3.2 スイッチングの方法 1
電源の回路図表記 電源ラインの記号 GND ラインの記号 シミュレーションしない場合は 省略してよい ポイント : 実際には V CC と GND 配線が必要だが 線を描かないですっきりした表記にする 複数の電源電圧を使用する回路もあるので 電源ラインには V CC などのラベルを付ける 2
LED のスイッチング回路 LED の明るさを MCU( マイコン ) で制御する回路 LED に流す電流ではなく Duty cycle(1/0 の時間比 ) で明るさを制御 ( ) Vcc 1 0 1 0 1 0 出力波形 注 ) IO に十分な電流を流せるタイプの MCU の場合は トランジスタは不要 MCU: MicrocontrollerまたはMicro Control Unit (CPU, メモリ, タイマ, IOなどを1チップに集積化したもの ) 実際には明るさを変えていないが人間の目がだまされる I B R1 で I B を調整 I C 3
LED スイッチング回路の設計 電源電圧 V CC = 3.3V ( 赤 / 黄 / 緑 ) LED1 順方向電流 I F = 15mA を流すように設計してみよう V OUT I B 2SC1815Y トランジスタの特性は データシートまたは特性シミュレーションで調べておく V BE (I B ) 0.73V(@I C = 15mA) h FE = 302 (@ I C = 15mA) IO PORT が論理値 1 の場合 V OUT = 3.3V が出力される このとき I F = 15mA となるように R1 を決定する V V R1 I I I h I R1 / 51k 4
npn トランジスタと pnp トランジスタ Vcc V BE < - 0.7V でON Vcc Vcc Vcc IO PORT MCU R1 B LED1 E pnp C MCU IO PORT LED1 R1 B V BE C E npn 論理値 1 を出力 OFF 論理値 0 を出力 ON V BE > 0.7V でON 論理値 1 を出力 ON 論理値 0 を出力 OFF 論理値と ON/OFF の関係が逆になるので プログラムの開発時に注意が必要 5
7 セグメント LED 一桁の数字とアルファベットを表示する 7seg common がプラス電圧 a ~ g, dp が Ground(GND) のとき 対応する LED のセグメントが発光する 発光には 1 セグメント当たり 10mA 程度の電流が必要 Anode common タイプ (pnp 用 ) と Cathode common タイプ (npn 用 ) がある 7seg common dp common a a b f c b d g e e c f dp g d dp dp common 7seg common 内部回路 (Anode Common) dp a b c d e f g 6
7 セグメントデコーダ LED 配置 このままでは 使いにくいので 2 進数を LED の発光パターンに変換するロジック (7 セグメントデコーダ ) と接続して使用する 論理値 '0' に対応する LED が発光 7 セグメントデコーダの真理値表 ( ) 表示文字 a b c d e f g 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 2 0 0 1 0 0 1 0 3 0 0 0 0 1 1 0 4 1 0 0 1 1 0 0 5 0 1 0 0 1 0 0 6 0 1 0 0 0 0 0 7 0 0 0 1 1 1 1 8 0 0 0 0 0 0 0 9 0 0 0 0 1 0 0 A 0 0 0 1 0 0 0 B 1 1 0 0 0 0 0 C 1 1 1 0 0 1 0 D 1 0 0 0 0 1 0 E 0 1 1 0 0 0 0 F 0 1 1 1 0 0 0 7
7 セグメント LED の制御回路 2 進数入力 4bit sa MC14511B 7 セグメントデコーダ a b c d e f g dp R2 R1 R1 が大きくなりすぎないように調整 ( 無くても動作可能 ) sa = Low のときトランジスタが ON( コレクタ電流が流れる状態 ) になる sa = '0' のとき LED L1 は点灯可能 sa = '1' のとき LED L1 は全て消灯 a ~ dp の論理値 ='0' のとき発光 電流 I F の制限 ただし 大きくし過ぎると トランジスタが飽和領域に入る ( 次スライド ) 8
