表的なものがシリコンです。シリコンは砂の主成分なので資源はいくらでもあるし安い材料です。それが現在の社会の発展にとても役立っています。
半導体に少し不純物を入れると n 型と p 型という違う性質にすることができます。n型と p 型の違いは、電流を運ぶのが電子か、それとも電子の抜け殻（ホールと呼びます）
かという違いです。トランジスタ（正しく言うとちょこまかーに使っているのはバイポー
ラトランジスタです）は npn または pnp の順にこれらをつなげて作ります。2SC2120
は NPN トランジスタ、2SA950 は PNP トランジスタです。トランジスタの 3 つの端子にはエミッタ、ベース、コレクタという名前が付いています。
C
N

ベース

B
E
エミッタ

C

E

エミッタ
2SA9502SC2120

コレクタ

P

ベース

B
E

N
コレクタ

B

NPN トランジスタ

P

E

C

N
P

B

PNP トランジスタ

C

水トランジスタ
このテキストでは実際のトランジスタの内部でどんな現象が起きているかを説明する余裕はありません。ここでも水回路でイメージをつかみましょう。「水トランジスタ」というものをこのテキストのために発明しました（実際に作ったわけではありませんが）。
下の図が NPN 型の水トランジスタです。コレクタとエミッタの間に回転式のバルブが入っています。ふだんはバネが歯車とかみ合っている「たいらな歯車」（ラックと呼びます）
を押しているので、バルブは閉まっています。
(a)

(b)

コレクタ

コレクタ

回転バルブ
ベース

エミッタ

ベース
押しバネ
NPN 水トランジスタ

エミッタベースにはゴム栓が内側からバネの力で押しつけられています。ベースに外側からかかる水圧がバネの力を超えると、ゴム栓が開いてベースに水が流れ込み、それにともなってラックが右に動くので、回転バルブが開いてコレクタからエミッタに水が流れます。このとき、ベースに流れる流量よりコレクタからエミッタに流れる流量の方が 100 倍以上大きいと考えてください。
右の図は NPN 水トランジスタで高い

水車の回転速度をコントロールする঎ࡥ

水回路です。
水トランジスタのコレクタの方がࣹƝƌ

水圧が高くなるように配管してあり ȋȦȑます。ベースの配管には小さいバルブを付けてあり、このバルブが閉まっていると水トランジスタの回転

水圧
ǮȧǪǺ
ȔÓǴ
ȘȮȒ

CEC ঎ȃȤȮǳǴǺ

ǣȚǾǺ

バルブも閉まっているのでエミッタ

低いからコレクタへ水は流れません。

ベース配管の小さいバルブを開くとベースに水が流れ込み、回転バルブが開いてコレク
タからエミッタへ水が流れ、水車が回転します。ベース配管のバルブを完全に開いたり閉じたりすれば、水車は全力で回転したり止まったりします。これがトランジスタのスイッチ作用に相当します。ベース配管のバルブの開き具合で水車の回転速度を調節することもできます。これは小さいベースの流量で 100 倍以上大きい水車の流量をコントロールしていることになります。つまり増幅作用です。
前に拡声器の例を使って増幅の話をしました。あのときは電圧の振幅が増幅されました。
上の例では流量（ということは電気なら電流）が増幅されています。トランジスタが増幅するのは電圧なのか電流なのかという疑問が出てくるかもしれません。電圧に着目するか
電流に着目するかによってどちらとも言える場合もありますし、電圧を増幅したいときと電流を増幅したいときではトランジスタの使い方を変えることもあります。

0.9 V ȝÓǺÓ本物のトランジスタの回路
右の図は上の水回路に相当する本物のR

100 mA

NPN トランジスタの回路です。ベース配
線に入っている R は矢印が付いています
が、これは可変抵抗器です。ちょこまカーのトリマ抵抗も可変抵抗器の一種です。

I

ȔÓǴ

ǮȧǪǺ

1.5 V

ǣȚǾǺ

0.6 V

ȃȤȮǳǴǺ

可変抵抗器の内部には抵抗体とスライダーが入っています。スライダーはノブ（つまみ）で回すことができ、スライダーの位置によって端子の間の抵抗値が変わります。ちょこま
カーに使った 50 kΩのトリマ抵抗器の場合、下図の端子①と③の間に 50 kΩの抵抗体が入っていて、ノブを回すことで①と②または③と②の間の抵抗値が変わります。(d) のよ
うな記号は①と②または③と②の間だけ利用する場合の記号です。
(a) トリマ抵抗器外観
ノブ(b) 内部構造
抵抗体(c) 記号 1
スライダー

