ボリューム(可変抵抗器)の使い方、つなぎ方、抵抗値計算等を回路図も使って詳しく解説

ボリュームユニット(回転角ユニット)準備するもの
スポンサーリンク

音量や風量、明るさ、回転数等を調整するのに使用される「ボリューム(可変抵抗器)」について紹介します。

最近ではあまり見かけなくなりましたが、音量の調節といえばこの「ボリューム」のツマミを回して調節するものが多くありました。
このため今でも「ボリュームを上げる」=「音量を上げる」として使われます。

電子部品では「ボリューム」というと「可変抵抗器」のことを指します。
「抵抗(固定抵抗器)」が固定の抵抗値を持つのに対して「可変抵抗器」は抵抗値を可変(調整)できる抵抗器です。

1.いろいろな「ボリューム(可変抵抗器)」の外観

「ボリューム」には下画像のように用途に応じていろいろな形、大きさのものがあります。

いろいろな種類のボリューム(可変抵抗器)

いろいろな種類がありますが基本的に足(端子)が3本あり、抵抗値を調整できる回転部があります。
※写真にはありませんが操作部が直線的にスライド動作するものもあります。

基本的には両端の端子の抵抗値は固定で、回転部を回すことで真中の端子の抵抗値を調整することができます。

2.「ボリューム」可変抵抗器の回路図記号

「ボリューム」の回路図記号は固定抵抗器の真ん中から1本線を出して以下のように書きます。

ボリューム(固定抵抗器)の回路図

両端に5V電源の5V(+)と0V(ー)をつなげて「ボリューム」の回転部を回すと、真ん中の端子から0~5Vの電圧を得ることができます。

この電圧の変化を読み取って、プログラムによって音量や明るさの調整に利用します。

ボリューム(固定抵抗器)の回路図

プログラムで「ボリューム」からの電圧の変化を確認するためには「マイコンボード」の端子に「ボリューム」の真ん中の端子を接続する必要があります。
しかし、このまま接続すると、5V側に調整した時は上画像のように電流を制限する抵抗が無いことになります。

こうなると大きな電流が流れてマイコンボードを壊してしまうため注意が必要です。

ボリューム(固定抵抗器)の回路図

0V側に調整した時は電流は抵抗で制限されるため問題ありません。
0Vになっている時は真ん中の端子から電流は流れませんが、5V側に近づくにつれて電流は大きくなっていきます。

実際使用する時は5V側に調整しても電流が制限される状態にする必要があります。

3.「ボリューム(可変抵抗器)」の実際の使い方

「ボリューム」は単体で電源に接続して使用することはあまりありません。
実際は調整したい電圧範囲になるように下画像のように抵抗(固定抵抗器)と組み合わせて使用します。

ボリューム(固定抵抗器)の回路図

5V電源を使用した0~3.3Vの電圧調整用回路を例に紹介します。

0~3.3Vで変化する電圧は、電源電圧が3.3Vのマイコンボードのアナログ入力端子(電圧の変化を確認する端子)への入力電圧としてよく使用されます。

ボリュームを使ったアナログ入力(A/D変換)の使い方は以下リンクで詳しく紹介しています。

アナログ入力(A/D変換)の使い方(Arduinoプログラミング)
Arduinoコマンドを使用した「アナログ入力」の使い方について紹介します。A/D変換とも呼ばれ「A/D」とは「Analog」と「Digital」の頭文字をとったもので、アナログデータをデジタルデータに変換する処理のことを言います。

固定抵抗器(R1)とボリューム(VR1)は直列で接続し、両端に5Vの電源を接続します。
この時「ボリューム」の回転部を回すと0Vの端子と真ん中の端子間の電圧が0~3.3Vに変化するように抵抗(R1)とボリューム(VR1)の値を設定します。

次に抵抗(R1)を4.7kΩ(4700Ω)、ボリューム(VR1)を9.1kΩ(9100Ω)として各部の値を計算してみましょう。

ボリューム(固定抵抗器)の回路図

まずは電圧 V(5V)と「抵抗(R1+VR1)」から、全体に流れる「電流 I」を求めます。
 I = V / (R1 + VR1)
 5 / (4700 + 9100) ≒ 0.000362(A)
 0.000362(A) = 0.362(mA)

