※ 念願のプリント基板を製作する前に。
【１８】デジタルは５Ｖだけではあらず・デジタル出力編
ひと口に出力といっても、いろいろな意味合いがあります。デジタルの世界だけで大別すると、
○ パワー出力
何かの装置、あるいは部品を駆動する電気エネルギーを出す。
○ データ出力
メッセージを次の回路に与える。
○ アナログ出力
などが思いつきます。
アナログ出力は後ほどということにして、今回はデジタルだけに絞ります。
▽電圧の異なるパワー出力回路△
まず最初はパワー出力ですが、その前に──。
『出力』というと、電流が出てくるようなイメージを受けますが、電流を引き込むような場合もあります。入ってくるので『入力』と勘違いしそうですが、これは０Ｖ（に限りなく近い）を出していると考えると、やはり『出力』になります。
ＰＩＣを使った電子工作でデータ信号だけを扱うということは稀なようで、必ずその先には何かを駆動するような出力回路に行き着くと思います。
たとえば、ＬＥＤをひとつ光らせるだけでもパワー出力回路が必要です。
しかしＦｌａｓｈ ＰＩＣのボード１の回路図を見ていただいてもお解かりのように、とくにＬＥＤと抵抗以外、何も使われていません。
下記はＦｌａｓｈ ＰＩＣのボード１のＬＥＤ点灯回路と７セグメントの駆動回路の抜粋です。
これはシミュレーション用の回路だから省略されているのではなく、実際にＰＩＣで駆動できます。
ただ説明を解りやすくするために、すべてＨ出力でＬＥＤを点灯させるようにしています。
ＰＩＣのポートがＨになると、５Ｖが出力されるので、抵抗を通って電流がＬＥＤを通過してＧＮＤへ流れ出すので、明るく点灯するという仕組みです。
何も部品が必要ないのは、ＰＩＣのポート自身がパワー出力回路を内蔵しているからです。１ピンあたり２５ｍＡの電流を取り出せます。
ただし、全出力すべてから２５ｍＡ出せるわけではありません。詳しくは【４】ハードウエアが先かプログラムが先か・・・密接した関係の真ん中あたりで説明しています。
これはＬＥＤが低消費電流の部品だから可能なだけで、２個並列につなごうとすると、途端に怪しくなります。２５ｍＡという限界値に近づくからです。３個並列となればもう、限界を超えてしまいます。
それに駆動させたいものは何もＬＥＤばかりではありません。ＤＣ２４Ｖモーターや、クルマの１２Ｖの電球だとか、大きなリレーを駆動させる必要に迫られることも、ふつうに起きます。
ちなみにＦｌａｓｈ ＰＩＣはシミュレーターですが、一応本物の回路構成をしています。こんな空想のものにも駆動させたいものがあり、ちゃんと出力回路が含まれています。
駆動させるものというと『ちきどん』です。
『ちきどん』はＡＣモーターで回っていることになっています。電圧計の目盛りは２００Ｖまであるので、なんとＡＣ２００Ｖ仕様なんですね。
──驚きました。（笑）
Ｆｌａｓｈ ＰＩＣでは、それをリレーで駆動させています。
このように、いざ何か作ってみようとすると、
５Ｖ以外の電圧の電球やモーター、リレー類を制御しなければいけません。
よく使われる５Ｖ以外の電圧は１２Ｖ、２４Ｖ、４８Ｖ、ＡＣ１００Ｖではないでしょうか。
ところがＰＩＣは５Ｖで動いていますから、出せる電圧は当然５Ｖまでとなります。
このままでは１２Ｖのものを駆動できないということになります。
それなら、こんなのはどうでしょうか。逆に出力ポートを『Ｌ』にして電流を流し込んで駆動するというアイディアです。
先に書きました、『０Ｖ』を出力するのです。
どのようなものか、例えばクルマ用の１２Ｖの電球で考えてみましょう。
１２Ｖに接続すると、４００ｍＡの電流が流れて光るとします…。ルームランプぐらいのものを想像してください。
１２Ｖ電源側はそのまま繋いでおいて、ＧＮＤ側をＰＩＣでＯＮ／ＯＦＦさせようという考えです。