①
③

②

①

スライダー

③

(d) 記号２

①

②

②

③

オームの法則を使ってみる
前の回路図で電源電圧は 1.5 V でした。いま回路図のいちばん下を電圧の基準 0 V としましょう。ベースの電圧が 0.6 V になっていますね。水トランジスタを思い出してください。ゴム栓を開けるのに必要な圧力がありました。本物のトランジスタでもベース電流が流れるようになるにはある程度の電圧が必要です。この電圧をスレッショルド電圧と言います。半導体の種類によって違いますが、シリコンでは約 0.6 V なのです。
モーターに 100 mA の電流を流したい場合、可変抵抗 R は何Ωにすればいいか計算してみましょう。トランジスタの電流増幅率（ベース電流に対するコレクタ電流の倍率）を100 倍だとすれば、ベースには 1 mA の電流を流せばいいことがわかります。抵抗 R にかかる電圧は、電源電圧 1.5 V からベース - エミッタ間の 0.6 V を引いた 0.9 V です。
可変抵抗 R はの値はオームの法則を利用して、つぎのように計算できます。

R=

E
I

=

0.9

= 900 [Ω]0.001

NPN 型と PNP 型は水圧・電圧の方向が逆
次の図は PNP 型水トランジスタです。NPN 型とは違い、ベースの水圧がエミッタより低くなったときに回転バルブが開きます。圧力が逆になっている以外は同じです。

(a)

(b)

引きバネ

エミッタ
ベース

エミッタ

ベース
回転バルブ

ゴム栓
コレクタ

コレクタ
PNP 水トランジスタ

さっきの NPN 型水トランジスタで水車をコントロールする水回路に、こんどは PNP
型水トランジスタを追加し 2 段階で増幅すれば、さらに 100 分の 1 の水量でモーターがコントロールできるようになります。下図を見てください。PNP 型水トランジスタのベース配管は超小型バルブを通って水圧の低い側に接続されています。超小型バルブを開くとPNP 型水トランジスタのベースに水が流れ回転バルブが開きます。そこを通った水がNPN 型水トランジスタのベースに流れ回転バルブが開き、水車が回ります。
超小型バルブに流す必要がある流量は水車の流量の 100 分の 1 の 100 分の 1、つまり1 万分の 1 になります。
高い
流量 1＝100 流量 2
流量 2＝100 流量 3

঎ࡥ

流量 3

したがって
流量 1＝10000 流量 3

PNP

水圧
流量 1

ଵࣹ‫ٸ‬ȋȦȑ

ȘȮȒ
流量 2

NPN

低い

右の図は上の水回路に相当する電気回路です。
このように、トランジスタを 2 段にして電流増幅率を大きくする接続方法をダーリントン接続といいます。NPN 型と PNP 型を組み合わせるのがインバーテッドダーリントン接続、NPN 型
どうしまたは PNP 型どうしを使う場合をノン・インバーテッドダーリントン接続といいます。

ȝÓǺÓちょこまカーの制御回路の解説
ここからちょこまカーの制御回路の説明に入ります。下の図はちょこまカーの制御回路です。ピンクで囲んだ部分はモーター M1 のための電流増幅回路です。前ページのインバー
テッドダーリントン接続の回路図とよく似ていますが、いくつか違いもあります。

TR2
2SA950TR1
2SA950TR3
2SA950

M1

PS1
R2 10kD2
1N4148R6 220

VR1
50k

A

B

R4
33k

R5
33k

R1 47k

1.5V
R7 220R3 10kD1
1N4148PS2
TR42SC2120

TR5
2SC2120

TR6
2SC2120

M2

R7（220Ω）が NPN トランジスタ TR6 のベースに入っているのはベースに電流が流れすぎて壊れるのを防ぐためです。モーターと並列にダイオード D2 が接続されています。

ダイオード
ダイオードは p 型と n 型の半導体を使って作られる部品で、ある方向には電流が流れますが、反対方向には流れないという性質があります。水回路では片側には開くけれど反対側には開かない弁に相当します。
໙ǔǓ