求めた電流から「ボリューム」VR1の両端電圧をV2として求めます。
 V2 = VR1 × I
 9100 × 0.000362 = 3.294 ≒ 3.3(V)

「ボリューム」VR1の両端電圧がほぼ3.3Vになりました。
「ボリューム」の調整を3.3Vにしても抵抗R1で電流が制限されているので安全です。


・実際に動作確認に必要な部品等の紹介

数字や記号を眺めているよりは実際に触って体感してみた方が理解は断然早いです。

ボリュームは各社購入できますが、電子部品関係はamazonが選択肢が豊富で価格も安いです。

固定抵抗器は10Ω〜1MΩまで各20本、30種類の600本セットです。ケース不要ならもっと安いのもありますがあった方が便利です。

安定化電源は無くても乾電池でいいのですが電圧条件を色々変えられるので、あった方が断然便利です。高価なように思いますが「入力AC100V、出力DC0V〜30V/電流制限0〜5A可変」でこの価格は破格と思います。
他にも似たようなものはありましたが、評価が1000件以上で星4以上なので私はこれを買いました。
正面にUSB(Type-A、5V、2A)がありこれが意外と便利です。ワニ口クリップ付の配線も使いやすいです。
出力電圧のON/OFFスイッチが無いのと内蔵コンデンサが大きいのか無負荷で電圧を下げた時の反応が少し遅いのが残念ですが、作りは良くて個人的には高級感あってお気に入りです♪
ちょっとした電子工作には消費電流も確認できるので便利です。
これから電子工作や学習を始める方なら他の用途にも役立つと思いますのでおすすめします。

テスターはもっと安いものはありますが、個人的にはことごとく痛い目にあってるのでおすすめしません。
やっぱり安心の「sanwa製」私も使ってますが、DC/AC電圧オート、抵抗、導通(ブザー)、ダイオード順方向電圧、コンデンサ容量まで測れて電池は長持ちで見やすい液晶、特におすすめです。

あとは、あると便利なワニ口クリップ、色が豊富な方が使いやすいです。

4.オームの法則について

各部の電圧、電流、抵抗の値は「オームの法則」で計算しましたのでここで紹介しておきます。
3つの値のうち2つがわかれば残りの一つを求めることができます。

「オームの法則」の基本式は

「V(電圧) = R(抵抗) × I(電流)」です。

オームの法則の覚え方
「V=RI」なので「VRI」で「ブリ」と覚えると忘れにくいです。
基本式だけ覚えておけば以下のようにその都度変換すれば大丈夫です。
「電流 I(A)」を知りたい時:「I = V / R」
「抵抗 R(Ω)」を知りたい時:「R = V / I」

抵抗やオームの法則については、以下のリンクでも詳しく紹介しています。

抵抗とは?「オームの法則」の簡単な覚え方
抵抗について、簡単にわかりやすく紹介します。オームの法則による抵抗の計算方法や、抵抗を決める抵抗率の一覧表から物質ごとの抵抗の違いも確認してみましょう。

5.おすすめのボリュームユニット

外付けの抵抗を使わなくても抵抗回路が内蔵されている「ボリュームユニット」を紹介します。
下画像の「ボリュームユニット」は「M5Stack社」製の「ANGLE UNIT」です。

なぜ「VOLUME UNIT(ボリュームユニット)」ではなく「ANGLE UNIT(回転角ユニット)なのかという疑問を持たれる方もいるかもしれません。
これは「可変抵抗器」の回転部を回した時に抵抗が変わることを利用して、回転部をどれくらい回したかの角度を知ることができるためです。
「電動モビリティ」等を操作するためのハンドル部にも使われます。
(このユニットの場合は思いっきりツマミが付いてるので「VOLUME UNIT」の方がわかりやすいんですけどね・・・)
ボリュームユニット(回転角ユニット)
ボリュームユニット(回転角ユニット)
ボリュームユニット(回転角ユニット)
ボリュームユニット(回転角ユニット)

