基本的なエレクトロニクスの内部の美しさ

Jan 01, 2024

Open Circuits は受動部品の驚くべき複雑さを示しています

エリック・シュレープファーは試みていた壊れたテスト機器を修理しようとしていたとき、問題の原因はタンタル コンデンサにあることに気づきました。 コンポーネントが何らかの理由でショートしたため、彼はその理由を知りたいと考えていました。 そこで彼は内部を観察するためにそれを磨きました。 彼はこの短編のソースを見つけることはできませんでしたが、彼と共同研究者のウィンデル・H・オスケイはさらに素晴らしいもの、つまり電子機器内部の息を呑むような隠された世界を発見しました。 その後、何時間にもわたる研磨、洗浄、写真撮影を経て、『Open Circuits: The Inner Beauty of Electronic Components』(No Starch Press、2022) が完成しました。以下にその抜粋を掲載します。 著者らが書いているように、これらのコンポーネントに関するすべては、特定の技術的ニーズを満たすように意図的に設計されていますが、その設計は「偶然の美しさ、つまり、予期していなかったものの出現の美学」につながります。

エレクトロニクスの幅広い世界にまたがる本から、IEEE Spectrum の私たちが驚くほど説得力があると感じたのは、普段あまり考えない受動部品の内部でした。 動作するのはトランジスタ、LED、その他の半導体かもしれませんが、抵抗、コンデンサ、インダクタの単純な物理現象には、独自の素晴らしさがあります。

すべての写真は Eric Sc​​hlaepfer と Windell H. Oskay によるものです

この安定性の高い皮膜抵抗器は直径約 4 ミリメートルで、安価な炭素皮膜抵抗器とほぼ同じ方法で作られていますが、厳密な精度で作られています。 セラミックロッドは、抵抗膜（薄い金属、金属酸化物、または炭素）の微細な層でコーティングされ、その後、完全に均一な螺旋状の溝が膜に機械加工されます。

抵抗器をエポキシでコーティングする代わりに、光沢のある小さなガラスの封筒に密閉して封止します。 これにより、抵抗器の堅牢性が向上し、抵抗器の長期安定性が重要となる精密基準計器などの特殊なケースに最適です。 ガラス製エンベロープは、エポキシなどの標準的なコーティングよりも湿気やその他の環境変化に対して優れた絶縁を提供します。

15 回転トリマー ポテンショメータを抵抗範囲の一方の端からもう一方の端まで移動するには、調整ネジを 15 回転する必要があります。 細かい分解能制御で調整する必要がある回路では、シングルターンタイプのトリマーポットの代わりにこのタイプのトリマーポットを使用します。

このトリマーの抵抗要素は、白いセラミック基板上にシルク スクリーン印刷されたサーメット (セラミックと金属の複合体) のストリップです。 スクリーン印刷された金属がストリップの両端を接続ワイヤに接続します。 これは、シングルターン トリマーの馬蹄形の抵抗素子を平らにした直線的なバージョンです。

調整ネジを回すと、プラスチックのスライダーが軌道に沿って移動します。 ワイパーは、スライダーに取り付けられたスプリング フィンガー、つまりバネ仕掛けの金属接点です。 金属ストリップと抵抗膜ストリップ上の選択された点との間で接触します。

コンデンサは、静電気の形でエネルギーを蓄える基本的な電子部品です。 これらは、大容量エネルギー貯蔵、電子信号の平滑化、コンピューターのメモリセルなど、数え切れないほどの方法で使用されています。 最も単純なコンデンサは、間にギャップのある 2 つの平行な金属板で構成されますが、絶縁体で分離された電極と呼ばれる 2 つの導電面が存在する限り、コンデンサはさまざまな形をとることができます。

セラミック ディスク コンデンサは、家電製品や玩具でよく使われる低コストのコンデンサです。 その絶縁体はセラミック ディスクであり、その 2 つの平行プレートは、ディスクの外面に蒸着またはスパッタリングされた非常に薄い金属コーティングです。 接続線ははんだを使用して取り付けられ、アセンブリ全体が多孔質コーティング材料に浸漬され、乾燥が強くコンデンサを損傷から保護します。

フィルムコンデンサは、ヘッドフォンアンプ、レコードプレーヤー、グラフィックイコライザー、ラジオチューナーなどの高品質オーディオ機器によく使われています。 主な特徴は、誘電体材料がポリエステルやポリプロピレンなどのプラスチックフィルムであることです。

このフィルムコンデンサの金属電極は、長尺のプラスチックフィルムの表面に真空蒸着されています。 リード線が取り付けられた後、フィルムは丸められ、アセンブリを結合するエポキシに浸されます。 次に、完成したアセンブリを丈夫な外側コーティングに浸し、その価値をマークします。

他のタイプのフィルムコンデンサは、フィルムの層を丸めるのではなく、金属化プラスチックフィルムの平らな層を積み重ねることによって作られます。

このコンデンサの中心には、タンタル金属の多孔質ペレットがあります。 ペレットはタンタル粉末から作られ、高温で焼結または圧縮されて、緻密なスポンジ状の固体になります。

キッチンスポンジと同様に、得られるペレットは単位体積あたりの表面積が大きくなります。 次に、ペレットは陽極酸化され、同様に大きな表面積を持つ絶縁酸化物層が形成されます。 このプロセスでは、他のほとんどのコンデンサが使用する積層または巻いた層ではなく、スポンジのような形状を使用して、コンパクトなデバイスに大量の静電容量を詰め込みます。

デバイスの正端子、つまりアノードはタンタル金属に直接接続されます。 マイナス端子、またはカソードは、ペレットをコーティングする導電性二酸化マンガンの薄層によって形成されます。

インダクタは、磁場の形でエネルギーを蓄積する基本的な電子部品です。 たとえば、エネルギーの蓄積と放出を交互に行うことで電圧を変換するために、一部のタイプの電源で使用されます。 このエネルギー効率の高い設計により、携帯電話やその他のポータブル電子機器のバッテリー寿命を最大限に延ばすことができます。

インダクタは通常、鉄やフェライトなどの磁性材料（酸化鉄を充填したセラミック）のコアの周りに巻かれた絶縁ワイヤのコイルで構成されます。 コアの周りを流れる電流は、電流の一種のフライホイールとして機能する磁場を生成し、インダクタを流れる電流の変化を平滑化します。

このアキシャル インダクタには、フェライト フォームの周りにワニスを塗った銅線が何回も巻かれ、両端の銅リードにはんだ付けされています。 巻線を覆う透明なワニス、はんだ接合部の周囲の薄緑色のコーティング、コンポーネント全体を保護し、インダクタンス値を示すカラフルなストライプの表面を提供する印象的な緑色の外側コーティングなど、いくつかの保護層があります。

この変圧器には複数の巻線セットがあり、壁コンセントなどの単一の AC 入力から複数の出力 AC 電圧を生成するために電源で使用されます。

中心に近い小さなワイヤは、マグネット ワイヤの「高インピーダンス」ターンです。 これらの巻線は、より高い電圧を伝送しますが、より低い電流を伝送します。 これらは、何層ものテープ、銅箔の静電シールド、その他のテープで保護されています。

外側の「低インピーダンス」巻線は、より厚い絶縁ワイヤで作られ、巻数が少なくなります。 電圧は低くなりますが、電流は高くなります。

すべての巻線は黒いプラスチックのボビンに巻かれています。 2 枚のフェライト セラミックが接着されて、トランスの中心部に磁気コアが形成されます。

この記事は、2023 年 2 月の印刷号に掲載されます。