レポート

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組み込みシステムの技術の蓄積レポートです。

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アナログ回路(7)-コンデンサ(RC回路)

前回は、ダイオードを使用して、AND論理回路を構築しました。前回の内容は下記のリンクを参照してください。

アナログ回路(6)-AND論理回路

今回は、CR回路を作成して使用して、コンデンサの動作をみていこうと思います。

使用する環境は下記のとおりです。

  • Windows10
  • LTspice XVII

下記のようなCR回路を構築しました。抵抗は 2kΩ、コンデンサは 100μF です。

電源は下記のような設定になっています。

  • PULSE
  • Vinitial[V]:0
  • Von[V]:5
  • Trise[s]:0.0001m
  • Tfall[s]:0.0001m
  • Ton[s]:1
  • Tperiod[s]:2

シミュレーション結果は下記のようになります。

1秒後には、電圧は 5V となっておりコンデンサに電気が充電したと思います。それでは、抵抗を 5kΩにしてみます。シミュレーション結果は下記のようになります。

1秒後には 3.062Vになっています。コンデンサは充電完了していません。充電にはもう少し時間が必要なようです。この回路は積分の働きをすることから積分回路とも呼ばれます。

このCR回路ですが式であらわしてみたいと思います。このCR回路を式で表すと下記のようになります。

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アナログ回路(6)-AND論理回路

前回は、ダイオードを使用して、OR論理回路を構築しました。前回の内容は下記のリンクを参照してください。

アナログ回路(5)-OR論理回路

今回は、ダイオードを使用して、AND論理回路を構築しようと思います。

使用する環境は下記のとおりです。

  • Windows10
  • LTspice XVII

作成するAND論理回路は下記のような論理にしようと思います。

それでは、LTspiceを使用して、回路図を作成して、回路を作成したらシミュレーションを行いたいと思います。

下記のような回路を構築しました。VCCは 5V です。SW1とSW2は、電圧が1V以下の場合はOFF、電圧が1Vを超える場合はONになります。LEDには電流を20mA流すようにしたいと思います。各種抵抗値は、SW1をON又はSW2をONの片方ON時で抵抗の抵抗値を設定しました。LEDに電流が流れるSW1をOFF、SW2をOFFを想定して、抵抗の抵抗値を設定しました。

SW1をON、SW2をONの状態のシミュレーション結果は下記のようになります。LED(D3)には電流がほぼ流れないので、LEDは点灯しません。

SW1をON、SW2をOFFの状態のシミュレーション結果は下記のようになります。LED(D3)には電流がほぼ流れないので、LEDは点灯しません。

SW1をOFF、SW2をONの状態のシミュレーション結果は下記のようになります。LED(D3)には電流がほぼ流れないので、LEDは点灯しません。

SW1をOFF、SW2をOFFの状態のシミュレーション結果は下記のようになります。LED(D3)には 0.0195018 mA 電流が流れるので、LEDは点灯します。

アナログ回路(5)-OR論理回路

前回は、ダイオードを使用して、交流を直流に変換する回路を構築しました。前回の内容は下記のリンクを参照してください。

アナログ回路(4)-ダイオードブリッジ回路

今回は、ダイオードを使用して、OR論理回路を構築しようと思います。

使用する環境は下記のとおりです。

  • Windows10
  • LTspice XVII

作成するOR論理回路は下記のような論理にしようと思います。

それでは、LTspiceを使用して、回路図を作成して、回路を作成したらシミュレーションを行いたいと思います。

下記のような回路を構築しました。VCCは 5V です。SW1とSW2は、電圧が1V以下の場合はOFF、電圧が1Vを超える場合はONになります。LEDには電流を20mA流すようにしたいと思います。各種抵抗値は、SW1をON又はSW2をONの片方ON時で抵抗の抵抗値を設定しました。

SW1をON、SW2をONの状態のシミュレーション結果は下記のようになります。LED(D3)には電流がほぼ流れないので、LEDは点灯しません。

SW1をON、SW2をOFFの状態のシミュレーション結果は下記のようになります。LED(D3)には 0.0192402 mA 電流が流れるので、LEDは点灯します。

SW1をOFF、SW2をONの状態のシミュレーション結果は下記のようになります。LED(D3)には 0.0192402 mA 電流が流れるので、LEDは点灯します。

SW1をOFF、SW2をOFFの状態のシミュレーション結果は下記のようになります。LED(D3)には 0.0234849 mA 電流が流れるので、LEDは点灯します。

SW1をOFF、SW2をOFFを想定して、抵抗の抵抗値を設定していないので、設計値の20 mAから少々外れた値になっています。今回は、使用しているLEDの絶対定格 25mA を超えていないのでよしとします。

