MINATAと学ぶオートメーション #01：電圧・電流・抵抗 — 回路に触れる前に理解する
24 VDC と書かれたセンサーでも、24 V の電源につなげば必ず動く、というわけではありません。PLC の入力が点灯しないからといって、PLC が壊れているとは限りません。ソレノイドコイルで電圧が測れても吸引しない場合、電圧不足とは限りません。
最初に問うべき三つの質問は、いつも次のとおりです。
- 二点間の電位差はどれくらいあるか。
- 閉回路は実際に電流を流しているか。
- 電流が通る経路の全インピーダンスはどれくらいか。
これがまさに電圧・電流・抵抗です。この三つの量の関係を理解すると、機械担当者は図面をより正しく読み、正しい点を測定し、勘で部品を交換することを避けられます。
1. 電圧は二点間の差である
電圧（voltage）は記号 V または U、単位はボルト（V）です。電圧は絶対的な意味で「一本の線に存在する」ものではなく、常に二点間で定義されます。
制御電源が 24 VDC というとき、通常は次のようになります。
- プラス側：
+24V。 - 基準点：
0V。 +24V と 0V の間をテスターで測る：約 24 V。
両方のプローブを同じ +24V の線に当てると、二点間に有意な電位差がないため、テスターはほぼ 0 V を示します。
これは非常によくある測定ミスです。「線の端に電気が来ている」と言いながら、どの点を基準に測ったかを言わないのです。
2. 電流は閉回路があるときだけ流れる
電流（current）は記号 I、単位はアンペア（A）です。制御回路ではよくミリアンペア（mA）を扱い、次の関係があります。
1 A = 1000 mA
電流は一つのループが完成したときに流れます。
電源 → 負荷 → 電源への戻り経路
たとえば 24 VDC のソレノイドコイルが吸引するのは、次の条件がそろったときだけです。
- コイル両端に適切な電圧がある。
- 接点または制御トランジスタが導通経路を作っている。
- 電源へ戻る
0V 線が断線していない。 - コイル自体が内部で断線していない。
+24V が一端だけに届き、もう一端が開放のままだと、プローブの当て方によってはテスターが紛らわしい値を示すことがありますが、負荷電流は流れず、バルブは動作しません。
3. 抵抗は電流を妨げる
抵抗（resistance）は記号 R、単位はオーム（Ω）です。単純な直流回路では、オームの法則が次のように表します。
V = I × R
ここから、
NIST はこれをボルト・アンペア・オーム間の比例関係と説明しており、単位は 1 Ω = 1 V/A です。
例1：24 VDC の表示灯
等価回路の抵抗を 2.4 kΩ と仮定すると、
I = 24 / 2400 = 0.01 A = 10 mA
例2：抵抗が増加したソレノイドコイル
定格 24 V、6 W のソレノイドコイルが流す電流は、およそ
I = P / V = 6 / 24 = 0.25 A
動作時の等価抵抗は、
R = V / I = 24 / 0.25 = 96 Ω
コネクタが酸化して直列抵抗が加わると、電圧の一部がコネクタで降下します。コイルが受け取る電圧は下がり、吸引力が弱まり、コネクタは再び発熱します。
4. 初心者向けクイックリファレンス表
| 量 | 記号 | 単位 | 基本的な測定 | よくある間違い |
|---|
| 電圧 | V または U | ボルト（V） | 二点間を並列で測る | 基準点を決めずに測る |
| 電流 | I | アンペア（A） | テスターを直列に入れる、または適切なクランプメーターを使う | プローブを A 端子に挿したまま電源を直接短絡する |
| 抵抗 | R | オーム（Ω） | 電源を切り、測定部分を切り離す | 回路に電気が来たまま Ω を測る |
通電中の回路で抵抗モードや導通モードを使ってはいけません。測定の前にエネルギーを遮断し、職場の安全手順に従って無電圧状態を確認してください。
5. 負荷が実際に受け取るのは電圧降下後の値
図面上では、導体は通常、理想的なものとして扱われます。実機では、電線・端子・接点・端子（圧着端子）のいずれにも抵抗があります。
電流が流れると、
V_降下 = I × R_配線
