光センサ回路（デジタルＩＣを使って）

デジタルの利用

電子工作で、光に反応して点灯するＬＥＤ回路を作ってきましたが、続いてまだコレを改良してデジタル回路で作ってみましょう。

デジタル回路はこれまでとは全然違う考え方で作られるわけですが、いままでの回路の知識がなければ出来ないので別物というわけでもありません。

 

 

でも　”回路に判断させる”　ということに関してはアナログ回路では大変で、デジタルは扱いやすいです。アナログ回路と組み合わせて使うことになるので、回路の知識は同様に必要です。

アナログとデジタル　とはよく比較され、アナログは古いものの代表のように言われますが、アナログ回路の使われていない回路なんて無いといえるので、デジタルが初めての人でも、これまでのＬＥＤ点灯回路をデジタルＩＣで改良していけばデジタルがどんなものか、すぐわかるでしょう。

 

ゲートＩＣの利用

これまでＮＯＴを少しだけ使ったのですが、入力が反対になって出力という　とても単純なＩＣでした。
やはり　入力が２つあり、判断をするようにその２つから出力を決める２入力ゲートをつかいましょう

７４シリーズと呼ばれるＩＣの中で 論理が明快な　ゲートＩＣ＝ＡＮＤ　で考えましょう。

論理が単純なので単純に思いますが、これでもいろいろできるものです。

 

ＡＮＤとは

入力の条件を満たせば、ゲートが開き出力が出る,というのがゲートＩＣなので、これはＡＮＤの条件でゲートが開くＩＣです。

 

 

その入力の組み合わせはこれです。真理値表とよばれるものです。

入力１	入力２	出力3
Ｌ	Ｌ	Ｌ
Ｈ	Ｌ	Ｌ
Ｌ	Ｈ	Ｌ
Ｈ	Ｈ	Ｈ

 

入力が両方Ｈ（ハイ）になったときだけ　出力がＨ（ハイ）になるというもの。
これ以外では出力はハイにならないのがＡＮＤです。

 

ゲートＩＣはすべて実に単純そうですが、それでいてアイデア次第で広がります

 

ＡＮＤの利用

上のような単純なものは２つの入力なら、２点の入力の判断に使えそうですがそれ以上大して使い道がないように見えます。
光センサＣＤＳを使って、ＬＥＤを点灯させる回路を作ったので、このＡＮＤでの切り替えを利用して、また更なる改良しましょう。

 

光センサ回路では

暗いときにＬＥＤ点灯

 

明るいときにＬＥＤ点灯

 

と回路を簡単に変更することで、この違いをつくりました。しかし、このままでは　そんな別々の機能の２つの回路になります。
このままでは　、暗いとき点灯用、と消灯用　２つの機器を作る必要になってしまいます。
この機能を１つの回路で、切り替えるだけでこの２つができる回路をデジタルＩＣを使って考えてみましょう。

スイッチを使い配線で流れを切り替えてしまう方法もありますが、ＡＮＤ回路を使い切り替えるだけで、できるように考えましょう。

 

まず

光を感じて電圧が変わるセンサ回路

 

この回路は　
Ｒ１＝１０ＫΩ　にすると　Ａ点の電圧が

• 明るいとき　CDS=7.5kΩ
  

  Ｖ

  ＝

  7.5k 7.5k＋10k

  ×　３Ｖ

  ＝ １．２８Ｖ

• 暗いとき　CDS=120kΩ
  

  Ｖ

  ＝

  120k  120k ＋10k

  ×　３Ｖ

  ＝ ２．７７Ｖ

 

暗いときの電圧はＲ１を可変抵抗にすると　電圧は変更できますが、
暗くなると、明るくなると　を切り替えるには抵抗位置を入れ替える回路の変更が必要でした。

 

それでは、この電圧をＡＮＤに入れて判断させる回路にしましょう。

 

ＡＮＤは２入力で判断をするので１つをこの回路、もうひとつを切り替えスイッチにして出力を得ましょう。

 

暗くなると　High（H）　が　ＡＮＤの入力に入るようなセンサ回路にすれば・・・・

 

もう一方の入力をスイッチにして、ＯＮ、ＯＦＦで　Ｈ、Ｌを入力します。
（電源は光センサ回路部分は３Ｖでしたが、デジタルＩＣに合わせて電源は５Ｖ）

 

 

整理して考えると

となるだけです。

このままではスイッチは、動作させるスイッチになるだけで、切り替えにはならない

 

他方の入力２をＨ，Ｌにするようなことでなんと切り替えられる回路にかならいでしょうか？

ここで入力となる信号をよく考えると

センサからは

になります。
一方の入力はどうしてもこれになります。

 

 

入力に１つに別のＡＮＤをつなげてＡＮＤを数珠つなぎにして、それを入力に戻したりと。。なんとかならないか考えてみても

いろいろ考えても
ＡＮＤは入力に１つでも　Ｌ　があると、出力はＨにはできません。。。。

 

