- 電子工作「デジタル回路の出力回路設計」のご紹介
- 電子工作「デジタル回路の出力回路設計」のご紹介
- 「直接オン/オフを出力する回路」について
- 「発光ダイオードの接続方法には2通りある」
- 「適切な電流を流すための抵抗値の計算」について
- 「モータ駆動回路(PWM制御)」について
- 「Hブリッジの基本動作」について
- 「Hブリッジ使用上の注意」について
- 「PWMによる可変速制御」について
- 「PWM制御の周波数に注意」
- 「トランジスタアレイを使って回路を簡単化する」
- 「プログラムでモーターを動作させる方法」
- 「モータ制御ではノイズに注意」
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電子工作「デジタル回路の出力回路設計」のご紹介
ご訪問ありがとうございます。
今回は、電子工作「デジタル回路の出力回路設計」についてご紹介します。
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電子工作「デジタル回路の出力回路設計」のご紹介
マイコンの出力には、制御対象となる多くのデバイスが接続されます。アプリケーションによってそのデバイスも多くの種類がありますが、デジタル信号で制御するデバイスを大別すると下記のようになります。
出力デバイスの種類
| 出力デバイスの種類 | |||
| 種類 | 機能・特徴 | 例 | |
|
表示
デバイス |
オン/オフ表示 | 点灯/消灯で 表現色による表示 |
発光ダイオード ランプ、フルカラー表示 |
| メッセージ表示 | 文字表示/グラフ表示 | 液晶表示器、モニタ 文字表示発光ダイオード |
|
|
動力
デバイス |
オン/オフ制御 | 開閉制御 | リレー、プランジャ |
| 回転 移動制御 |
回転動力位置制御 | 各種モータ | |
| パルス出力 | パルス幅 周波数 |
位置制御/ 音/PWM制御 |
RCサーボ、スピーカ |
これらの出力デバイスに対し、マイコンの出力ピンが出力できる情報は下記に示すように直流電圧のオン/オフデジタル出力か、パルス幅の2種類しかありません。
したがって上記（出力デバイスの種類）の出力デバイスをマイコンが制御できるようにするためには、高電圧、高電流のオン/オフ信号に変換したり、信号レベルを合わせたりするための回路が必要になります。
マイコンのデジタル出力
| マイコンのデジタル出力 | |
| 機能 | 信号レベル他 |
| オン/オフ情報を 電圧出力信号として 出力する |
0V付近と電源電圧(VDD)付近の電圧を デジタル論理0、1で区別する 電流容量は数mAから数10mA |
| パルス出力 | 固定のパルスの場合と PWM出力の場合がある |
「直接オン/オフを出力する回路」について
単純なオン/オフ出力デバイスでよく使われるものに、発光ダイオードの表示器があります。プログラムの状態や出力のモニタとして使われます。発光ダイオードのように低電圧で、わずかな電流でよい場合には、マイコンに直接接続して制御できます。
この発光ダイオードの接続回路は下図（発光ダイオードの接続回路と動作）のようになっています。
発光ダイオードの接続回路と動作
(a)接続回路1
(b)接続回路2
最近のマイコンの出力ピンは、FETトランジスタの出力となっています。これを簡単な構成図で表すと上図のように2個のトランジスタの組み合わせとなっています。
このトランジスタは一般的に数mA以上の出力能力を持っていますので、発光ダイオードの点灯用には十分です。
この出力ピンのトランジスタの動作は、内部で論理「0」という出力をするとトランジスタのゲート電圧が高くなるようになっていてトランジスタPがオフ、トランジスタNがオンとなり、ピンの出力電圧がほぼVssとなります。
これによってピンからマイコン内部のトランジスタNに電流が流れ込み、Vssグランドに出てきます。
Vss：グランド電圧
MOSFET N
MOSFET P
逆に内部で論理「1」という出力をすると、トランジスタのゲートがほぼ0Vとなりますので、トランジスタPがオン、トランジスタNはオフとなり出力ピンにはVDDから入った電流がピンから流れ出す方向となります。
「発光ダイオードの接続方法には2通りある」
出力ピンがこのような構成ですから、発光ダイオードの接続方法には、下図（発光ダイオードの接続回路と動作）のような2通りの回路があります。
発光ダイオードの接続回路と動作
(a)接続回路1
(b)接続回路2
(a)の場合には、出力ピンに論理「0」を出力すると、発光ダイオードを通った電流がPIC内部のトランジスタNを経由してグランドVssに流れ込みますから、発光ダイオードが点灯します。
逆に論理「1」を出力すると出力ピンがほぼVDDになりますから、発光ダイオードを通過する電流は流せなくなり消灯します。
