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1 注意 : この日本語版文書は参考資料としてご利用ください 最新情報は必ずオリジナルの英語版をご参照願います TB3099 ゼロクロススイッチングによるリレーの長寿命化 Author: Stephen Allen Microchip Technology Inc. はじめに本書では PIC16F1708 マイクロコントローラでゼロクロス検出機能を実装する方法を紹介します 本書では この機能を使って 220 V AC モータ向けに 220 V リレーをスイッチングします ゼロクロス点でリレーをスイッチングする事により 接点間で生じるスパークを軽減してリレーの寿命を延ばすと共に EMI も低減できます ゼロクロススイッチングにより リレーと高電圧半導体スイッチの両方で EMI が減少します 本書では コアから独立した周辺モジュール コンセプトも紹介します 相互接続した周辺モジュールをあらかじめ設定しておく事により プロセッサに割り込む事なく高速にスイッチングできます ゼロクロス検出イベントは CLC モジュールを経由してスイッチングをトリガします スイッチングは ゼロクロス検出イベントの発生から数 μs 以内に発生します CLC を用いる事により 以下の利点が得られます ゼロクロスイベントに対する高速な応答 - CPU による介入は不要 - スイッチング速度はプロセッサ速度と無関係 - スイッチングは μs オーダーで発生 イベント発生中に CPU は他の処理を実行できる デバイスが省電力のためにスリープ中であっても動作できるこのゼロクロス検出機能は メインプログラムがスイッチングを要求すると次のゼロクロス立ち上がりエッジイベントでスイッチングが発生するよう構成されています フリップフロップは ゼロクロス検出出力信号からクロックを受け取ります フリップフロップへ入力するデータは CLC1POL<1> ビットで制御します フリップフロップを通過したデータは RC7PPS MUX を介して RC7 出力ピンへ接続します 図 1: ゼロクロス検出スイッチの構造 本書では モータスイッチの実装方法を紹介します ユーザはモーメンタリボタンを押す事でモータを ON/ OFF できます リレーをゼロクロス点で開閉する事により リレー接点の寿命を延ばすと共に EMI を低減します ゼロクロススイッチングは力率改善回路でも使われます 2015 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 1

2 リソース要件 表 1: ゼロクロススイッチングのリソース要件 CLC モジュール RAM 1 個 1 byte プログラムメモリ PIC16F170X はゼロクロス検出回路を備えています ゼロクロス検出機能には 1 個の高抵抗を使う必要があります この抵抗は 過電流 / 過電圧による PIC デバイスの損傷を防ぐために重要です ゼロクロス検出のための主電源の接続方法を図 2 に示します 4096 中 119 アドレス 図 2: ゼロクロスピン (RA2/ZCD) を高電圧の主電源に接続する方法 ゼロクロス検出ピン (RA2/ZCD) は 565 kω の抵抗を介して赤 ( ホット ) の電源ケーブルに接続します 赤の代わりに黒 ( ホット ) のケーブルに接続しても構いません 白 ( コモン ) のケーブルはグランドに接続します RA2/ZCD ピンの最大シンク / ソース電流は 300 µa ( 公称値 ) です 120 V (RMS) の正弦波のピーク電圧は (120 *2^(1/2)) = V です この抵抗の値は オームの法則により以下のように求まります V/I = R = 169.7/300 µa = 565 kω ゼロクロス検出モジュールは 正および負の傾きのゼロクロスで割り込みを生成するためのオプションを備えています また 2 つの電力モード (High/Low) により 消費電力を柔軟に管理できます 本書の例では DC12 V のコイルを使って 220 V のリレーをスイッチングします 押しボタンスイッチ (RB7 ピンに接続 ) は 内部の弱プルアップ抵抗を使って構成します 図 3 に基本的な接続を示します DS A_JP - p Microchip Technology Inc.