論理を逆転して考える

でも、もう一息、論理を逆転すれば？　Ｌ　の吸い込みでもＬＥＤに電気を流せることを思い出せば。。。。

このH　L　をひっくり返し、HをLに換えて考える

入力１	入力２	出力3
Ｌ	Ｌ	Ｌ
Ｈ	Ｌ	Ｌ
Ｌ	Ｈ	Ｌ
Ｈ	Ｈ	Ｈ

 

これで、吸い込みでＬＥＤを点灯させることにすれば、点灯しないときは入力がＨ　Ｈのときだけです

一気に広がりました！

これと、上で考えたのとを合わせてよーく考えても、、、
作りたい機能は実現できません。。。。（人の知恵もここまでか・・・）

ぜひ考えてみてみましょう。　ＡＮＤではできないハズです。（単なるＯＮ、ＯＦＦスイッチで切り替えるなら、ＸＯＲ論理になるはずです）

ＮＯＴでつくる

実はこの回路、ＮＯＴで単純に作ることができます （最初からそう思っている人も多いと思います）

 

まえに　”デジタルＩＣを使ってみる”　でつかった　７４ＨＣ１４　のインバーター（ＮＯＴ）を使えばこのようにすれば、スイッチの切り替えで

 

• 暗いときＬＥＤ　　　ＯＮ
• 明るいときＬＥＤ　　ＯＮ

 

の切り替えがスイッチで簡単にできる回路が出来上がりです。（スイッチ切り替えなんてあまりに安易かもしれませんが）

 

（こういう入力が一時的にでもどこにもつながってないときがある回路－－動作しますが本式には×です）

 

ＮＡＮＤの利用

ＡＮＤでいろいろと考えてみて、結局　目的の回路にはならず、ＮＯＴでできるのですが、あれこれと知恵を絞り、ムダなことをしたようですが

　ＡＮＤの否定型　→　ＮＡＮＤ

というＩＣを使うとそれらは生かされます。

 

ＮＡＮＤはゲート界で万能性をもつＩＣです。
このＮＡＮＤをつなげると全部のゲートＩＣが作れます。

 

 

 

そんなとき、他の型に変形できる万能性のあるＮＡＮＤは非常に便利です。また応用もできます。

このＮＡＮＤを使うのなら知恵の絞りがいもあります

 

それと
さらに新しい機能のＬＥＤ回路作りのために、すでに出てきた７４ＨＣ１４　と　このＮＡＮＤ　７４ＨＣ００　の２つを使っていろんな機能を作り上げましょう。

ＬＥＤ点滅回路

まえに、トランジスタとコンデンサを使ったＬＥＤ点滅回路が出てきましたが、今度は、デジタルＩＣを使って、まずはＬＥＤ点滅回路をつくってみましょう。

 

＜デジタルで点滅させる原理＞

ハイ　と　ロー　が一定時間ごとに切り替わることでＬＥＤがついたり消えたりすることで点滅させます。
ＮＯＴで　入力を　　ロー　→　ハイ　　に切り替えて出力に出すのは一瞬ですが、それでも切り替え時間はかかります。
（切り替わるときのこの論理の一瞬の遅れは延滞と呼ばれます、デジタル回路を高速動作させるとき、この切り替わりの延滞時間も安定して動くには重要になります）

 

それなら、このようにイッパイ並べると

NOTの連結

１つの切り替えでわずかな時間遅れがあるので、いっぱいつなげて入り口と出口をみると

入り口で　Ｌ（ロー）　→　出口で（ハイ）　になるのに時間がかかりることになります。

延滞時間の累積＝Ｔ秒　時間をおいてからハイになる。。。これで一応　　ロー　ハイが時間をおいて切り替わることになります。
でもＩＣの切り替え時間は一瞬なのでこれでは実際点滅させるほどの遅れを作ることはできません。

 

エンエンとつなげるのではなく、グルグルと循環させてみます。

 

インバーターペア

ハイから出発して、またハイになって戻って来るので、
当たり前でどうでもいいような話ですが、こういう風なのを安定の状態と呼ぶそうです。

 

インバーター１コだけで循環

 

最初ハイで出発すると、切り替わって、入力がローになって返ってくる
こういうのを無安定と呼ぶそうです（多分　安定の反対だからでしょう）　
　Ｈ　→　Ｌ　→　また戻って　→　　・・・・

 

原理の基本的なところは、このハイからローになって戻ってくる間隔をコンデンサと抵抗でうまく遅らせ、出力を自分の入力に戻して循環させて定期変動させ点滅させるような原理ですが、
無安定で　変動させる＝バイブレーター　から無安定バイブレーターとか呼ばれます　この辺の回路には妙な名前が出てきます。。。

 

それを使った点滅回路

これでＬＥＤをピコピコと点滅させることができます。

 

これでいろいろと抵抗、コンデンサを変えて試すと、デジタル回路での点滅が作れます。

 

ＣＤＳ光センサを使って、暗くなるとＬＥＤが点灯する回路を作りましたが、続いて、今作ったＬＥＤ点滅回路とを組み合わせて、７４ＨＣ１４　と　ＮＡＮＤ　７４ＨＣ００を使ってデジタルで新たに光りモノを発展させましょう

 

光センサ回路２　へ続く