『デジサイ』

いわばデジタル表示「０」～「９」の１０面サイコロです。

背景

「作ってきたえて能力アップ」との本の文言、信じて作ります。

（当記事内で「本」と呼びます↓）

ブロック図

ボタンを押している間、５５５（タイマＩＣ ）がＣＬＫ発振。これを受けた７４ＨＣ３９０（カウンタＩＣ ）がカウントアップして０～９を巡回。そのカウント値は４ビット２進数で出力され、それを受けた７４ＬＳ４７（７セグメントデコーダ・ドライバＩＣ）が対応するセグメント（ｓｅｇｍｅｎｔ。切片、部分）のＬＥＤを点灯させます。

ボタンを放すと５５５からのＣＬＫが止まり、７４ＨＣ３９０のカウントアップも止まります。７４ＬＳ４７はそのまま止まったカウント値に対応したＬＥＤを点灯させ続けます。

カウントアップは視認できない程度に速いため、ボタンの操作者にはタイミングを図り切れません。そのためボタンを放した時にＬＥＤ表示が０～９のいずれで止まるかは、サイコロの様にランダムとなる仕組みです。

７セグメントＬＥＤはＡｒｄｕｉｎｏで点滅させたことがあります（下記記事参照）。

『7セグメントLEDをArduinoで動かす①品物を確認した』

『7セグメントLEDをArduinoで動かす②スケッチを読み解く』

Ａｒｄｕｉｎｏではスケッチ（プログラム）で表示値を対応セグメントに変換してからシリアル出力して、それを７セグメントＬＥＤモジュール内蔵ＩＣでシリアル―パラレル変換して各セグメントＬＥＤを点滅させてました。今回は２進数を７４ＬＳ４７によって対応セグメントに変換してセグメントＬＥＤを点滅させます。

さらにＡｒｕｄｕｉｎｏはボードにＣＬＫ発振源があり、７セグメントＬＥＤもモジュールを使用してブレッドボードとジャンパで接続しました。今回はＩＣ ５５５を使った発振回路を設け、７セグメントＬＥＤもモジュールを使うことなく砲弾型ＬＥＤ（ＬＥＤ×３個／セグメント×７セグメント＝ＬＥＤ×２１個）をユニバーサル基板並べて実装します。

タイマＩＣ５５５のＣＬＫ出力は周辺の定数より以下の通り。

Ｒ１＝４７０Ω、Ｒ２＝２４ｋΩ、Ｃ１＝１０μＦ

Ｈ期間：Ｔｈ＝０．６９３×（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｃ１≒１７．０ｍｓ

Ｌ期間：Ｔｌ＝０．６９３×Ｒ２×Ｃ１≒１６．６ｍｓ

周波数：ｆ＝１．４４÷｛（Ｒ１＋２×Ｒ２）×Ｃ１｝≒４８．５Ｈｚ

ＬＥＤの電流制限抵抗（図１のＲ３、４、５・・・）の定数は以下の通り。

電源電圧：６Ｖ

砲弾型ＬＥＤの順方向電圧ＶＦ（ｍｉｎ）＝２．９Ｖ

砲弾型ＬＥＤの定格電流ＩＦ＝２０ｍＡ

ＬＥＤ駆動トランジスタのコレクタ・エミッタ管電圧ＶＣＥ（ｍｉｎ）＝０Ｖ※最悪（電流がなるべく大きい）想定のための仮定

｛電源電圧ーＶＦ（ｍｉｎ）ーＶＣＥ（ｍｉｎ）｝÷ＩＦ＝（６Ｖ－２．９Ｖー０Ｖ）÷２０ｍＡ＝０．１５５ｋΩ

よって、Ｅ１２系列なら１８０Ω以上。ＬＥＤを定格電流の半分程度に余裕もたせるため３３０Ωを選んで、以下電流制限抵抗の消費電力を確認します。

順電流ＩＦ’＝｛電源電圧ーＶＦ（ｍｉｎ）ーＶＣＥ（ｍｉｎ）｝÷電流制限抵抗＝（６Ｖ－２．９Ｖー０Ｖ）÷３３０Ω≒９．４ｍＡ

抵抗１個の消費電力ＰＲ＝ＩＦ’＾２×電流制限抵抗＝９．４ｍＡ＾２×３３０Ω≒２９．２ｍＷ

これなら手持ちの１／４W（２５０ｍW）定格の抵抗で十分でしょう。

主な部品

１．タイマＩＣ ５５５

定番ロングセラーＩＣ。低周波（２００ｋＨｚ程度まで）のパルス発振源によく使われます。

価格が安く、多用途に使え、安定性が高いことによって世界中で広く使われるようになったICであり、たとえば2003年の1年間だけでもおよそ10億個が生産され[3]、これまで製造された中で最も有名な集積回路となった[4][5]。