ちなみにいまは、パワーＬＥＤに替わりつつあります。３.３Ｖ７００ｍＡでヘッドライト並に、とんでもなく明るく光ります。
ＬＥＤの場合は抵抗を通して、１２Ｖにつなぎます。抵抗値の計算は【４】ハードウエアが先かプログラムが先か・・・密接した関係の真ん中あたりで説明していますが、とりあえずパワーＬＥＤの話は後序します。
ここは例ですので何でもいいわけでして。
とりあえずこの電球をＰＩＣに繋いでみましょう。
ポートＣ（ＲＣ０）をＬにすると、点灯するような気がします。
しかし、おそらく電源を繋いだ途端。ＰＩＣから煙が出て、一瞬でご臨終となるでしょう。
ＰＩＣが出力Ｈ状態の端子は内部部品から約５Ｖが供給されますが、その先は電球を通って１２Ｖ電源に繋がっています。当然１２Ｖの方が電圧が高いので低い５Ｖへ電球を通って、電流が流れて行きます。この時点でＰＩＣ内部の回路がどうなるか。
実際のＰＩＣの内部回路はもっと複雑になっていて、いろいろな場所で抵抗やスイッチングモジュールで５Ｖ電源に繋がっていますので、想像するだけで寒気がしますね。
次にＰＩＣが出力Ｌ状態（０Ｖ）になると、今度は電球を通して１２Ｖから怒涛の如く電流が流れ込みます。ＰＩＣのシンク（吸い込み）電流は５Ｖ２５ｍＡまでです。恐らく瞬時にＰＩＣは真っ黒けになると思われます。
先ほどの回路は、ＰＩＣ内部の５Ｖ回路と１２Ｖ回路をごちゃ混ぜにして、電流値の限界も計算していない誤ったものでした。
ではどうするか──。
仲立ちする回路を入れればよいのです。
できれば少ない電流で大電圧・大電流をコントロールすれば、ＰＩＣの負担は小さく、コントロールは大きく、ということができます。
そこで出てくるのが、トランジスタを利用したスイッチ回路です。
先ほどの電球の例で考えてみました。
例にした電球が１２Ｖ４００ｍＡという比較的電流を食うものですので、小型のトランジスタではちょっと電流不足でした。そこで、なんでもござれのリレーをさらにあいだに入れたのが、下記の２ＳＣ１８１５というトランジスタを利用した、リレーコントロール回路図です。
１２Ｖ電圧で動くリレーをＯＮ／ＯＦＦして、大きな電流をコントロールさせていますので、電球以外のものでもコントロール可能です。
このようなトランジスタを利用した回路をスイッチング回路とか、別の部品を駆動させるのでドライバ回路と呼びます。
そして、ＧＮＤとスイッチングして電流を流し込む制御をしますので、シンク（流し込み）ドライバともいいます。
ＮＰＮ型のトランジスタ（２ＳＣ～２ＳＤタイプ）はＢ（ベース）にわずかな電流を流すと、その何十倍～何百倍もの電流がＣ（コレクタ）から、Ｅ（エミッタ）へ流れ、リレーのコイルを電磁石にして接点を引き付けて、その接点に接続された電球が光ることになります。
リレーに並列に取り付けてあるダイオードの働きはサージを吸収させるためです。
詳しくは、【４】ハードウエアが先かプログラムが先か・・・密接した関係の最後の方をご覧ください
この回路では、ＰＩＣがコントロールに必要な電流値は数ｍＡです。トランジスタがその仲立ちをして、約１００ｍＡほどのコントロールが可能になります。そしてリレーの接点容量が許す限りのモノの駆動が可能になります。上記の回路では電球です。
先ほどの１２Ｖと５Ｖ混在の間違った回路と、シンクドライバとの大きな違いは電流がたくさん流せるようになった。だけではありません。
間違い回路の大きな問題点は電流値がＰＩＣを超えた…だけではないのです。５Ｖ回路と１２Ｖ回路が直結されていた、というところです。
トランジスタはベースにほんのちょっとの電流を流すと、その何百倍もの電流がＣ→Ｅを流れるようなスイッチの役割をさせることができます。５Ｖで１２Ｖの回路をコントロールしているところに注目してください。
