電子回路を基礎から学ぶ

デジタル論理、アナログ回路、実践的な電子回路をカバーする無料のチュートリアルとガイド。学びながら実際の回路を構築できます。

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回路エディタを開く

ナビゲーションバーの「エディタ」をクリック。空のキャンバスと左側のコンポーネントパレットが表示されます。コンポーネントは論理ゲート、I/O、アナログなどのカテゴリに整理されています。

コンポーネントを配置してワイヤを描画

パレットのコンポーネントをクリックして選択し、キャンバスをクリックして配置します。コンポーネントのピン間をクリック＆ドラッグでワイヤを描画します。シミュレーションは自動的に実行され、スイッチを切り替えると出力がリアルタイムで変化します。

デジタル論理の基礎

デジタル回路は、2進数の1（HIGH）と0（LOW）を表す2つの電圧レベルで動作します。論理ゲートを組み合わせることで、コンピュータが行えるあらゆる計算を実行する回路を構築できます。

論理ゲート：基本的な構成要素

すべてのデジタル回路は、少数の基本ゲートから構成されています。AND ゲートはすべての入力が HIGH の場合にのみ HIGH を出力します。OR ゲートはいずれかの入力が HIGH の場合に HIGH を出力します。NOT ゲート（インバータ）は信号を反転させます：HIGH は LOW に、LOW は HIGH になります。

これら3つの基本ゲートから、すべての他のゲートを導出できます：NAND（NOT + AND）、NOR（NOT + OR）、XOR（排他的 OR — 入力が異なる場合に HIGH）、XNOR（排他的 NOR — 入力が一致する場合に HIGH）。実際、NAND ゲートだけであらゆるデジタル回路を構築できるため、「万能ゲート」と呼ばれています。

組み合わせ回路

組み合わせ回路は、現在の入力のみに依存する出力を生成します（メモリなし）。一般的な例：

• 半加算器 — 2つの1ビットの数を加算し、和とキャリー出力を生成。XOR ゲートと AND ゲートで構成。
• 全加算器 — 3ビット（2入力とキャリーイン）を加算。複数の全加算器を連結してリプルキャリー加算器を構築し、多ビット加算が可能。
• マルチプレクサ（MUX） — セレクタ線に基づいて複数の入力から1つを選択。4対1 MUX は2ビットのセレクタで4つのデータ入力から選択。
• デコーダ — バイナリコードを1-of-many出力に変換。3対8デコーダは3ビット入力に基づいて8本の出力線のうち1本を活性化。

順序回路とメモリ

順序回路はメモリを持ち、出力は現在の入力と過去の状態の両方に依存します。基本的な構成要素はフリップフロップです：

• SR ラッチ — 最も単純な記憶素子。セット（S）で1を格納、リセット（R）で0を格納。
• D フリップフロップ — クロックエッジで入力（D）の値を取り込む。レジスタやカウンタに使用。
• JK フリップフロップ — セット、リセット、トグル、保持が可能な汎用フリップフロップ。
• T フリップフロップ — T=1のとき、各クロックパルスで出力をトグル。バイナリカウンタの構築に使用。

フリップフロップを接続することで、カウンタ、シフトレジスタ、有限状態機械を構築できます — これらはすべてのコンピュータプロセッサの基盤です。

アナログ回路の基礎

アナログ回路は連続的な電圧・電流値を扱います。アナログ電子回路の理解は、電源設計、信号処理、センサインターフェース、オーディオシステムに不可欠です。

オームの法則と抵抗回路

オームの法則（V = I × R）はすべての回路解析の基礎です。電圧（V）は電流（I）と抵抗（R）の積に等しくなります。Open Circuits では、電圧源とグランドの間に抵抗器を配置し、電圧/電流プローブを使ってオームの法則を直接検証できます。

キルヒホッフの電圧法則（KVL）は、閉回路のすべての電圧の合計がゼロであることを示します。キルヒホッフの電流法則（KCL）は、ノードに入る電流の合計が出る電流の合計に等しいことを示します。これらの法則は、Open Circuits のアナログシミュレータを駆動する修正節点解析（MNA）アルゴリズムの基礎です。

分圧回路

分圧回路は2つの直列抵抗器を使用して、入力電圧の一部となる出力電圧を生成します。出力電圧は：Vout = Vin × R2 / (R1 + R2)。分圧回路は至るところで使われています：基準電圧の設定、センサの読み取り、トランジスタ回路のバイアス、ADC 入力範囲の作成など。

ダイオードと LED

ダイオードは一方向にのみ電流を流します。導通するには最小順方向電圧（シリコンで約0.7V、LED で1.8〜3.3V）が必要です。LED（発光ダイオード）は順方向バイアスで発光するダイオードです。LED の焼損を防ぐために、常に電流制限抵抗器を使用してください。

Open Circuits では、十分な電流が流れると LED が視覚的に点灯するため、回路のどの部分がアクティブかを簡単に確認できます。

スイッチとしてのトランジスタ

バイポーラ接合トランジスタ（BJT）は電子スイッチとして機能できます。NPN トランジスタは、ベースに小さな電流が流れると ON になり、コレクタからエミッタへより大きな電流が流れます。PNP トランジスタは逆に動作し、ベースがエミッタに対して LOW に引かれると ON になります。

トランジスタスイッチは、低電力の論理信号から LED、モーター、リレー、その他の負荷を制御するために使用されます。Open Circuits は、リアルなゲイン（ベータ）と飽和特性を持つ NPN と PNP の両方のトランジスタをシミュレートします。

オペアンプ

op-amp は高利得の差動増幅器です。Open Circuits では、定番の op-amp 回路を構築できます：

• 反転増幅器 — ゲイン = -Rf/Rin
• 非反転増幅器 — ゲイン = 1 + Rf/Rin
• ボルテージフォロワ（バッファ） — 単位ゲイン、高入力インピーダンス
• 加算増幅器 — 複数の入力電圧を加算
• コンパレータ — どちらの入力が大きいかに基づいて HIGH または LOW を出力

回路構築のヒント

• グランドを必ず含めてください。すべてのアナログ回路にはグランド基準が必要です。グランドがないと、シミュレータは絶対電圧レベルを決定できません。
• 色分けされたワイヤを使用。Open Circuits は複数のワイヤ色に対応しています。電源に赤、グランドに黒、信号にその他の色を使って回路を見やすくしましょう。
• 電流フローアニメーションを確認。ワイヤ上のアニメーションドットは電流の方向と大きさを示します。ドットが動いていない場合は、接続を確認してください。
• バージョンを保存。大きな変更を行う前にバージョンを保存してください。何か問題が起きても、以前のバージョンに戻せます。
• ライブラリからフォーク。ゼロから始めずに、回路ライブラリでリファレンス設計を探してワークスペースにフォークしましょう。

最初の回路を構築しましょう

学んだことを実践しましょう。エディタを開いて実験を始めてください。