(b)の接続とした場合には、論理「1」を出力したときにトランジスタP経由でVDDから発光ダイオードに電流が流れて点灯状態となります。論理「0」を出力したときには、ピンはVss電圧となりますから発光ダイオードへ電流は流れないことになり消灯します。
Vss：グランド電圧
(b)接続回路2
点灯/消灯と「1」「0」の論理が逆になることに気をつける必要がありますが、このどちらの方法で接続しても問題ありません。
「適切な電流を流すための抵抗値の計算」について
次に、マイコンから直接発光ダイオードを制御する場合、発光ダイオードに流れる電流を制限するため直列に抵抗を挿入します。この抵抗値の求め方をご紹介します。接続時の電圧関係は下図(a)のようになります。
(a)発光ダイオードの接続回路1
まず、発光ダイオードに電流が流れて点灯するとき、発光ダイオード自身で約1.7V程度の電圧降下が発生します。また、マイコンの出力ピンの規格は、たとえば下記（マイコンの出力規格例）のようになっていて、Low出力のとき約0.6Vの電圧出力となります。
マイコンの出力規格例
| マイコンの出力規格例 | |||
| 区分 | 状態 | 電圧範囲 | 条件 |
|
出力ピン
|
1 | (VDD-0.7V)以上 |
VDDは電源電圧(2.0V~5.5V)、
Max25mAまで |
| 0 | 0.6V以下 | ||
これで、電源電圧VDDが5Vのとき、発光ダイオードに5mAの電流を流すには、下記の式で抵抗値が求められることになります。
これで540Ω前後の抵抗でよいことがわかりました(標準値の560Ωの抵抗を使ってもかまいません)。
「モータ駆動回路(PWM制御)」について
小型の直流モータの制御には、Hブリッジ回路とかフルブリッジ回路とか呼ばれている回路がよく使われます。単一の電源でモータの正転と逆転、さらに可変速制御ができる回路として考案されたものです。
基本構成は下記のようになっており、H型をしていることからこう呼ばれています。
Hブリッジ回路
Hブリッジ回路の動作モード
| Hブリッジ回路の動作モード | ||||
| Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | モータ制御 |
| OFF | OFF | OFF | OFF | 停止 |
| ON | OFF | OFF | ON | 正転(逆転) |
| OFF | ON | ON | OFF | 逆転(正転) |
| OFF | OFF | ON | ON | ブレーキ |
| Hブリッジ回路のPWM制御モード | ||||
| Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | モータ制御 |
| OFF | OFF | OFF | OFF | 停止 |
| ON | OFF | OFF | PWM | 正転(逆転) |
| OFF | ON | PWM | OFF | 逆転(正転) |
| OFF | OFF | ON | ON | ブレーキ |
「Hブリッジの基本動作」について
Hブリッジの基本動作は、図の上側の表のように、Q1とQ4のトランジスタだけを同時にオンとすると、モータへの電流はaのように左から右に流れ、モータは正転(逆転)します。
次にQ2Q3だけをオンとすれば、bのように右から左に電流が流れ、モータは逆転(正転)することになります。さらにQ3とQ4だけを同時にオンとするとモータのコイルをショートすることになりブレーキをかける動作となります。
「Hブリッジ使用上の注意」について
したがって、回転方向を切り替えるときには、短時間でよいので、一旦全部オフの停止状態にしてから切り替えるようにします。
「PWMによる可変速制御」について
DCモータでは加える電流を変えれば速度を変えることができます。マイコンなどによるデジタル制御で簡単に速度制御を行うために考え出された方式がパルス幅変調制御あるいはPWM(Pulse Width Modulation)と呼ばれる方式です。
PWMで使われるパルスは、下図（PWM制御による速度制御の原理）のように、周期は一定で、オンとオフ期間の割合(デューティ比)が可変になっている連続パルスです。
PWM制御による速度制御の原理
このPWM制御を行うための基本回路は、下図と同じ単純なオン/オフ制御回路で、下図（Hブリッジ回路のPWM制御モード）のようにオンとする制御用トランジスタの片方をPWMパルスで駆動します。
Hブリッジ回路
Hブリッジ回路のPWM制御モード
| Hブリッジ回路のPWM制御モード | ||||
| Q1 | Q2 | Q3 | Q4 | モータ制御 |
| OFF | OFF | OFF | OFF | 停止 |
| ON | OFF | OFF | PWM | 正転(逆転) |
