補講
電子回路の基礎

回路図が読める・基本部品の役割が分かる・マイコンの全体像がつかめる ── ゴールは「マイコンの役割がイメージできる」状態

0.1 今回の位置づけ

いまは「原理を理解する」フェーズの入り口

Week 0 で共有：本ゼミのテーマは「根拠を持ったエンジニアリング」

最終ゴールは、太陽方向を検知し姿勢を制御し撮影し、画像を地上局へ送る模擬衛星

Week 1 は Pico で「Lチカ」を深追いし、ソフトがハードを叩く境界を見る

今回の補講は、その Week 1 で前提となるハードの土台を先に固める

0.2 ソフトウェア開発で電子回路を学ぶ目的

Lチカは意味を知らなくても動く。だが「わかって書く」力を、今のうちに

0.3 今日の流れ

各部品の役割を押さえ、最後にマイコンの全体像へ

SECTION 1 ／ 回路の表現方法

回路図は接続情報だけを描いた図（Schematic）

資料やデータシートは、すべて回路図で書かれている

現物を見なくても「何と何が繋がっているか」が分かる。読めないと、データシートから情報を取り出せない

右は模擬衛星のADC（Analog-to-Digital Converter、MCP3008）。記号だけで全部表現されている

1.1 実体配線図 ⇔ 回路図

見た目（実体）と論理（回路図）は別物

実体配線図 Layout

部品の形・位置・配線の取り回しまで、現物に忠実に描く。

回路図 Schematic

記号に置き換え「電気的に何と繋がるか」だけを描く。
線の長さや配置に意味はない。

1.2 回路記号

部品を抽象化した「記号」で描く

部品ごとに決まった図記号がある

抵抗

コンデンサ

ダイオード

記号を使うから、誰が描いても・どの国でも同じ回路図として読める

同じ「抵抗」でも規格に新旧がある

新JIS（C 0617）

IEC準拠・長方形

⇔

旧JIS（C 0301）

ギザギザ

記号には「方言」がある。どちらを見ても戸惑わないように

1.3 一周のループと VCC / GND

ループを VCC と GND で切り離して描く

一周のループ

電池の＋から出た電流が、抵抗とLEDを通り−へ帰る。
電流は閉じたループでしか流れない。

VCC / GND で分離

同じ VCC どうし・同じ GND どうしは、線で結ばなくても繋がっているとみなす。「ここで繋がっている」という表現

1.4 GND ＝ 電圧を測る基準点

電圧は「基準からの高さ」＝相対的な量

1.5 ネットとラベル

ネット＝繋がりの「実体」、ラベル＝それに付ける「名前」

ピン＝部品の端子、ネット＝ピンどうしの電気的な繋がり、ラベル＝そのネットに付けた名前

ネットは名前がなくても「繋がり」として実在する。同じネットの上はどこも同じ電位

同じ名前のラベルどうしは、線で結ばなくても1つのネット（＝電気的に繋がっている）とみなす

VCC・GND もラベルの一種。信号線も同じく名前で分離して描く

フォトダイオード（出力側）

PD1 PD2 PD3 PD4

同じネット

ADC・MCP3008（入力側）

左の出力 PD1〜PD4 と右の入力 PD1〜PD4 は、線で結ばれていなくても 同じラベル＝同じネット だから繋がっている

回路図の章の核は、この3つ

SECTION 2 ／ 電子部品

模擬衛星の基本部品を揃える

部品は「種類」ではなく「何のために置かれているか」という用途で覚える。この4つの役割を一言で言える状態を目指す。

抵抗

電流の流れにくさを決める

ダイオード

電流を一方向にだけ流す

コンデンサ

電気を一時的に貯める

MOSFET

電気で動くスイッチ

2.1 抵抗

電流の「流れにくさ」を決める部品

電流が流れにくくなる＝水道の管を細くするイメージ

流れにくさの単位はオーム［Ω］

用途：電流を絞る／電圧を分ける／「基準電位の固定」（Week 2 で扱う）

模擬衛星でも、通信線のプルアップやセンサまわりなど至る所で使う

2.1.1 オームの法則

V = I × R ── 一番よく使う式、覚える価値がある

直流でも交流でも、抵抗についてはこの関係が成り立つ

2.1.2 抵抗分圧

抵抗2つで、電源電圧を「比」で分け合う

直列につないだ2つの抵抗には、同じ電流 I が流れる（枝分かれのない一本道）

それぞれの電圧はオームの法則で決まる：V1 = I×R1、V2 = I×R2

中点から取り出す電圧は Vout = Vin × R2 ÷（R1＋R2）