3 図 3: ゼロクロス検出モータスイッチングの回路図 AC 電圧波形 (60 Hz) 赤と黒の電源ケーブルの電圧は 位相が互いに 180 異なる正弦波です 図 4 に 2 つの AC 波形とゼロクロス点を示します どちらの ホット ケーブルのゼロクロス点でスイッチングしても結果は同じです 黒および赤ケーブルの電圧は 中心電圧を基準として 110 V (RMS) です 赤と黒のケーブル間の電位差を取り出す事により 2 倍の電圧振幅 (220 V RMS) が得られます 図 4: 60 Hz AC 主電源の波形 ( 赤 : ホット 黒 : ホット 0 - COMMON) 2015 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 3

4 CLC の構成ゼロクロスポイントの近くでスイッチングするために ゼロクロス信号を使って D フリップフロップにクロックを供給します 図 5 に示すスクリーンショットでは CLC1 を D フリップフロップとして構成しています このフリップフロップにはゼロクロス信号からクロックを供給し CLC1POL<1> ビットを介してデータを提供します 図 5: CLC Designer ツール - CLC1 を D フィリップフロップとして構成 以下の信号のロジック波形を図 6 に示します 押しボタン ( アクティブ LOW PIC デバイスから内部プルアップを使用 ) リレースイッチング信号 ゼロクロス検出信号 (CLC モジュールを通してポートピンから取り出し ) ボタンを押す度に デバウンスのための短い遅延の後にリレーの状態が切り換わります これにより モーメンタリ押しボタンを押す度に モータの ON/OFF を切り換える事ができます CLC1OUT の変化は ゼロクロス信号の立ち上がりエッジで発生します 図 6: ボタンを複数回押した時のリレー出力の変化を示す波形 DS A_JP - p Microchip Technology Inc.

5 ゼロクロス点でのスイッチングを拡大したオシロスコープ波形を図 7 に示します ゼロクロス信号と CLC1OUT の間の遅延はゲート伝播遅延のみによって生じ プロセッサクロックには無関係です ゼロクロス信号は PIC デバイスの内部で生成されるため これらの信号はほとんど同時に変化します CLC 内の伝播遅延は無視できますが 各信号にはそれぞれの出力ピンで等量の遅延が生じます 図 7: ゼロクロス信号の立ち上がりエッジと出力信号の変化の間の相対的タイミング まとめ本書は ゼロクロス検出モジュールを使ったアプリケーションの開発を始めるための足がかりを読者に提供する事を目的としています ゼロクロススイッチングにより EMI が減少します アプリケーションによっては プリント基板ノイズとフィルタ用部品点数の削減によってコストを削減できます 2015 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 5

6 補遺 A ゼロクロス点でリレーをスイッチングするためのコードを以下に記載します ソフトウェアライセンス使用許諾 Microchip Technology Incorporated ( 以下 弊社 ) が提供するソフトウェアは 弊社製品との組み合わせでのみ使われる事を目的として弊社のお客様に供給されます ソフトウェアの所有権は弊社および / またはソフトウェアのサプライヤに帰属し 適用著作権法のもとに保護されています 無断複写 複製 転載は禁じられています 上記の制約に違反してソフトウェアを使った場合 使用者はライセンス使用許諾の侵害に対して民事責任を問われ 適用法のもとに罰せられます 本ソフトウェアは 無条件受け取り を条件として提供されます 本ソフトウェアの商品性および特定目的に対する適合性の黙示保証を含む ( ただし必ずしもこれらに限定されない ) 明示 暗示 法的な保証は一切致しません 弊社は いかなる場合も 特殊 偶発的 必然的にかかわらず いかなる理由があろうとも 一切の賠償責任を負いません #include "p16f1708.inc" #define RELAY_CONTROL CLC1POL,1 #define debounce_count 0x71 ; RAM location for debounce counter start org 0x0000 nop banksel ZCD1CON bsf ZCD1CON,ZCD1EN ; Let's get started by turning on the Zero-cross detect module. banksel ANSELB clrf ANSELB ; make port B digital movlw 0x04 movwf ANSELA ; make port A digital movlw 0x04 movwf ANSELC ; make port C digital, except RC2. banksel TRISC movlw 0x04 movwf TRISC ; port C all outputs, except RC2. movlw 0xC0 movwf TRISB ; port B all outputs, except RB7 and RB6 movlw 0x04 movwf TRISA ; port A all outputs, except RA2. #include "zcd-clc1.inc" ; this sets up the CLC1 module as a d-type flip-flop ; with "zero-cross" as clock and data provided through CLC1POL<1> banksel RC7PPS movlw 0x04 movwf RC7PPS ; map CLC1 output (relay control) to RC7. banksel RC6PPS movlw 0x13 movwf RC6PPS ; map "Zero-Cross" to RC6 (for visualization) banksel WPUA clrf WPUA ; make sure weak pull-up is not turned on for RA2/ZCD banksel OPTION_REG bcf OPTION_REG,7 ; enable weak pull-ups. main_loop banksel PORTB btfsc PORTB,7 ; Is button depressed? goto main_loop ; No. debounce movlw 0xff ; Yes - button was pressed. movwf debounce_count ; load a counter to debounce my switch. DS A_JP - p Microchip Technology Inc.