複数桁の表示方法 直流駆動では 10x4 = 40 本の制御線が必要 ( 多すぎる ) ダイナミック駆動により配線を削減 C0 ~ C3 を順番に論理値 '0' に切り替え Cn='0' のとき n 番目の 7 セグメント LED に表示するデータを a ~ g, dp 端子に入力 a ~ g, dp, C0 ~ C3 の合計 12 本の制御線で 4 桁の 7 セグ LED を点灯させる ことができる 9
4 桁ダイナミック駆動回路の例 ダイナミック駆動制御回路ディジタル回路部 Clock (33MHz) (2.02kHz) 14 bit 分周回路 2bit カウンタ 2bit Data 4bit 4ch 4ch セレクタ x4 7 セグメントデコーダ 2bit デコーダ a ~ g, dp 8 bit 7SEG 7SEG 7SEG 7SEG 4 bit LED LED LED LED C3 C2 C1 C0 前ページのアナログ回路部 10
ドットマトリクス LED ROW1 ROW2 ROW3 ROW4 ROW1 ~ ROW8 をダイナミック駆動により切り替えて 64 ドットの画面を表示させることができる ROW5 ROW6 ROW7 ROW8 Vcc COL1 COL2 COL3 COL4 COL5 COL6 COL7 COL8 11
LED フラッシュの実験 ( 回路 ) ( ) 市販されている抵抗の値は 一定比率となるようにラインアップされている E 系列 で検索して調べてみよう E24 系列が入手しやすい C BE NSCW100( 白色 LED) V F = 3.5V, I F = 20mA Vcc = 5V ( 制御回路は 3.3V) R2 を大きくしすぎると B-E 間の pn 接合容量 C BE に充放電する時間がかかるため R1, R2 を使用して D1 の電流を制限している 12
PULSE 波形の設定 波形を設定する電流源または電圧源を右クリック Advancedボタンをクリック Von Ncycle = 繰返し回数 Tperiod Tdelay Ton Vinitial Trise Tfall Time 13
LED フラッシュの実験 ( 結果 ) 入力電圧 R2 の抵抗値が小さいほど ベース領域に電子が蓄積する ベース電流 ベース領域に蓄積した電子を放出する逆方向の電流 LED 電流 時間 ( s) ベース領域に蓄積した電子を放出する時間分だけLEDの消灯が遅れる ( 短時間フラッシュができない ) 14
スイッチング遅延の原因 I C (ma) 遮断領域 (OFF 状態 ) 飽和領域 (ON 状態 ) I B V CE (V) V CE(sat) = 0.1~0.2V B-C 間 = 順方向 B-E 間 = 順方向のとき エミッタとコレクタの両側から電子が流れ込み ベース内に蓄積してしまう V BE(sat) = 0.6 ~ 0.7V V CE(sat) = 0.1 ~ 0.2V このとき V CB -0.5V( 負電圧 ) ベースに蓄積した電子が再結合または放電して消えるまで OFF 状態にならない B-E 間 B-C 間ともに順方向電圧がかかる ON OFF の時に遅延時間が生じる 15
飽和領域にならない改良 ( ショットキーダイオードクランプ ) LED 電流を 20mA 以下に調整 ショットキーダイオードという半導体 - 金属構造の素子 ショットキーダイオードには V F が 0.1~0.2V と低いものがある V CE = V BE -V F (D2) > V CE(sat) となるように出力電圧を制限する 16
課題 3.2 1. 前スライドのシミュレーションを実行し LEDの電流 トランジスタのベース電流 入力電圧 V1の波形を調べ レポートに上記の波形を貼り付けよ 2. ON OFF 時のスイッチング遅延が解消されていることを確認し R1 = 1kΩのとき 入力電圧が立ち下がってから LED 電流が半分に減少するまでの時間を求めよ 3. トランジスタQ1について V CE > V CE(sat) の条件 (Q1が飽和領域に入らない条件 ) を満足していることを シミュレーション結果のグラフを用いて示せ 17
3.2 節のまとめ トランジスタにベース電流を流すと コレクタ-エミッタ間がONとなり電流が流れる トランジスタのベース電流を切ると コレクタ-エミッタ間がOFFとなり電流が遮断される コレクタに流す電流は ベースに接続した抵抗またはコレクタに接続した抵抗により調整できる トランジスタが飽和領域 (ON) から遮断領域 (OFF) に遷移するときに遅延が生じる 遅延の原因は トランジスタが飽和領域に入ると E-B 間 C-B 間のpn 接合が順方向電圧となり ベースに電子が蓄積するため ベース領域の電子が無くなるまで電流が流れ続けてしまうためである トランジスタが飽和領域 (V CE <V CE(sat) ) に入らないようにする方法として ショットキークランプがある 18