『ファイブスター』

一列の星（ＬＥＤ）が左から０～５個のいずれかで点灯します。ランダムな「スターレイティング（Ｓｔａｒ Ｒａｔｉｎｇ。星マークの格付け評価）」装置です。

背景

実力無いのに電子回路設計の職場にまぎれ込みました。本の文言「作ってきたえて能力アップ！」を信じて付け焼刃します。

（当記事で「本」と呼びます↓。内容は月刊『子供の科学』の連載記事）

原理

ＣＬＫ発振源はＮＯＴゲートを３つ連ねたリングオシレータ（ＩＣ１）。間にＲ２、Ｃ１とで遅延をかけます。

プッシュスイッチ（ＳＷ１）を押している間、ＣＬＫがＤ－ＦＦ（ＦｌｉｐＦｌｏｐ）を６つ連ねたシフトレジスタ（ＩＣ２）に入ります。

初段から５つのＤ－ＦＦ出力はそれぞれトランジスタ（ＴＲ１～５）のベースに入り、そのコレクターエミッタ間のＯＮ／ＯＦＦでそれぞれのＬＥＤ（ＬＥＤ１～５）を点滅させます。ＣＬＫが入るたびにＬＥＤの点滅状態が次のように変化します。

※”●”：消灯ＬＥＤ、”○”：点灯ＬＥＤ

CLK    LED1    LED2    LED3    LED4    LED5

0            ●         ●         ●         ●         ●

1            ○         ●         ●         ●         ●

2            ○         ○         ●         ●         ●

3            ○         ○         ○         ●         ●

4            ○         ○         ○         ○         ●

5            ○         ○         ○         ○         ○

6            ●         ●         ●         ●         ●　←シフトレジスタ／ＣＬＲ

7            ○         ●         ●         ●         ●

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プッシュスイッチを押している間のＬＥＤ点灯は目に見えない程度に速く変化しており、離すとシフトレジスタへのＣＬＫ入力が途絶え、以降そのタイミングの点灯状態を続けます。操作者から見ればプッシュスイッチを離す度にランダムな０～５個のＬＥＤが点灯するわけです。

計算

１．リングオシレータのＣＬＫ周期と周波数

図２のＩＣ１、Ｒ２、Ｃ１の関係から、多分おおよそ次の通り。

周期Ｔ≒２×時定数τ＝２×Ｒ２×Ｃ１＝２×１００ｋΩ×０．１μＦ＝２０ｍｓ

周波数ｆ＝１÷周期Ｔ＝５０Ｈｚ

．．．厳密ではありません。

”時定数τ”（タウ）は０から最終値の６３．２％に到達するまでの時間です。それに対してＮＯＴゲートＳＮ７４ＨＣ０４はＶＩＨ（ｍｉｎ）＝３．６Ｖ、ＶＩＬ（ｍａｘ）＝１．３５Ｖ（ＶＣＣ＝４．５Ｖ）。それぞれ対ＶＣＣ（４．５Ｖ）で８０％、３０％。ですがこの辺計算しても、実測値（後述）に対して精度上がりませんので（むしろ下がった）、このままにします。

ところで、Ｒ1の１ｋΩはＣＭＯＳロジックの入力保護でしょうか。実測で短絡させても変化が見えず確かなことはわかりませんでしたが、ＮＯＴゲートＳＮ７４ＨＣ０４の入力容量Ｃｉ＝１０ｐＦに対して１ｋΩ入れることで急峻な跳ね上がり／下がりを鈍らせたい意図かもしれません。