電流が流れ込んで来るので、『入力』じゃないか、と思われがちですが、ベース電流をコントロールしてＣ、Ｅ間に流れ込む電流を制御しているのです。ただデジタル回路ですので、増幅器のようにアナログ的な値として、どれぐらい流すか変化させることはできません。デジタルは２値です。つまり、『流すか』、『流さない』のどちらかです。なら、流すならできるだけたくさん流したいです。
ベースに電流をどんどん流していくと、Ｃ、Ｅ間の流れる電流が多くなり、どんどんコレクタの電圧が低くなます。それがついに、０Ｖ＝ＧＮＤと同じになり完璧なスイッチ状態に……はなりません。
リレーの接点の場合は銅線で繋いだようなものですので、限りなくＧＮＤと同電位になりますが、トランジスタの場合は０Ｖにはならず、わずかに電圧が残ります。これを飽和電圧と呼んで、規格表に書かれている、『ＶＣＥ（ｓａｔ）』という電圧です。２ＳＣ１８１５だと約０.３Ｖほどです。
飽和電圧以下にはなりませんので、そのときのベース電流が頂上です。そこが、ＰＩＣからベースへ流す電流の上限です。それ以上流しても無駄どころか寿命を縮めるだけです。
このように、トランジスタを増幅回路として使わず、限界までＣ、Ｅ間に電流を流して、スイッチング素子として使うのが、デジタル回路でのトランジスタの役どころです。
コレクタが０.３Ｖまで下がれば、じゅうぶん１２Ｖ４００ｍＡ電球が光ると思われそうですが、流せる電流にも限界があります。リレーの接点に流せる限界があるように、トランジスタにも存在します。
規格表によりますと、１５０ｍＡとなっています。そこで１００ｍＡ流すにはベース抵抗は約８～９ｋΩあたりになります。で、もうちょいということで、４.７ｋΩにしました。
（hFE＝200 VBE＝0.6としました）
アナログの増幅回路と異なり、デジタル回路の抵抗値が意外とアバウトなのは、飽和電圧になるベース抵抗の数値から、そのトランジスタが壊れる限界の抵抗値までに、かなりの幅があるためです。なので、この部分はだいたいのトランジスタで同じで、１０ｋΩ～１ｋΩでもそれほど変わらないということになります。
ただし１０ｋΩと１ｋΩでは消費電流は１０倍も差があります。でも後序するデータ出力回路では、ノイズに強くなるように、というおまじない的な効果で低い抵抗値を選ぶということもあり、少し笑っちゃいます。
それよりも──。
ＧＮＤは５Ｖ回路と同じになっていますが、トランジスタのコレクタが５Ｖ回路と別物になっているのがミソです。コレクタがフリーになっています。このような回路をオープンコレクタと言います。
コレクタがフリー状態になっているので、別電圧のコントロールができるのです。
ＰＩＣの回路から分離されて、コレクタの耐圧、２ＳＣ１８１５の場合は約６０Ｖまでで、流せる電流は１５０ｍＡとなっています。この範囲内なら自由なものをＰＩＣで制御できます。
もちろん大型のトランジスタを使えば４００ｍＡの電球もリレー無しで光らせることができます。
ＰＩＣのポートはいくつもあります。８個のポートにトランジスタのスイッチング回路を８個作って並べたら、たくさんのＬＥＤを点滅させることができますが、抵抗の数も増えて回路が煩雑になります。そこで色々と便利な部品があります。
○ 抵抗部分を内蔵したオープンコレクタタイプのデジタルトランジスタ。
ＤＴＣ１２３ＥＳＡ
図と同じようにベース抵抗とプルダウン抵抗のペアで、抵抗値２.２ｋΩがパッケージされたものです。形もトランジスタと同じで３本足で、 出力電流(流れ込み）は１００ｍＡまでです。
○ 増幅率の高いダーリントン接続したオープンコレクタ回路を７個詰め込んだトランジスタアレイ。
ＴＤ６２００３
○ 同じく８個詰め込んだトランジスタアレイ。