໙ǔƲƌ

ǻǟǥÓȄ

֪‫ݛ‬

í঎ǻǟǥÓȄî

モーターに並列にダイオードが接続されている理由はトランジスタを保護するためです。モーターには電磁石が使われています。電磁石のように電線を鉄心に巻いたものをコイルといいますが、コイルに流れている電流は急に変化できない性質があります。トラン
ジスタが急に OFF になると、コイルは高い電圧を発生してでも電流を流し続けようとする作用があります。その電圧でトランジスタが壊れることがあります。トランジスタがOFF のときにコイルに流れる電流のバイパス通路としてダイオードを使っています。

電流増幅回路の特性
ここでは電流増幅回路の特性を計算してみますが、むずかしいと感じる人は結果のグラ
フだけ見てください。
抵抗 R2 を通して B 点の電圧が PNP トランジスタのベースに入力されています。まず
仮に R2 が無い場合を考えます。PNP トランジスタ TR2 のベースには抵抗 R5 を通して電流が流れます。TR2 のスレッショルド電圧も 0.6 V とすると、R5 には 0.9 V の電圧がかかります。R5 に流れる電流（TR2 のベース電流）はオームの法則によって、I =E/R = 0.9/33000 = 0.000027[A] = 27[µA] です。トランジスタの電流増幅率を 100とすると TR6 のベース電流はその 100 倍の 2700[µA] = 2.7[mA] になります。
R7 は小さい値なので無視しましたが、無視して良かったかどうか確認します。2.7
mA が 220Ωの抵抗に流れるときに抵抗の両端に生じる電圧はオームの法則により、E =IR = 0.0027 220 = 0.594[V] です。これは電源電圧 1.5 V からスレッショルド電圧
0.6 V を引いた残り 0.9 V より小さいので、220 オームを無視してもよかったようです。
さて TR6 のベース電流の 100 倍がコレクタに流れるとすると、計算上は 2700[mA]= 2.7[A] になります。それに対してモーター M1 の抵抗は 5Ωくらいなので、1.5 V をかけても 0.3 Ａしか流れません。つまり、TR6 は完全に ON になっていて、スイッチ動作になっているということです。

ります。計算の方法は省略しますが、Ａ点の電圧が約 1.2 V 以上になるとベース電流が止まり、その結果モーターも止まります。

Ӗ஛ੱஶ[]のベース電流が増え、B 点の電圧が高いときは減100Ӗ஛ੱஶ[]B 点の電圧が低いときは抵抗 R2 を通して TR2

100

M1
0

0

も う 一 個 の モ ー タ ー M2 の 電 流 増 幅 回 路 は、NPN 型と PNP 型のトランジスタを入れ替えた形になっています。こちらは B 点が 1.5 - 1.2 = 0.3[V] 以下になるとモーターが止まります。つまり、
B 点の電圧が 0.3 から 1.2 V の間は両方のモーターが回ります。そのほうが直線コースではスピード

0.5
1.0
7 ஝ƶ஢Ϝ

1.5

0.5
1.0
7 ஝ƶ஢Ϝ

1.5

M2
0

0

が出るからです。
抵抗 R4 と R5 を大きくするとベース電流が減ります。そうすると両方のモーターが同時に回る B 点電圧の範囲が狭くなります。ちょこまカーの動きは小刻みにちょこまかす
るようになり、直線ではスピードが出なくなりますが、直線の後急にカーブが来ても曲がりきれないということが少なくなります。

光センサー
ちょこまカーの光センサーは CdS（硫化カドミウム）という半導体でできているのでCdS セルと呼ばれます。CdS は光が当たると電気抵抗が下がります。
ふたつの光センサー PS1 と PS2 は直列になっています。抵抗を直列接続した場合、

