抵抗の働き

電流を制限する・信号線をHIGHに戻す — オームの法則の成り立ちから4種類の抵抗の役割まで

1. なぜ電流は「流れにくく」なるのか

導体の中では、自由電子が電界から力を受けて一方向に押し流されている。しかし、この電子は真空中を何にも邪魔されず進んでいるわけではない。結晶を作る原子（イオン）の間をすり抜けながら進み、その途中で原子に何度も衝突する。衝突するたびに電子は運動エネルギーの一部を失い、その分が熱として結晶側に渡される。この「衝突による進みにくさ」が、電気抵抗の正体である。

1-1. 材料によって衝突のしやすさが違う — 抵抗率

原子の並び方や種類が違えば、電子が衝突する頻度も変わる。銅や銀のように自由電子が非常に動きやすい配列を持つ金属は電流を通しやすく、逆にニクロムのように電子が頻繁に衝突する配列を持つ金属は電流を通しにくい。この「材料ごとの通しにくさ」を数値化したものを抵抗率と呼ぶ。同じ太さ・長さの導線でも、材料の抵抗率が違えば抵抗値は変わる。

また、同じ材料であっても、導線が長いほど電子が衝突する回数の合計が増えるため抵抗は大きくなり、太いほど電子が通れる道筋が増えるため抵抗は小さくなる。回路部品としての「抵抗」は、この抵抗率・長さ・太さの組み合わせを、狙った抵抗値になるように設計してパッケージ化したものである。

2. オームの法則 — 押す力と流れにくさの関係

電子を押し流す力の元になっているのが電圧（電位差）であり、電子が進みにくい度合いを表すのが抵抗である。押す力が強くなれば、同じ抵抗でもより多くの電子が単位時間あたりに通過できるようになる。逆に、抵抗が大きくなれば、同じ押す力でも通過できる電子の量は減る。この関係を整理したものが、抵抗にかかる電圧 V、流れる電流 I、抵抗値 R の間に成り立つオームの法則である。

3. 今回は「4種類の抵抗」があり、役割が全部違う

同じ「抵抗」でも、信号線を持ち上げるものと、電流の量を制限するものとでは、狙いがまったく異なる。以下、それぞれ個別に見ていく。

4. プルアップ抵抗（5kΩ） — 信号線を「宙ぶらりん」にしない

I²Cでは、機器が信号線を主にLOWへ引き下げる方式（オープンドレイン）を使う。誰もLOWにしていないとき、信号線は電気的に浮いた状態（フローティング）になり、ノイズで値が不安定になる。そこで、抵抗を通して3.3V側へ常に引っ張っておき、誰も引き下げていない間は確実にHIGHにする。これがプルアップである。

5. ベース抵抗（2kΩ） — トランジスタとGPIOを守る

トランジスタ（BC337）のBase（ベース）端子は、電流を流しすぎると素子を壊してしまう。また、GPIOが直接大きな電流を吸い込む・吐き出すことになると、マイコン側にも負担がかかる。GP18とBase端子の間に2kΩを挟むことで、Baseへ流れる電流を安全な範囲に制限し、両方を保護する。

6. LED電流制限抵抗（330Ω） — 明るさと寿命を決める

LEDは抵抗のように「電流に比例して電圧が決まる」部品ではない。ある一定の電圧（順電圧）を超えると、電流が急激に増える性質がある。抵抗なしでLEDを電源に直結すると、過大な電流が流れて焼き切れてしまう。そこで直列に抵抗を入れ、流れる電流を制限する。

6-1. 330ΩでIR LEDにどのくらい流れる？

VBUSを5V、IR LEDの順電圧を約1.6Vとし、まずトランジスタの電圧降下を無視すると、電流は次のように計算できる。

7. 電源フィルタ抵抗（100Ω） — コンデンサと組み合わせて使う

100ΩはPL-IRM1838BのVCC直前に入れ、47µFのコンデンサとセットで電源ノイズを減らす役割を持つ。抵抗単体では電流を制限するだけだが、コンデンサと組み合わせることで、電源ラインの急な電圧変化を吸収する簡易フィルタとして働く。

8. 抵抗値の選び方 — 共通する考え方

4種類の抵抗はそれぞれ役割が異なるが、選定の考え方には共通点がある。