この「ボリュームユニット」には上で紹介した「実際の使い方」と同じ回路が内蔵されていて、汎用性の高い「Groveコネクタ」とケーブルも付属しています。

2つの穴はレゴ(テクニック)の「コネクターペグ」等が差し込めるので固定に利用できます。

配線は4本ありますが黄色(OUT)は内部でどこにも繋がっていないので使用しません。
残りの3本を使用して、赤色に5V、黒色に0Vを接続すると白色(IN)と黒色(GND)間の電圧を0~約3.3Vの範囲で調整できます。

この「ボリュームユニット」に使われている「ボリューム」は9.1kΩが設計値と思いますが、抵抗値の精度はあまり良くないようです。
ものによっては3.3Vより少し高くなったり、逆に低くなるものもあります。
このため、最大値の3.3V近辺で使用することは避けた方が良いです。
また、イメージ的に右に回すと電圧が高くなるイメージですが、これは右に回すと電圧が低くなります。反対にしたい場合はプログラムで調整しましょう。
価格は安いので、これらを理解しておけば非常に便利で使いやすいです。

この「ボリュームユニット」とマイコンボード「ATOM LITE」に内蔵のフルカラーLEDを使用してLEDの発光色を変化させるプログラムも以下のリンクで詳しくで紹介していますので、実際に使いながらもっと理解を深めましょう。

ボリュームで7色変化!フルカラーLEDコントローラーを作ろう「ATOM LITE」
フルカラーLEDとは一つのLEDの中に赤、緑、青のLEDが入っていてそれぞれの明るさを変えることで様々な色を表現できるものです。 今回はボリュームを使って「ATOM LITE」本体に内蔵されているフルカラーLEDコントローラを作りましょう♪

6.ポテンショメータや半固定抵抗器もボリューム?

「ボリューム」や「可変抵抗器」で検索していると「ポテンショメータ」や「半固定抵抗器」「半固定ボリューム」等を目にすることがあると思います。これらの違いは何でしょうか?

これらはいずれも「可変抵抗器」です。

「ボリューム」「可変抵抗器」「半固定抵抗器」「半固定ボリューム」は用途によって呼び方が変わるだけで全て同じものと考えて良いと思います。

しかし、「ポテンショメータ」だけは違う扱いで使用されることが多いです。
「ポテンショメータ」は操作部の移動量に対して精度高く直線的に抵抗値が調整できるように設計されたもので、「多回転」の物もあり、部品というよりセンサ的な位置付けにあります。

「多回転」とは一般的なボリュームが1回転しない範囲で調整する抵抗値を、5回転や10回転で調整できるように内部にギヤ等機械的な構造を持たせたものです。
これにより精度の高い調整や移動量の検出ができます。

実際には「多回転ボリューム」というものがあったり、安価なボリュームでも「ポテンショメータ」と表現することもあり、明確に使い分けされず混在して使用されています。
使用する時は個別の仕様をよく確認して使用するようにしましょう。

7.まとめ

ボリューム(可変抵抗器)について紹介しました。

最近の電化製品ではデジタル化が進み、目に見える部分に使われることは少なくなりましたが、内部基板の精度調整や工場で使用される制御機器、センサの特性調整等にはまだまだたくさんのボリュームが使用されています。
なにより電子工作には欠かせない部品です。

基本的な構造は回路図記号のように、抵抗(固定抵抗器)に抵抗値が可変できる端子が1つ追加されたものです。

ボリュームを調整することで、電圧値を調整することができ、電子回路の特性調整や、マイコンへのアナログ入力値として、その値の変化を利用したプログラムを作成できます。

電圧調整の用途だけでなく、電圧値から操作部の位置や移動量を知ることもできます。
微調整や精度の高い位置検出を行う場合は「多回転ポテンショメータ」を使用します。

構造は単純なものですが使い方によっていろいろな用途に使用することができます。
今後どんなにデジタル化が進んでもボリュームがなくなることは無いと思いますので、構造や用途を理解して使いこなしていきましょう。



コメント

タイトルとURLをコピーしました