２．ＬＥＤ電流制限抵抗

図３のＬＥＤ１、ＴＲ１、Ｒ８によって次の通り。

電源電圧：４．５Ｖ

砲弾型ＬＥＤの順方向電圧ＶＦ（ｍｉｎ）＝１．８Ｖ

砲弾型ＬＥＤの定格電流ＩＦ＝３０ｍＡ

電流制限抵抗Ｒ８＝１３０Ω

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

順電流ＩＦ’＝｛電源電圧ーＶＦ（ｍｉｎ）ーＶＣＥ（ｍｉｎ）｝÷Ｒ８＝（４．５Ｖ－１．８Ｖー０Ｖ）÷１３０Ω≒２０．８ｍＡ＜ＩＦ(３０ｍＡ）・・・ＯＫ

抵抗１個の消費電力ＰＲ＝ＩＦ’＾２×Ｒ８＝２０．８ｍＡ＾２×３３０Ω≒２９．２ｍＷ＜抵抗定格１／４W（２５０ｍW）・・・ＯＫ

主な部品

１．１極２投プッシュスイッチ

動作方式：モーメンタリー・・・押している間だけ接点変わり、離すと戻る

構成：Ｃ接点・・・ＣＯＭ端子(*1)の接続先をＮＣ端子(*2)、ＮＯ端子(*3)いずれかに切り替える。

*1：ＣＯＭ（ＣＯＭｍｏｎ）。共通端子

*2：ＮＣ（Ｎｏｒｍａｌｌｙ Ｃｌｏｓｅ）。通常時ＣＯＭと接続

*3：ＮＯ（Ｎｏｒｍａｌｌｙ Ｏｐｅｎ）。動作時にＣＯＭと接続

「１極２投」＝「１回路２接点」＝「単極双投」・・・同義語。上記のＣ接点が１つ

２．インバータ（ＮＯＴゲート）ＩＣ ＳＮ７４ＨＣＵ０４Ｎ

ＮＯＴゲート６ｃｈ入りＩＣ．ネット情報によれば”ＨＣＵ”の”Ｕ”は”Ｕｎｂｕｆｆｅｒｅｄ 　Ｏｕｔｐｕｔ”。

”ＨＣ”の場合、ＮＯＴゲート１つの中身が実はゲート３段連ねるように構成して波形整形しているのに対し、”ＨＣＵ”のＮＯＴゲートは中身もゲート１段の構成とのこと。これが増幅率が大き過ぎず、遅延が少ないとかで発振回路に適しているらしいのですが、本では”７４ＨＣ０４Ｐ”を例として挙げていたので今回は気にしなくて良いのでしょう。

ところで”インバータ（ＩＮＶＥＲＴＥＲ）”はＤＣ－ＡＣ変換を指す場合があります。

あちらはＤＣの正負を交互にひっくり返す動きからこの名で呼んでいるようですが、悪いことに電気分野同士のため割と混乱しがちです。

ロジックＩＣ側を”ＮＯＴゲート”と呼べば解決だと思うのですが、ＳＮ７４ＨＣＵ０４Ｎのデータシートには”ＨＥＸ ＩＮＶＥＲＴＥＲＳ”と書かれております。できるだけメーカの呼称を優先したいのでこの辺り少々煩わしく感じます。

３．Ｄ－ＦＦ ＩＣ ＳＮ７４ＨＣ１７４Ｎ

共通のＣＬＫと／ＣＬＲ付のＤ－ＦＦ ６ｃｈ入り。今回シフトレジスタとして使います。

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、半透明（もしくは透明）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。

製作

１．基板実装

実装面です。

はんだ面です。

基板寸法が大きめですが、カットするのは手間なのでそのまま使います。

２．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。

なお写真８の部材は前回の『デジサイ』のものです。実は本の指定とは違うのですが、違うものを用意するのは手間なので流用しました。

写真９のアクリル板も過去の工作の流用です。余計な穴が空いているのはそのためです。

３．装飾

『ファイブスター』ですので、厚紙に星形をくりぬきました。

写真１１の厚紙は日用消耗品の梱包箱から切り取りました。

この装飾が無くてもＬＥＤをそのまま点灯させれば電子回路としては充分ですが、これもモノづくりの幅を広げるかもと思って工作しました。おかげではじめてデザインナイフというものを百均で買って使う経験ができましたので、これもきっと学びなのでしょう。