7 debounce_loop btfss PORTB,7 ; Is button released? goto debounce ; No. call delay ; Yes. short delay, decfsz debounce_count ; and decrement counter.has counter expired? goto debounce_loop ; No. banksel CLC1POL btfss RELAY_CONTROL ; Is relay currently on? goto relayon ; No. request turn on. goto relayoff ; Yes. request turn off. relayon bsf RELAY_CONTROL ; raise signal to request relay turn-on. goto main_loop relayoff bcf RELAY_CONTROL ; lower signal to request relay turn-off. goto main_loop DELAY nop nop return end 2015 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 7

8 補遺 B CLC Designer ツールを使って生成した CLC コンフィグレーションファイルを以下に記載します ソフトウェアライセンス使用許諾 Microchip Technology Incorporated ( 以下 弊社 ) が提供するソフトウェアは 弊社製品との組み合わせでのみ使われる事を目的として弊社のお客様に供給されます ソフトウェアの所有権は弊社および / またはソフトウェアのサプライヤに帰属し 適用著作権法のもとに保護されています 無断複写 複製 転載は禁じられています 上記の制約に違反してソフトウェアを使った場合 使用者はライセンス使用許諾の侵害に対して民事責任を問われ 適用法のもとに罰せられます 本ソフトウェアは 無条件受け取り を条件として提供されます 本ソフトウェアの商品性および特定目的に対する適合性の黙示保証を含む ( ただし必ずしもこれらに限定されない ) 明示 暗示 法的な保証は一切致しません 弊社は いかなる場合も 特殊 偶発的 必然的にかかわらず いかなる理由があろうとも 一切の賠償責任を負いません BANKSEL CLCIN0PPS movlw H'0E' movwf CLCIN0PPS movwf CLCIN1PPS movwf CLCIN2PPS movwf CLCIN3PPS BANKSEL CLC1GLS0 movlw H'02' movwf CLC1GLS0 movwf CLC1GLS1 movwf CLC1GLS2 movwf CLC1GLS3 movlw H'13' movwf CLC1SEL0 movlw H'0E' movwf CLC1SEL1 movlw H'05' movwf CLC1SEL2 movwf CLC1SEL3 movwf CLC1POL movlw H'84' movwf CLC1CON BANKSEL CLC2GLS0 movlw H'02' movwf CLC2GLS0 movwf CLC2GLS1 movlw H'20' movwf CLC2GLS2 movwf CLC2GLS3 movlw H'0E' movwf CLC2SEL0 movwf CLC2SEL1 movlw H'06' movwf CLC2SEL2 movwf CLC2SEL3 movwf CLC2POL movlw H'81' movwf CLC2CON BANKSEL CLC3GLS0 movlw H'02' movwf CLC3GLS0 movwf CLC3GLS1 movwf CLC3GLS2 movwf CLC3GLS3 movlw H'0E' movwf CLC3SEL0 movlw H'04' movwf CLC3SEL1 movlw H'06' movwf CLC3SEL2 movwf CLC3SEL3 movlw H'02' movwf CLC3POL movlw H'84' movwf CLC3CON DS A_JP - p Microchip Technology Inc.

