これまで自作プリント基板を使用して試作したモータドライバの動作・回路構成・回転スピードの制御(PWM制御)方法を紹介してきました。今回はタイマICから矩形波(方形波)が出力される仕組みを紹介していきます。

~ここまでの流れ~

  1. タイマICで可変速モータドライバを作る(その1)
  2. タイマICで可変速モータドライバを作る(その2)
  3. タイマICで可変速モータドライバを作る(その3)

555IC

 今回使用したタイマICは「NE555」です。555ICの使われ方は主に以下の二通りあります。

  • 単安定動作
  • 無安定動作

参照:秋月電子通商(NE555

今回矩形波(方形波)を出力するために用いた動作は無安定動作のため、単安定動作についての説明は割愛します。まずは、以下の動画をご覧ください。「NE555」の出力のオシロスコープによる計測結果です。

可変抵抗のつまみを回す(その1でその様子を載せています)ことによって矩形波のパルス幅とデューティ比が変化しているのが分かります。なぜ可変抵抗を回す(抵抗値を変化させる)と矩形波のパルス幅・デューティ比が変化するのでしょうか?

無安定動作

 無安定動作はICの電源が供給されている間、連続的に矩形波を出力します。

 その要因は「NE555」と結線されているコンデンサの充放電にあります。以下にタイマICのブロック図(内部構造)と無安定動作回路を示します。

参照:TEXAS INSTRUMENTS(NE555データシート)

 タイマICに内蔵されているコンパレータとフリップフロップについて説明します。

コンパレータ(比較器)

 コンパレータ(比較器)は2入力素子で、検出した電圧を基準電圧と比較し、「HIGH」または「LOW」を出力します。ブロック図上のコンパレータは正の基準電圧に※VCCの2/3の電圧が加わり、「THRES」端子の電圧がVCCの2/3を超えると出力がHIGHになります。一方下のコンパレータは負の基準電圧に※VCCの1/3の電圧が加わり、「TRIG」端子の電圧がVCCの1/3より下回ると出力がHIGHになります。無安定動作の回路より「THRES」端子と「TRIG」端子はどちも外部素子のコンデンサに結線されていることが分かります。つまりどちらのコンパレータも同じコンデンサの電圧を比べていることになります。

※補足:分圧

 コンパレータのところでさらっと流した部分になりますが、分圧は基準電圧の2/3VCC・1/3VCCの求め方に関係します。ブロック図左に抵抗器が縦に3つ直列接続されている(下図)のが分かります。この3つの抵抗値が等しいとすると、直列接続では抵抗の数の比率によって分圧されます。0V(青ライン)を基準として下から1/3 × 5[V](緑ライン)、2/3 × 5[V](黄色ライン)、3/3 × 5[V](赤ライン)といった具合になります。

フリップフロップ

 フリップフロップは記憶素子(メモリ)などに用いられる順序回路と呼ばれるものです。タイマICに用いられる通常のSRフリップフロップの構成と真理値表(入力と出力の関係)を下に示します。

S(セット)R(リセット)Q(出力)Q⁻(反転出力)
00前の状態を保持前の状態を保持
0101
1010
11定義されない定義されない

S(セット)はブロック図上のコンパレータの出力、R(リセット)は下のコンパレータの出力、Q(出力)はOUT(タイマICの出力)、反転出力は放電用トランジスタにそれぞれ接続されています。
 コンデンサの電圧がVCCの2/3を超えた場合、ブロック図上のコンパレータのみが「HIGH」となりフリップフロップの入力(S,R) = (1,0)となります。また、コンデンサの電圧がVCCの1/3を下回る場合、下のコンパレータのみが「HIGH」となり(S,R) = (0,1)となります。そして、(S,R) = (1,0)の時の出力は「HIGH」になり放電用トランジスタによって外部素子のコンデンサが放電されます。逆に(S,R) = (0,1)の時の出力は「LOW」となり放電用トランジスタは外部素子のコンデンサを充電します。この「HIGH」と「LOW」を繰り返す動作が矩形波の出力に結びつきます。

矩形波が出力される仕組み

 タイマICの動きを上図のフローチャートで表しました。上図のスイッチはブロック図の放電用トランジスタを置き換えています。トランジスタの動作はその2で紹介したMOSFETと似ているためでスイッチで置き換えることが可能です。フローチャート中心の条件分岐(ひし形)はコンパレータとフリップフロップの動作を表しています。
 上図の様に外部素子のコンデンサは無限に充電と放電を繰り返しています(電源が印加されている間のみ)。充放電を繰り返すことで反転出力も「HIGH」と「LOW」を繰り返します。つまり出力も反転出力と同様に「HIGH」と「LOW」を繰り返す動作をしています。この出力の「HIGH」と「LOW」の切り替わり(無限)が矩形波となって表れるのです。

可変抵抗の大きさでデューティ比が変わるのは?

 デューティ比についていはその3で説明しましたが、ここではなぜ可変抵抗のつまみを回すと、デューティ比が変化するのかを説明したいと思います。コンデンサの充電時間を表す指標として時定数が挙げられます。コンデンサの時定数は以下の式で表されます。

“時定数 = コンデンサの容量 × 抵抗値”

つまり、コンデンサの充電時間・放電時間はコンデンサと直列に接続されている可変抵抗の値に比例して変化します。これがパルス幅が変化する要因になります。(「HIGH」と「LOW」の切り替わりはコンデンサの充放電と相関関係があります。)

デューティ比が変わる理由は充電と放電の経路差が関係しています。下図のように充電時はRA(固定抵抗)とRB(可変抵抗)の両方を介してコンデンサに電荷を供給しますが、放電時はRB(可変抵抗)のみを通って0V(GND)に電荷を放出しています。先ほどコンデンサの充放電時間はコンデンサに直列につながれている抵抗値に比例すると申しましたが、充電時と放電時の抵抗値にはRAの分だけ差があることになります。つまり、可変抵抗を変化させればそれに伴い放電時間も変化し一周期のうち「LOW」が占める割合(デューティ比)も変化します。

まとめ

 ここまで4回にわたって自作プリント基板を使用したモータドライバの試作機の動作を紹介しました。このようにモータの回転スピードを変化させるモータドライバを使ってミニ扇風機などが作れるのではないでしょうか。皆さんぜひチャレンジしてみてはいかがでしょうか。

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がさきぬ

がさきぬ

今年度から高専3年生になります.今年度の目標は基板の製作と学業の両立,電検取得です. 頑張るぞい.