୰‫ܨ‬ୢƌ

抵抗値が高い方に電圧がより多くかかります。右図の水回路でイメージできるでしょȘȮȒ

うか。これはオームの法則からもわかりまǃưǛƱƛƫƩƳ

す。PS1 と PS2 は直列接続されているの঎ϜƔƓƓǓ

で電流は同じ値になります。抵抗にかかる電圧の式は E = IR で、電流 I が共通なの୰‫ݗܨ‬ƌ

で電圧は抵抗値 R に比例します。
PS1 と PS2 に入る光の量が同じならば、全体が明るくても暗くても、PS1 と PS2 の中間点（A 点とします）の電圧は電源電圧 1.5 V の半分の 0.75 V になります。PS2 に入る光の方が多ければ PS2 の抵抗のほうが PS1 の抵抗より高いので、電圧は PS2 のほうに多くかかります。そうすると A 点の電圧は 0.75 V より高くなります。逆に PS2 に入る光の方が多ければ A 点の電圧は 0.75 V より低くなります。
両方明るい

両方暗い

1.5 V

明
A
明

PS1
抵抗低い

0.75 V
PS2
抵抗低い

0V

PS1 のほうが明るい

1.5 V

暗
A
暗

PS1
抵抗高い

0.75 V
PS2
抵抗高い

0V

PS2 のほうが明るい

1.5 V

明
A
暗

1.5 V

暗

PS1
抵抗低い

0.75 V
より高い
PS2
抵抗高い

A
明

PS1
抵抗高い

0.75 V
より低い
PS2
抵抗低い

0V

ちょこまカーの光センサーの抵抗値はどの程度でしょう？

0V

照明の明るさで変わります

が、一例をあげると、黒線の真上で 4 kΩ、白紙の真上で 2 kΩ程度です。そうすると A
点電圧は 0.5 V から 1.0 V の間で変化することになります。
ところで PS1 と PS2 の特性は等しいとして説明しましたが、実際には PS1 と PS2 の特性を完全そろえることは不可能です。同じ明るさのところでだいたい同じ抵抗値になる
光センサーを選んで使用する必要があります。そのような努力をしても残ってしまう特性の差は、次に説明する電圧増幅回路のトリマ抵抗を調節することで補正します。

電圧増幅回路
2 個の光センサーで作られた左右の床からの反射光の強さの差を表す電圧（A 点電圧）
は、下図に青で囲って示した電圧増幅回路で電圧増幅されます。
TR2
2SA950TR1
2SA950TR3
2SA950

M1

PS1
R2 10kD2
1N4148R6 220

VR1

A

50k

B

R4
33k

R5
33k

R1 47k

1.5V
R7 220R3 10kD1
1N4148PS2
TR42SC2120

TR5
2SC2120

TR6
2SC2120M2

2 ページほど前に、B 点電圧とモーターが回転するか停止するかの関係を表したグラフがありました。B 点電圧が 0.3 V から 1.7 V の間では両方のモーターが回転します。片方のモーターを止めないとちょこまカーの進行方向は変わりません。そのためには B 点
電圧の変化の幅（電圧振幅）が 0.75 V を中心に 0.9 V 以上なければいけません。
A 点電圧の変化は、一例としてですが、0.5 V から 1.0 V と書きました。電圧振幅にして 0.5 V しかありませんし、しかも黒か白にしっかりセンサーを向けた場合ですから、
実際の電圧振幅はもっと小さいです。そのため電圧増幅が必要になります。
トリマ抵抗 VR1 はとりあえず中点（上下 25 kΩずつの位置）にあるとします。A 点の電圧が下がると PNP トランジスタ TR1 のベース電流が増え、NPN トランジスタ TR4のベース電流が減ります。水トランジスタで考えるとわかりますが、ベース水流がが増えると回転バルブがより大きく開く、ということはコレクタとエミッタの間の抵抗が下がります。つまり、ベース電流が大きいトランジスタのほうがコレクタ - エミッタ間の「内部抵抗」が下がるため、B 点の電圧は A 点とは逆に上がります。言いかえると変化の「極性」
は反転します。このとき電圧変化の振幅は大きくなります。つまり電圧増幅されます。
1.5

஢Ϝ[V]

PNP

V1

V2
NPN

1.0

0.5

V1

V2

0
࠯յ

中心補正
もし２つの光センサーが同じ明るさの時に同じ抵抗にならないと A 点の電圧変化の中心値が 0.75 V からずれますが、トリマ抵抗 VR1 を調節することで 0.75 V ではない電圧に対してトランジスタ TR1 と TR2 に同じベース電流が流れるよう調節することができます。