例：5V を 10kΩ と 10kΩ で分けると、中点はちょうど半分の 2.5V

抵抗だけで狙った電圧を作れる（掛け算と割り算だけで計算できる）のが要点

2.1.3 模擬衛星の抵抗分圧

電池電圧を分圧してから ADC で測る

マイコンが電圧を数値化するADCには測れる上限がある（模擬衛星は3.3V系）

電池電圧(VBAT)はこの上限を超えることがあり、そのままでは測れない（範囲外・ピンを傷める恐れ）

22kΩ の抵抗2本で1:1に分圧し、半分にした VBAT_SENSE をADCへ渡す

ソフトで読んだ値を2倍すれば元の電池電圧が分かる（分圧比が既知だから復元できる）

測れない大きさを、既知の比で測れる大きさに落とす

定格・消費電力・寄生成分の綱引きで「ほどよい大きさ」に

V = I × R は万能の真理ではなく近似

2.2 ダイオード

電気の「逆流防止弁」

順方向（決まった向き）には流すが、逆方向には流さない

極性（向き）があり、つなぐ向きを間違えると働かない

用途：電源の逆接続からの保護、整流（向きをそろえる）

「一方向にしか通さない」ことが、この部品の存在意義

2.2.1 LED ＝ 光るダイオード

LEDは、電流を流すと光るダイオードの一種

LED ＝ Light Emitting Diode。ダイオードなので当然、極性がある

順方向に流したときだけ光る（逆だと光らないし、流れない）

順方向電圧 Vf を超えてはじめて電流が流れ始める（この Vf が、後の電流制限抵抗の計算で効いてくる）

模擬衛星のサンセンサ（フォトダイオード）もダイオードの一種

2.2.2 IV特性

抵抗は「直線」、ダイオードは「折れ曲がる曲線」

2.2.3 計算例

LED電流制限抵抗を、オームの法則で決める

問題：抵抗を入れずにLEDを3Vへ直結したら、どうなる？

例：赤色LED「OSR5JA3Z74A」。電源 E=3V、順方向電圧 Vf≈2.0V、流したい電流 I=1mA

抵抗の電圧3V − 2V = 1V（LEDが2V受け持ち、残りが抵抗に乗る）

抵抗値 R1V ÷ 0.001A = 1kΩ

2.2.4 模擬衛星のダイオード

電源の逆流を防ぐ（Picoボード上）

信号の一方通行だけでなく、電源の逆流の防止にも使える

Pico W の電源入力では、+5V → D1 → VSYS（電源）へ入る

このダイオードは、電源の逆流や競合から回路を守る役割

「一方向にだけ流す」性質が、そのまま電源を守る働きに

2.3 コンデンサ

電気の「小さな貯水タンク」

電荷（電気）を貯めたり放出したりできる。容量の単位はファラド［F］

比喩：水を貯めるタンク。急に水が要るとき、一時的に供給できる

直流（一定の電圧）はある程度貯めると流れなくなるが、変化には敏感に応じる

模擬衛星では主に電源を安定させるために使う

2.3.1 コンデンサの主な用途

電圧のふらつきを吸収して回路を安定させる

マイコンやセンサは、動作の瞬間に消費電流が急変する

電源ラインの近くにコンデンサがあると、急変を吸収して電圧を保つ

比喩：バケツリレーの途中に貯水槽を置くと、波が穏やかになる

この用途のコンデンサをデカップリングコンデンサと呼ぶ（ICの電源ピンのすぐ横で、電源の変動から切り離す）

※バイパスコンデンサは高周波ノイズをGNDへ逃がす別の役割。構造は同じで「どこで何をするか」で呼び名が変わる

2.3.2 模擬衛星でのコンデンサ

LDO出力の安定化に 47μF が入っている

模擬衛星は 電池 → LDO（低ドロップアウトレギュレータ）で安定した電源を作る

そのLDOの出力段に 47μF の電解コンデンサを置いて出力を安定させる

電解コンデンサは極性ありなので向きに注意（逆だと壊れる。ダイオードと同じ）

「電源を作る所にコンデンサあり」を、実際の回路で確認できる

2.3.3 コンデンサの種類

いまは「2タイプある」で十分

無極性 セラミック

向きの区別なし。扱いやすい

有極性 電解

逆向きにつなぐと壊れることがある。向きに注意

選定は模擬衛星ではハードが設計済みなので理解しなくてよい。将来選ぶ場面が来たら、データシートや定番構成を見ればよい

充電時、コンデンサ電圧はどんな曲線で立ち上がる？

A垂直に跳ね上がる

B直線的に上がる

Cなだらかに飽和

Dずっと 0V のまま

2.4 MOSFET

電気信号で ON / OFF できるスイッチ

3本の端子。うち1本（制御端子）の電圧でON/OFFを切り替える

ここで H／L を使う：デジタルは電圧を2段階──H（High＝電源電圧の側）と L（Low＝GNDの側）──で表す（詳しくは後半で）