（Ｗｉｋｉｐｅｄｉａ「５５５ タイマー」より抜粋）

２．カウンタＩＣ ７４ＨＣ３９０

デュアルカウンタです。デュアルである必要は無いのですが、本で使っていた”７４９０”が手に入らなかったので代用します。ピン数・ピン配の違いを注意すれば問題ありません。

３．７セグメントデコーダ・ドライバＩＣ ７４ＬＳ４７

４桁２進数の入力を７セグメントＬＥＤ点灯に変換・駆動します。本で使っていた”７４４６”（高耐圧３０Ｖ）に対して耐圧違いの低耐圧１５Ｖ品での代用です。今回は電源電圧６Ｖの回路ですので問題ありません。

４．ＮＰＮバイポーラトランジスタ ２ＳＣ１８１５

電子工作定番の小信号用バイポーラトランジスタ（ＮＰＮ）。２ＳＡ１０１５（ＰＮＰ） とのコンプリメンタリ・ペア。元々の生産元であった東芝では生産終了。海外メーカの互換品が出回っており、今回使うのも互換品です。

５．砲弾型ＬＥＤ

いわゆる『Ｌチカ』の主役部品。

発光部分を覆う、透明（もしくは半透明）のモールド樹脂の形から”砲弾型”と呼ばれます。このモールドがレンズとして機能するため、光が正面に集まる傾向が強いＬＥＤです。周辺にまんべんなく光を出したい場合には拡散キャップを被せるなど方法がありますが、それなら最初からチップタイプのＬＥＤを使った方が良いでしょう。

砲弾型のモールド樹脂は熱を内部に閉じ込めてしまうため、ＬＥＤの寿命を縮めてしまうデメリットがあります。さらに写真５のようなリードタイプであれば放熱経路がリード２本に限られ、ヒートシンクも付けられず、用途は低消費電力に限られます。

今回のような７セグメントＬＥＤなら出来合いのモジュール１個で済ませた方が便利だと思いますが、本の通り砲弾型ＬＥＤを２１個並べて実装しました。

製作

１．基板実装

実装面です。

はんだ面です。

はんだ面、引き回しの間違いをジャンパ線で修正しましたが、すずメッキ線が入り組んでおり、なかなかの手間でした。というのも今回からユニバーサル基板をガラスエポキシから紙フェノールのものに替えたのですが、ランドがやけに広く、隣同士で短絡し易くて危うい実装作業になりました。

どうやらガラスエポキシに比べ、紙フェノールのランドは剝がれやすいようです。すべての紙フェノール基板がそうだということはないでしょうが、ランドサイズを広めにして剝がれにくくする意図があったのかもしれません。基板カットが大変だったのと、値段の安さから基材変更したのですが、選ぶ時には注意しないといけません。職場では誰かが購入したものを見つけて使うだけでしたので学びになりました。

２．動作確認・修正

組み立て前に動作させました。

写真９はセグメントが欠けて点灯している例です（”８”が表示されるはず）。表示が正しくなるまで動作と修正を繰り返しました。動作させて間違いを確認するのは部品を壊しかねないのですが、実のところわかりやすい修正方法です。

３．組み上げ

プリント板、その上を覆うアクリル板との二階構造を組み立てます。

アクリル板を加工しました。基板に合わせた寸法にアクリルカッターでカットして、ハンドドリルとリーマーでねじ穴、電源・押しボタンスイッチの実装穴を空けてます。

プリント板の足にねじなしスペーサ（茶）。その中を３０ｍｍねじで通して、プリント板の上部の両メススペーサ（黒）にねじ止め。アクリル板の上からは５ｍｍねじを通して固定します。

プリント板、アクリル板を組み合わせました。

散光のため、アクリル板の表面に半透明の付箋を８の字に貼りました。

完成です。