あるバルブが 0.25 A を流し、供給／戻り経路の異常な合計抵抗が 8 Ω だとすると、
V_降下 = 0.25 × 8 = 2 V
ソレノイドコイルには約 22 V しか残りません。機械が冷えているときは動くかもしれませんが、温まったり空気圧が変わったりすると、バルブは不安定に動作し始めます。
したがって、24 VDC 負荷を故障診断するときは、
- 無負荷で電源電圧を測る。
- 負荷に動作を指令する。
- 電流が流れている間に、負荷の両端ですぐに測る。
- 各区間の電圧降下を測る：接点・端子・供給線・戻り線。
無負荷で測ると、不良な接続を見落とすことがあります。
6. 開回路と短絡の見分け方
| 状態 | 等価抵抗 | 電流 | よく見られる症状 |
|---|
| 正常な回路 | 設計どおり | 範囲内 | 負荷が正しく動作する |
| 開回路（open circuit） | 非常に大きい | ほぼ 0 | 負荷が動かない |
| 短絡（short circuit） | 非常に小さい | 非常に大きく増える | ヒューズ／ブレーカーが動作、または電線が発熱する |
| 接触抵抗の増加 | 局所的に増加 | 減ることがある | 負荷が弱い・不安定、接続部が熱い |
開回路と短絡はどちらも機械を止めますが、故障診断は正反対です。開回路では電流経路が失われた場所を探し、短絡では異常電流が流れる分岐を切り分けます。
7. 実例：点灯しない PLC 入力
三線式 PNP センサーを想定します。
妥当な確認手順は次のとおりです。
- センサーの茶線と青線の間を測る：24 V 近くあるか。
- センサーを作動させ、黒線と青線の間を測る：信号は 24 V 近くまで上がるか。
- PLC 入力端子で測る：電圧はそこまで届いているか。
- 入力グループのコモンが図面どおり
0V に正しく配線されているか確認する。 - 物理的な LED と、PLC 内のオンライン状態を見る。
センサーで信号に 24 V があるのに端子で失われていれば、故障は電線かコネクタにあります。入力に 24 V があるのに PLC が受け取らない場合に初めて、コモン・I/O 設定・入力ハードウェアの確認に移ります。
これは、センサーを交換してから PLC を交換する、というやり方ではなく、証拠に基づいて範囲を絞り込む方法です。
8. プローブを回路に当てる前のチェックリスト
- 回路が AC か DC か分かっているか。
- 定格電圧と機器の限界を知っているか。
- 正しいプローブ端子と正しい測定レンジを選んだか。
- 測定の基準点はどこか。
- 負荷が動作している間に測る必要があるか。
- その測定は回路を開く、または直列に入れる必要があるか。
- 抵抗／導通を測るなら、エネルギーを遮断したか。
- テスターとプローブは適切な安全カテゴリを備えているか。
まとめ
電圧は二点間の差です。電流は閉じたループ内の動きです。抵抗は電流がどれだけ妨げられるかを決め、電流が流れると電圧降下を生みます。
オートメーションに携わる人は、複雑な式から始める必要はありません。まず電流の経路を描き、二つの測定点を定め、負荷が動作中に実際に何ボルト受け取っているかを問うことから始めてください。
MINATA は検証できる故障診断を重視します。電源から負荷へ、そして負荷から電源へと測定します。
参考資料
- NIST — アンペアとオームの法則：https://www.nist.gov/si-redefinition/ampere/ampere-present
- NIST — 電流・電圧・抵抗の SI 単位：https://www.nist.gov/pml/owm/si-units-electric-current
- OSHA — 電気の用語と危険：https://www.osha.gov/etools/construction/glossary
- JEED 岩手 — 電気・生産システムの基礎訓練プログラム：https://www3.jeed.go.jp/iwate/poly/kyushoku/kunren_2026_seisan.html
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