制御端子を H にすると2端子間が導通、L にすると遮断（タイプにより逆もある）

物理スイッチと違い、マイコンの信号で高速にON/OFF。まずは「電圧で操作する蛇口」と理解すればよい

2.4.1 Nch と Pch

2種類あることが CMOS の鍵

Nチャンネル

H で導通

G ゲート H/L で ON/OFF を切り替える入力

D S 電流

Pチャンネル

L で導通

G ゲート H/L で ON/OFF を切り替える入力

D S 電流

NchとPchは互いに逆の動作。この「逆の性格をもつペア」が、後で出てくる CMOS（Complementary MOS）の材料になる

2.4.2 模擬衛星のMOSFET

基板上になく、マイコンの「中」にある

模擬衛星の基板に、単体（ディスクリート）のMOSFETは載っていない

だが Pico の中身（RP2040）は、無数のMOSFETで構成された CMOS

つまり「意識しないが、最も大量に使っている部品」がMOSFET

今日は回路記号と「スイッチ」のイメージだけ押さえれば十分

名前が、構造と動かし方をそのまま表している

Metal- Oxide- Semiconductor Field-Effect Transistor

Metal（金属）＝ゲート電極の層

Oxide（酸化物）＝絶縁膜の層

Semiconductor（半導体）＝シリコン基板

Field-Effect（電界効果）＝電圧でスイッチを開け閉めする動かし方

略語に出会ったら、まず元の言葉に戻して意味を調べる。名前は中身を語っていることが多い

金属（ゲート電極） 酸化物（絶縁膜） 半導体（シリコン基板）

回路を厳密に計算する基本法則（存在だけ知ればよい）

模擬衛星の単純な回路では、ここまで持ち出す場面はほぼない。興味があれば：この法則はマクスウェル方程式から導ける

配線そのものにも、わずかな抵抗・容量が潜んでいる

まず全体像をざっくりつかんで体系を持つ。それが一つひとつを深く理解する土台になる

部品の章の核は、この3つ

SECTION 3 ／ 部品の繋げ方

部品が揃ったら、次は「組み立て方」

3.1 まず完成形：プリント基板（PCB）

製品の回路は、配線が焼き付けられた基板の上に作る

PCB（Printed Circuit Board）：銅の配線が板に印刷・固定された基板

部品をはんだ付けすれば、頑丈で再現性のある回路ができる

模擬衛星の本体も、複数のPCBを積み重ねた構造でできている

しかし、PCBは一度作ると配線を変えられない

3.2 なぜ試作が必要か

いきなり本番基板を作ると、間違いの修正コストが大きい

3.3 ブレッドボードの語源と発想

「板に部品を挿して配線する」発想から生まれた

語源：その昔、パンを切る板（breadboard）に部品を留めて回路を組んだ

発想：部品を挿せる板があれば、はんだ付けなしで試作できて便利

さらに発想：よく使う配線が最初から板に入っていれば、もっと便利

この「あらかじめ入った配線」が、現在のブレッドボードの内部構造の正体

ブレッドボードは、システム工学の用語にもなっている

3.4 ブレッドボードの内部構造

「どの穴とどの穴が最初から繋がっているか」が全て

中央の穴：縦方向（または横方向）の数穴が一列ごとに内部で繋がっている

端の長いライン：電源（＋）とGND（−）を流すための共通レール

部品の足を同じ列に挿せば、配線したことになる

繋がっている列・いない列を取り違えると、回路は意図どおり動かない

3.5 配線の例：LED点灯回路を組む

回路図の一周ループを、ブレッドボードの配線に翻訳する

電源レール（＋）→ 抵抗 → LED → GNDレール（−）の順に挿す

LEDには極性があるので、向きに注意（逆だと光らない）

同じ列に挿すことで「繋がった」ことになるのを意識する

これが、回路図（論理）を実体配線（物理）へ戻す作業そのもの

3.6 ショート（短絡）の危険と対策

抵抗なしで電源とGNDが直結すると、過大電流が流れる

3.7 ブレッドボードを過信しない

試作専用。動いても「次も動く」とは限らない

構造上、接触が不安定で、持ち運ぶと接触不良になりやすい

接触抵抗や配線間の容量が大きく、高速信号や大電流には向かない

長く挿しっぱなしだとバネが弱り、保持力が落ちる

本番で確実に動かすなら、最終的にはPCBやユニバーサル基板へ起こす

この回路図のとおりに繋がっているのは、A〜Cのどれ？