ネガティブ・フィードバック
抵抗 R1 は前圧増幅回路の増幅率を調節する役目をはたします。B 点電圧が中心から変化し始めると R1 を通して A 点に電流が流れますが、A 点と B 点の電圧変化は極性が逆なので、R1 を通して A 点に流れる電流は変化を減らす方向に作用します。このように出力を逆極性にして入力に戻すこどによって増幅率を調節することをネガティブ・フィードバック（負帰還）といいます。
もし、電圧増幅回路の増幅率が高すぎると、センサーの位置が少し変わっただけで B
点電圧が非常に大きく変化してしまいます。非常に大きくと言っても電源電圧を超える変化はできないので、センサーの位置が少し変わっただけですぐに 0 V か 1.5 V に切り替わるというような感じになります。そうすると、モーター M1 と M2 が両方回転する B
点電圧の範囲は一瞬で通過してしまうので、いつもどちらかのモーターが停止してしまいます。結果としてちょこまカーは常に左右にぶるぶるふるえながら進むようになります。
つまり、抵抗 R1 を調節することでもちょこまカーの動きを調節することができます。
R1 を小さくすると電圧増幅回路の増幅率が下がり、ちょこまカーはまっすぐ突進するタ
イプになり、逆に大きくすると上に書いたようにぶるぶるするようになります。
ネガティブ・フィードバックは増幅率を下げるかわりに、増幅器の入力電圧と出力電圧の間が正確に比例するようになるという利点があり、オーディオアンプなどに広く応用されています。
またネガティブ・フィードバックは自動制御の基本になる考え方でもあります。電気こたつを例にとると、ヒーターの電流が入力で温度が出力と考えられます。温度が目標値を超えたら（あるいは超えないように）電流を減らし、温度が目標値を下回ったら（あるいは下回らないように）電流を増やす、という動作なので、出力を逆極性にして入力に戻しているわけです。
じつはちょこまカーの動作全体もネガティブ・フィードバックになっていると言えます。
左右の位置のずれをセンサーで調べて、ずれが減るように左右のモーターを動かしたり止めたりするという動作ですから。
以上でちょこまカーの解説を終わります。おつきあいありがとうございました。

さいごにひとことこの世に生まれ出た子供は、転ぶと痛い（地球の引力は意外と強いぞ）、ということからはじまって次第に外界の一部を頭の中でシミュレーションできるよ
うになっていきます。スポーツでも演奏でも料理でも、上達とは脳内シミュレー
ションできる範囲を広げ精度を上げていくことだと思います。
同様に優れたエンジニアは材料や部品の性質とかそれが力や熱に対してどう反応するかなどをありありとイメージすることができるはずです。子供時代にものを作る楽しさを体験することが、そういう能力を芽生えさせるだろうと思います。
そして成長してから学ぶことになるサイエンスによって、ひとの五感でとらえられないほど巨大であったり微小であったり抽象的であったりするものまで取り扱うことができるようになります。
でもサイエンスを手に入れたからといって脳内シミュレーション能力は不要にはなりません。たとえば 3 階から落ちたら負傷する可能性があるかどうか判断するために力学の計算を必要とするでしょうか。また、計算や想定を間違うと、3 階からの転落は絶対に安全であるという結論が出るかもしれません。脳内でイメージできる範囲と精度を向上することは、すばらしく性能の高い機械を生み出すために有用なだけでなく、サイエンスが致命的な間違いを犯さないようチェックするためにも有用なのです。むしろサイエンスのたすけを借りて脳内シミュレーションの精度を向上させるべきだと思います。
学校教育で音楽やスポーツに親しむことは推奨されているのに、エンジニア
リングに触れる機会はほとんど皆無です。日本が今後も高度な技術力でやっていこうというならばなんという手抜かりでしょう。ちょこまカーがそんな数少ない機会を提供することになればわたしは嬉しいし愉快です。

小林

大

電子回路に詳しい方へ
電源電圧が低すぎて普通の差動増幅が使えませんでした。そこで
ちょこまカーの幾何学的な左右対称性を回路図上では上下の対称性に 対 応 さ せ る こ と に し た ら、バ イ ポ ー ラ ト ラ ン ジ ス タ に よ る
CMOS 的構造になりました。電圧アンプは対称性が高く使い勝手が良いですが、電流アンプはスレッショルド電圧の制約から段ごとに NPN と PNP を繰り返す必要があります。じつに乾電池 1 本だとこうなるしかなかったという感があります。