9 Microchip 社製デバイスのコード保護機能に関して次の点にご注意ください Microchip 社製品は 該当する Microchip 社データシートに記載の仕様を満たしています Microchip 社では 通常の条件ならびに仕様に従って使用した場合 Microchip 社製品のセキュリティレベルは 現在市場に流通している同種製品の中でも最も高度であると考えています しかし コード保護機能を解除するための不正かつ違法な方法が存在する事もまた事実です 弊社の理解ではこうした手法は Microchip 社データシートにある動作仕様書以外の方法で Microchip 社製品を使用する事になります このような行為は知的所有権の侵害に該当する可能性が非常に高いと言えます Microchip 社は コードの保全性に懸念を抱くお客様と連携し 対応策に取り組んでいきます Microchip 社を含む全ての半導体メーカーで 自社のコードのセキュリティを完全に保証できる企業はありません コード保護機能とは Microchip 社が製品を 解読不能 として保証するものではありません コード保護機能は常に進歩しています Microchip 社では 常に製品のコード保護機能の改善に取り組んでいます Microchip 社のコード保護機能の侵害は デジタルミレニアム著作権法に違反します そのような行為によってソフトウェアまたはその他の著 本書に記載されているデバイスアプリケーション等に関する情報は ユーザの便宜のためにのみ提供されているものであり 更新によって無効とされる事があります お客様のアプリケーションが仕様を満たす事を保証する責任は お客様にあります Microchip 社は 明示的 暗黙的 書面 口頭 法定のいずれであるかを問わず 本書に記載されている情報に関して 状態 品質 性能 商品性 特定目的への適合性をはじめとする いかなる類の表明も保証も行いません Microchip 社は 本書の情報およびその使用に起因する一切の責任を否認します Microchip 社の明示的な書面による承認なしに 生命維持装置あるいは生命安全用途に Microchip 社の製品を使用する事は全て購入者のリスクとし また購入者はこれによって発生したあらゆる損害 クレーム 訴訟 費用に関して Microchip 社は擁護され 免責され 損害をうけない事に同意するものとします 暗黙的あるいは明示的を問わず Microchip 社が知的財産権を保有しているライセンスは一切譲渡されません 商標 Microchip 社の名称と Microchip ロゴ dspic FlashFlex KEELOQ KEELOQ ロゴ MPLAB PIC PICmicro PICSTART PIC 32 ロゴ rfpic SST SST ロゴ SuperFlash UNI/O は 米国およびその他の国における Microchip Technology Incorporated の登録商標です FilterLab Hampshire HI-TECH C Linear Active Thermistor MTP SEEVAL Embedded Control Solutions Company は 米国における Microchip Technology Incorporated の登録商標です Silicon Storage Technology は その他の国における Microchip Technology Incorporated の登録商標です Analog-for-the-Digital Age Application Maestro BodyCom chipkit chipkit ロゴ CodeGuard dspicdem dspicdem.net dspicworks dsspeak ECAN ECONOMONITOR FanSense HI-TIDE In-Circuit Serial Programming ICSP Mindi MiWi MPASM MPF MPLAB 認証ロゴ MPLIB MPLINK mtouch Omniscient Code Generation PICC PICC-18 PICDEM PICDEM.net PICkit PICtail REAL ICE rflab Select Mode SQI Serial Quad I/O Total Endurance TSHARC UniWinDriver WiperLock ZENA Z-Scale は 米国およびその他の国における Microchip Technology Incorporated の登録商標です SQTP は 米国における Microchip Technology Incorporated のサービスマークです GestICとULPPは その他の国におけるMicrochip Technology Germany II GmbH & Co. & KG (Microchip Technology Incorporated の子会社 ) の登録商標です その他 本書に記載されている商標は各社に帰属します 2013, Microchip Technology Incorporated, Printed in the U.S.A., All Rights Reserved. ISBN: QUALITY MANAGEMENT SYSTEM CERTIFIED BY DNV == ISO/TS == Microchip 社では Chandler および Tempe ( アリゾナ州 ) Gresham ( オレゴン州 ) の本部 設計部およびウェハー製造工場そしてカリフォルニア州とインドのデザインセンターが ISO/TS-16949:2009 認証を取得しています Microchip 社の品質システムプロセスおよび手順は PIC MCU および dspic DSC KEELOQ コードホッピングデバイス シリアル EEPROM マイクロペリフェラル 不揮発性メモリ アナログ製品に採用されています さらに 開発システムの設計と製造に関する Microchip 社の品質システムは ISO 9001:2000 認証を取得しています 2015 Microchip Technology Inc. DS A_JP - p. 9