ＴＤ６２０８３
などが有ります。
これを使えば、面倒な配線も大幅に省略できます。下記はＴＤ６２００３という７個搭載のトランジスタアレイの例です。
このトランジスタアレイにはサージ吸収用のダイオードも内蔵されていますので、リレーを配線しても図のようにダイオードの省略まで可能になりますし、面倒なベース抵抗などの計算もしなくてよいので重宝します。
各素子は５００ｍＡまで流せますが、全素子同時では、そんなに流せません。周りの温度とＯＮ／ＯＦＦの繰返し速度などで限界があります。全素子ＯＮしたままで周辺温度が８５度になると１００ｍＡ流せなくなりますが、そんな無茶な使い方はしないと思いますので、これは結構使い道のある部品だと思います。
トランジスタアレイの入力端子はそのままＰＩＣのポートに接続可能で、何も部品がいりません。
入力端子を５Ｖ（Ｈ）にすると内部のトランジスタがＯＮになり、ＧＮＤとスイッチングされます。ＬにするとＯＦＦとなり、ＧＮＤから切断状態になります。
シンクドライバとは反対に、電流を吐き出す、ソースドライバ（吐き出し電流型回路）というのもあります、ＴＤ６２７８３などがそれです。これはＶＣＣ端子に接続した電圧が出力端子に出てきます。
この部品とＴＤ６２００３をペアで使うと、７セグメント表示器のダイナミック点灯回路が簡単にできます。
ＴＤ６２７８３をソースドライバとして、７セグメントのコモン切り換え側に使い、シンクドライバ、ＴＤ６２００３をセグメント点灯用のスイッチングに使用すれば、電流制限用の抵抗が必要ですが、すっきりとした回路ができます。
▽もっとパワーを…△
トランジスタアレイを使用すると、５Ｖのコントロールで、１２Ｖ～４０Ｖほどの制御ができますが、流し込める電流は最大でも５００ｍＡほどでした。
最初に出てきました３ＷクラスのパワーＬＥＤなら７００ｍＡを超えますので、トランジスタアレイでは無理です。リレーでＯＮ／ＯＦＦさせてもいいのですが、ＬＥＤの点滅にリレーを使うのは、あまりスマートとは言えません。そこで、もっと電流の流せるトランジスタを安全に制御するために、２段構成のソースドライバはどうでしょうか。
ＰＮＰ型のトランジスタ（２ＳＢ１０２０Ａ）の場合、図のようにエミッタに１２Ｖを掛けるとベースを５Ｖ回路（ＰＩＣ）でコントロールできません。先の１２Ｖ回路と５Ｖ回路の混在になります。
実は何故ＧＮＤとスイッチングするシンクタイプの出力回路が多いのかというと、ここに理由があります。オープンコレクタで動くＮＰＮのトランジスタが重宝されるのです。
そんな理由から、前段に２ＳＣ１８１５を入れてＰＩＣでコントロールさせます。２ＳＣ１８１５が使えるということは、トランジスタアレイを使って、たくさんの大電流ＬＥＤのコントロールもできるようになります。
ちなみに２ＳＢ１０２０Ａは７Ａクラスのトランジスタです。
２ＳＣ１８１５のベースをＨにすると、２ＳＢ１０２０ＡのベースがＬになり、電流がＬＥＤへ流れ込み点灯します。電流制限の抵抗で３.３ＶのパワーＬＥＤを点灯させますが、抵抗だとワット数も大きくなりますし、周囲温度で電流値が変化して、ＬＥＤの明るさが変わってきますので、できれば定電流回路でＬＥＤを点けたいものです。
▽もっと高電圧を△
ＡＣ１００ＶをＯＮ／ＯＦＦしたい場合などは先ほどのリレーを介してコントロールする方法と、次のトライアックを利用する方法もあります。
高電圧の部分がありますのでご注意ください。また自己の責任において作業を行ってください。万が一損害が発生しましても、責任は負いかねますのでご了承ください。
Ｓ１２ＭＤ３というのはトライアックカプラではありません、サイリスタカプラを２個挿入した古い部品です。それをトライアックカプラとして利用しています。現在はトライアックカプラとしてＴＬＰ５６０Ｇの方がすっきりすると思われます。