アナログ回路(4)-ダイオードブリッジ回路

前回は、抵抗、LEDを並列に接続した回路を作成しました。前回の内容は下記のリンクを参照してください。

アナログ回路(3)-並列回路

今回は、ダイオードを使用した回路を作成しようと思います。交流を直流に変換する回路を構築します。

使用する環境は下記のとおりです。

  • Windows10
  • LTspice XVII

LTspiceを使用して、回路図を作成して、回路を作成したらシミュレーションを行いたいと思います。

まずは、ダイオードの動作を確認してみたいと思います。下記のような回路を構築しました。電流は 100mA 流す回路にしたいと思います。ダイオードの順方向電圧は、データシートより、950mA になります。抵抗にかかる電圧は、4.05V になるので、抵抗値はオームの法則より 40.5Ω になります。電源は交流で、振幅5Vの周波数50Hzです。

シミュレーションを実行すると下記のような結果を得ることができました。抵抗に流れる電流値を表示しています。

マイナス電圧になったと時に、ダイオードが電流を流さないため、上記のような電流値になっています。

それでは、ダイオードブリッジを作成して、交流を直流に変換してみたいと思います。

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アナログ回路(3)-並列回路

前回は、LEDを使用して、簡易的な回路を作成しました。最初は、電源に直接LEDを接続した回路でしたが、途中からは、電源とLEDの間に直列抵抗を追加した回路に変更しました。前回の内容は下記のリンクを参照してください。

アナログ回路(2)-LED

前回は直列接続の回路であったので、今回は並列に抵抗やLEDを使用した回路を作成してみようと思います。

使用する環境は下記のとおりです。

  • Windows10
  • LTspice XVII

LTspiceを使用して、回路図を作成して、回路を作成したらシミュレーションを行いたいと思います。

まずは下記のような回路図を作成してみました。同じ抵抗値の抵抗を4つ(R2~R5)並列に接続してある回路です。R1のみ抵抗を70Ωと指示してあります。

この回路で電流値を 20mA を流したい場合、R2~R5の抵抗値はいくつにすればよいかオームの法則を使用して考えます。4つの抵抗に流れる電流は、抵抗値が等しいため、電流値も同じになります。ですから、20mA ÷ 4 = 5mA になります。R1に流れる電流は、0.02A × 70 = 1.4V になります。R2~R5は並列回路のであるので電圧の値は同じです。よって、5V – 1.4V = 3.6V になります。あとは、オームの法則より、3.6V ÷ 0.005A = 720Ω になります。R2~R5の各々に 720Ω を設定します。

シミュレーションを実行すると下記のような結果を得ることができました。

R2~R5の各々に流れる電流値は、5mA となっており、合計で 20mA になっています。R1に流れる電流値も、20mA になっています。今回、R2~R5の抵抗値を変えて 20mA を流れるような回路を作成しましたが、もちろん、R2~R5の抵抗値を先に決めてしまい、R1の抵抗値を変更することで、20mA 流れる回路を作成することも可能だと思います。

次に、LEDを並列に並べた時と比較するために、R2~R5の各々の抵抗値を180Ωに設定してシミュレーションしてみます。

R2~R5は並列回路なので、この部分の抵抗値は 45Ω になります。全体を流れる電流は、5V ÷ (70Ω + 45Ω) = 0.0434783 になります。R2~R5は同じ抵抗値なので、各々に流れる電流は、5V ÷ (70Ω + 45Ω) ÷ 4 = 0.0108696 になります。※計算値は四捨五入した値です。

R2~R5の抵抗値をLEDに置き換えて考えてみます。下記のような回路図を作成してみました。LEDはNSCW100を使用しています。R1は 70Ω と設定しました。

試しに、シミュレーションを実行すると下記のような結果を得ることができました。

先ほどの抵抗値180Ωを4つ並列に並べた時とは違う結果になります。これは、LEDのVFとIFの関係は1次関数(比例)ではないからです。データシートを見ると曲線カーブになっています。ですから、抵抗と同じようには考えられません。

また、抵抗とLEDでは役割が違います。そのため、抵抗は抵抗値を変えたい場合、他のものに変えればよいですが、LEDの場合、抵抗値を変えたいからLEDを変えるということはしないと思います。ですから、R1の抵抗を変えて、各LEDに 20mA を流したいと思います。

LEDが4つ並列に並んでいるので、この部分の合計電流は、80mA になります。オームの法則より、R1の抵抗は、(5V – 3.6V) / 0.08 = 17.5Ω になります。それでは、R1に 17.5Ω を設定して、シミュレーションを行いたいと思います。下記のシミュレーション結果を得ることができました。

各LEDには、0.0195018mAの電流が流れており、概ね20mAの電流が流れています。