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(1)

3.2 スイッチングの方法

(2)

電源の回路図表記

2

シミュレーション しない場合は、

省略してよい。

電源ラインの記号

GNDラインの記号 ポイント:

• 実際にはVCC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 などのラベルを付ける

(3)

LED のスイッチング回路

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。)

I

C

I

B

LED の明るさを MCU (マイコン)で制御する回路。

1 0

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。(※)

1 0 1 0 出力波形

Vcc

R1でIBを調整。

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。

(4)

LED スイッチング回路の設計

電源電圧 VCC = 3.3V (赤/黄/緑)

LED1順方向電流 IF = 15mA を流すように設計してみよう。

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。

VBE (IB) ≒ 0.73V(@IC = 15mA) hFE = 302 (@ IC = 15mA)

2SC1815Y

IO PORTが論理値’1’の場合、VOUT = 3.3Vが出力される。このとき、IF = 15mA となるように、R1を決定する。

VOUT

I

B

𝑉 𝑉 R1 · 𝐼

𝐼 𝐼 ℎ · 𝐼

R1

/ ≅ 51k

(5)

npn トランジスタと pnp トランジスタ

IO PORT MCU

R1

LED1 Vcc Vcc

IO PORT MCU

R1 LED1

Vcc Vcc

pnp

npn

VBE > 0.7V でON VBE

VBE < - 0.7V でON

論理値 1 を出力 → ON 論理値 0 を出力 → OFF 論理値 1 を出力 → OFF

論理値 0 を出力 → ON

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。

C

C B

B E

E

(6)

7セグメント LED

a b

c d e

f g

dp dp

a b c d e f g

7seg common dp common

dp common 7seg common

dp a b c d e f g

内部回路 (Anode Common)

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。

(7)

7セグメントデコーダ

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

LED配置 7セグメントデコーダの真理値表(

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。

(8)

7 セグメント LED の制御回路

a ~ dp の論理値='0'のとき発光。

電流IF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)。

7セグメント デコーダ

※ sa = '0' のとき LED L1 は点灯可能。

sa = '1' のとき LED L1 は全て消灯。

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

ab cd ef dpg 2進数入力

4bit

R1が大きくなりすぎないように 調整(無くても動作可能)。

MC14511B

R1 R2

(9)

複数桁の表示方法

• 直流駆動では 10 x 4 = 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

(10)

10

4 桁ダイナミック駆動回路の例

前ページのアナログ回路部

ディジタル回路部

14 bit 分周回路 2 bit カウンタ Clock

(33MHz)

7SEG LED 7SEG

LED 7SEG

LED

ダイナミック駆動制御回路

4chセレクタ x4

(2.02kHz)

7 セグメント デコーダ Data

4bit×4ch 2bitデコーダ

7SEG LED a ~ g, dp

2 bit

4 bit

C1

C3 C2 C0

8 bit

(11)

ドットマトリクス LED

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。

ROW1

ROW2

ROW3

ROW4

ROW5

ROW6

ROW7

ROW8

(12)

LED フラッシュの実験(回路)

R2を大きくしすぎると、B-E 間のpn接合容量CBE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。

CBE

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。

NSCW100(白色LED)

• VF = 3.5V, IF = 20mA

• Vcc = 5V (制御回路は3.3V)

(13)

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

Time Vinitial

Von

Tdelay

Tperiod Ton

Trise Tfall

Ncycle = 繰返し回数

(14)

LED フラッシュの実験(結果)

14

入力電圧ベース電流LED電流

R2の抵抗値が小さい ほど、ベース領域に 電子が蓄積する。

ベース領域に蓄積し た電子を放出する逆 方向の電流。

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)。

時間 (s)

(15)

スイッチング遅延の原因

IC(mA)

VCE(V) IB

VCE(sat) = 0.1~0.2V 飽和領域

(ON状態)

VBE(sat) = 0.6 ~ 0.7V VCE(sat) = 0.1 ~ 0.2V

このとき、VCB ≒ - 0.5V(負電圧)。

B-E間、B-C間ともに順方向電圧

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。

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。

ON→OFFの時に遅延時間が生じる。

遮断領域 (OFF状態)

(16)

飽和領域にならない改良

LED電流を20mA以下 に調整。

VCE = VBE - VF(D2) > VCE(sat) となるように出力電圧を制限 する。

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、

VF0.1~0.2Vと低いものが ある。

(ショットキーダイオードクランプ)

(17)

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

(18)

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 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(VCE < VCE(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

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参照

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