10 各国の営業所とサービス 北米本社 2355 West Chandler Blvd. Chandler, AZ Tel: Fax: 技術サポート : support URL: アトランタ Duluth, GA Tel: Fax: オースティン (TX) Tel: ボストン Westborough, MA Tel: Fax: シカゴ Itasca, IL Tel: Fax: クリーブランド Independence, OH Tel: Fax: ダラス Addison, TX Tel: Fax: デトロイト Novi, MI Tel: ヒューストン (TX) Tel: インディアナポリス Noblesville, IN Tel: Fax: ロサンゼルス Mission Viejo, CA Tel: Fax: ニューヨーク (NY) Tel: サンノゼ (CA) Tel: カナダ - トロント Tel: Fax: アジア / 太平洋アジア太平洋支社 Suites , 37th Floor Tower 6, The Gateway Harbour City, Kowloon Hong Kong Tel: Fax: オーストラリア - シドニー Tel: Fax: 中国 - 北京 Tel: Fax: 中国 - 成都 Tel: Fax: 中国 - 重慶 Tel: Fax: 中国 - 東莞 Tel: 中国 - 杭州 Tel: Fax: 中国 - 香港 SAR Tel: Fax: 中国 - 南京 Tel: Fax: 中国 - 青島 Tel: Fax: 中国 - 上海 Tel: Fax: 中国 - 瀋陽 Tel: Fax: 中国 - 深圳 Tel: Fax: 中国 - 武漢 Tel: Fax: 中国 - 西安 Tel: Fax: アジア / 太平洋中国 - 厦門 Tel: Fax: 中国 - 珠海 Tel: Fax: インド - バンガロール Tel: Fax: インド - ニューデリー Tel: Fax: インド - プネ Tel: 日本 - 大阪 Tel: Fax: 日本 - 東京 Tel: Fax: 韓国 - 大邱 Tel: Fax: 韓国 - ソウル Tel: Fax: または マレーシア - クアラルンプール Tel: Fax: マレーシア - ペナン Tel: Fax: フィリピン - マニラ Tel: Fax: シンガポール Tel: Fax: 台湾 - 新竹 Tel: Fax: 台湾 - 高雄 Tel: 台湾 - 台北 Tel: Fax: タイ - バンコク Tel: Fax: ヨーロッパオーストリア - ヴェルス Tel: Fax: デンマーク - コペンハーゲン Tel: Fax: フランス - パリ Tel: Fax: ドイツ - デュッセルドルフ Tel: ドイツ - ミュンヘン Tel: Fax: ドイツ - プフォルツハイム Tel: イタリア - ミラノ Tel: Fax: イタリア - ベニス Tel: オランダ - ドリューネン Tel: Fax: ポーランド - ワルシャワ Tel: スペイン - マドリッド Tel: Fax: スウェーデン - ストックホルム Tel: イギリス - ウォーキンガム Tel: Fax: /27/15 DS A_JP - p Microchip Technology Inc.

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