フォト・トライアックカプラを通して、ＡＣ１００Ｖの電球をＡＣ０３というトライアックでＯＮ／ＯＦＦする回路です。
Ｓ１２ＭＤ３の３番ピンをＬにすると、電球が点灯しますが、単純にＨ／Ｌだけでなく、交流波形の周期を読み込めるようにして、ゼロクロス点からＬにする期間を調整するようなプログラムを組めば調光器も可能になるのではないでしょうか。
2012.05.03
ディスクリートでモータードライブを作るといってもなかなか面倒で、そしていいものができません。しかしいまは、それらをＩＣ化した、性能のよい部品がたくさん出回っています。
ちなみにディスクリートとは、トランジスターやコンデンサ、抵抗など単体の部品を差します。
○ ＴＡ８４２９
１２ピンのモータドライブＩＣです。ピン間ピッチが１.７７８ｍｍで、通常のユニバーサル基板に差し込みにくい形ですが、うまく曲げて差し込めば問題なく使えます。
出力電流３Ａ、瞬間なら４.５Ａの大容量で、正転、逆転はもちろんブレーキも掛けれます。
モータードライブで意外とやっかいなのがこのブレーキです。
ＤＣモーターをリレーで制御したときなど、停止させたときに惰性で少し回って止まります。特にそれで問題がない場合はいいのですが、即座に止めたいときは困ります。
そこで、停止させるときはモーターの両端子をショートさせる回路を作ります。
このようにしますと、惰性で回っているモータの発電力をショートさせてブレーキを掛けることができます。
モーターを手で回転させると発電機になることはご存知だと思いますが、逆にこの発電力を利用してブレーキを掛けています。
この方法でも、ほんのわずかですがモーターは惰性で回ります。それが問題になる場合は、止めたい位置で瞬時に回転を反転させる回路を組んだりしますが、こうなるとだんだんとモーター駆動回路が複雑になっていきます。それを解決してくれるのが、このモータードライブＩＣです。
端子のＩＮ１、ＩＮ２，ＳＴの組み合わせで、各出力状態になります。ＶｃｃはＩＣ内部の制御回路へ与える電圧で、７～２７Ｖを供給します。そしてＶｓ端子がモーターへ与える電源です。２７Ｖまでいけますので、Ｖｓを７Ｖ以上で使用するのなら、Ｖｃｃをそこへ直結しても問題ありません。
スタンバイ時の出力が "ハイインピーダンス状態" と書かれていますが、これについては次の入力編で出てきます。デジタル回路は、"Ｈ" と"Ｌ" の状態がある──、と説明しましたが、実はもうひとつの状態があったのです。
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2012.05.04
ＰＩＣのポートに１２Ｖを流したら真っ黒けになる、と書きましたが、実際はたぶん変化はなく、そのまま静かにご臨終されると思います。
この手の失敗はよくやる私です…恥ですが、５Ｖ電源に１２Ｖを流したことが何度かあります。その瞬間、７セグ表示器がフラッシュしたように瞬間光り、ＰＩＣは瞬時に黙り込みました。そして二度動きませんでした。
たとえ一瞬でもアウトのようです。お気をつけください──。
ちなみに２４Ｖになると、瞬時に弾け飛びます。
もうひとつオマケに、ＡＣ１００Ｖになると基板全部が吹っ飛びます。ぜったい真似しないでください。
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順番で行けば次回はデータ出力になるのですが、データ信号は入力と出力の両方を考えますので、さきに入力編を済ませることにします。
2012.05.03
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