| OFF | ON | PWM | OFF | 逆転(正転) |
| OFF | OFF | ON | ON | ブレーキ |
このパルス状の電圧でDCモータを駆動すると、下図（PWM制御による速度制御の原理）のように、モータを流れる平均電流は、パルス幅の周期に対するオン期間の比率(デユーティ比)に比例することになります。
PWM制御による速度制御の原理
つまりデューティ比が小さいと平均電流が小さくなり図のように回転数が下がります。デューティ比が大きくなると平均電流が上がり回転数が上がります。平均電流の大きさに回転数やトルクが比例しますから、結局、デューティ比によってモータの回転速度やトルクが変わることになります。
このようにPWM制御をするための回路は通常のオン/オフ回路と全く同じでよいため、
- 簡単な回路で速度制御がデジタル制御できることと
- 制御用トランジスタがオン/オフ動作ですので、
- 発熱が少なく小型のMOSFETで大きな駆動電流を制御できます。
マイコンによるモータ速度制御には大部分このPWM制御が使われています。
「PWM制御の周波数に注意」
ここで注意することは、PWM制御の周波数の選択です。周波数が低いとモーターから音が発生したり、振動が大きくなったりします。高過ぎるとロスが大きくなって発熱したり思うように電力が伝わらなかったりします。一般的に、周波数は数10kHz付近を使うことが多いようです。
モータやドライブ回路のノイズ対策
このようにPWM制御では10kHz以上の高い周波数のパルスを扱うため、モータやドライブ回路のノイズ対策を万全にしないと、マイコンが誤動作するなどのトラブルに悩むことになります。
また高い周波数での制御でロスをできるだけ少なくできるように、トランジスタの選定や、制御ドライブ回路の工夫がいろいろなされています。
「トランジスタアレイを使って回路を簡単化する」
フルブリッジ構成とするには、4個でペアになったドライブ用のトランジスタが必要ですが、これをまとめて1個のICとしたトランジスタアレイが開発されていますので、これを使って簡単化することができます。
実際の回路を下図（DCモータ用フルブリッジ回路）に示します。この例は2個のDCモータの可変速、可逆制御ができるようにした回路で、MOSFETのトランジスタアレイ(MP4212)を使って簡単化しています。
DCモータ用フルブリッジ回路
MP4212の内部回路
モータの制御方法
| モータの制御方法 | ||||
| 制御狀態 | RCO (RC4) |
RC1 (RC5) |
RC3 (RC2) |
モータ1の状態 (モータ2の状態) |
| 停止 | L | X | L | オフ状態で停止 |
| PWM正転 | H | PWM | L | 正方向にPWM回転 |
| PWM逆転 | L | PWM | H | 逆方向にPWM回転 |
| ブレーキ | H | L | H | ブレーキ状態で停止 |
| 正転 | H | H | L | オン/オフ制御で正回転 |
| 逆転 | L | H | H | オン/オフ制御で逆回転 |
「プログラムでモーターを動作させる方法」
プログラムでこれを動作させるときは次のようにします。まず、単純なオン/オフ制御として使うときは、下表（モータの制御方法）の下側2行（正転）のようにマイコンの各ピンをオン/オフ制御することになります。
次にこの回路でPWM制御を行うときは、マイコンの入出力ピンのRC2とRC1がPWMの出力ピンになっていますから、ここからPWMのパルスが出力されます。
そこで、表の上2行（PWM正転）のようにすれば、いずれかの方向でモータがPWM制御のもとで回転することになります。
これで全く同じ回路構成で単純なオン/オフ制御とPWM制御を実現することができます。
回路図中のR4からR7の抵抗は、電源オン直後にフルブリッジがすべてオフ状態になるようにするプルダウン抵抗です。
「モータ制御ではノイズに注意」
モーターの制御で注意しなければならないことはノイズの問題です。とくにブラシ付きのDCモータが回転するときは整流子とブラシの間で火花が発生し、これがノイズとなっていろいろな妨害を与えます。
これを防止するには、下図のように、モータの端子間に0.001μF程度のコンデンサを接続します。これでノイズが外部に出るのを抑制できます。
モータにノイズ対策コンデンサを取り付ける
また、モータを制御するとき、モータの起動電流により電源電圧が大きく変動したり、ノイズとなって妨害されることがありますので、特にモータ用の電源とマイコンの電源が共通の場合には、マイコンへの電源供給にはフィルタなどによる十分のノイズ対策が必要です。
安定な動作のためには、モータとマイコンの電源を分離して、両電源のグランドを1ヶ所で接続するのがよい方法です。
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