チェックの観点

・中央の溝の左右は繋がっていない ・同じ列は内部で繋がる ・部品の両足を同じ列に挿すと短絡する

A

B

C

組み立ての章の核は、この3つ

SECTION 4 ／ デジタルとアナログ

信号には2種類ある：アナログとデジタル

4.1 アナログ信号

滑らかに連続して変化する量

4.2 デジタル信号

H と L の2値しかとらない

4.3 なぜデジタルが選ばれるのか

ノイズに強く、情報を正確に保てる

4.4 アナログとデジタルの橋渡し

現実はアナログ、マイコンの中はデジタル。繋ぐのが ADC と DAC

信号の章の核は、この3つ

SECTION 5 ／ CMOSデジタル回路

H/L から論理を作る CMOS

5.1 CMOS：NchとPchのペアで論理を作る

逆の性格のMOSFETを組み合わせて、H/Lを反転・演算する

CMOS：Nch と Pch を組み合わせた回路方式（今のデジタル半導体の標準）

例：入力 H を入れると出力 L、入力 L を入れると出力 H（NOT＝反転）

これらを大量に組み合わせると、足し算や記憶など複雑な処理ができる

ここでは「H/Lを操作する素子が作れる」ことだけ分かればよい

入力

H

出力

L

入力

L

出力

H

5.2 H/Lの組み合わせが、やがて計算になる

単純なスイッチを大量に集めると、やがて計算になる

5.3 マイコンの入出力ピンもCMOSでできている

チップの中身だけでなく、外の回路との接点も CMOS

CMOSの章の核は、この3つ

SECTION 6 ／ マイコンの全体像

電気回路をソフトで操る存在

6.1 マイコンは「回路とソフトの通訳」である

「ソフトでハードを動かしたい」という要求から生まれた

6.2 マイコン ＝ CPU・メモリ・入出力が1チップ

コンピュータの機能を1つのチップに収めたもの

6.3 模擬衛星でのマイコンの役割

Pico W は各サブシステムを束ねる司令塔（C&DH）

C&DH（データ処理系）：Pico W が全体の司令塔

ADCS（姿勢制御系）：光センサやジャイロを読み、モーターを制御する

Payload（ミッション系）：カメラを制御し、画像を取得する

COMM（通信系）：Wi-Fi で地上局とデータをやり取りする

これら全てを、Pico W というマイコンがソフトウェアで束ねる

6.4 マイコンチップ単体と開発用ボードは別物

「チップ」はCPUそのもの、「ボード」はそれを使いやすくした基板

マイコンチップ単体 RP2040

演算の本体。これ単体では電源もUSBもなく、使いにくい。
例えるなら CPU。

開発用ボード Raspberry Pi Pico

チップに電源回路、USB、ピンを足したもの。
例えるなら CPUを載せたマザーボード一式。

試作はボードで行い、製品化するときはチップ単体を自分の基板に載せる

6.5 だからデータシートも2種類ある

知りたい情報によって、開くべきデータシートが変わる

チップのデータシート

チップの内部仕様（Week 1 で読む）

ボードのデータシート

どのピンがどこに出ているか、電源の仕様など

スコープの正しいデータシートを開けることが、これからの最初の関門

間違ったほうを開くと、いくら探しても情報は見つからない

6.6 実機での配線：PicoのGPIOとLEDを繋ぐ

Lチカの物理的な配線をもう一度確認する

6.7 ソフトウェアの書き込み：UF2ファイル

ビルドしたソフトをハードウェアに送り込む手順

6.8 ソフトウェアからハードを操る

Week 0 で動かした Lチカのコードを、今の知識で見る

// Lチカのコード（抜粋）
gpio_init(LED_PIN);
gpio_set_dir(LED_PIN, GPIO_OUT);
while (true) {
    gpio_put(LED_PIN, 1);
    sleep_ms(250);
    gpio_put(LED_PIN, 0);
    sleep_ms(250);
}

6.9 C言語の1行がハードウェアを動かす

それぞれの行が「マイコンへのどんな指示」になっているか

マイコンの章の核は、この4つ

7. まとめ：今日の内容

部品と信号を揃え、マイコンという接点まで来た

NEXT ／ WEEK 1

Lチカを深追いし、ソフトとハードの境界を見にいく

衛星開発ゼミ ／ ASTROCAMP-SAT

6章で解説した blink を、実際に Pico で動かす

画像クレジット​（出典）