これで完了としよう －ＴＲ・シュミットトリガ回路の実験 －

２０２３・０７・２９（土曜日）　晴れ

　ジャンクボックスで見つけたＯＰアンプがきっかけでOＰアンプのお勉強・・・

　参考書を見たり、諸先輩方からアドバイスをいただいたり、Ｗｅｂサイトを
閲覧したり、あれこれ試行錯誤をしてやっとコンパレータの仕組みを理解した
けど実際に使うにはこれまたもっと難しい・・・
　
　そんなわけで途中でやる気を無くして何となく中断してましたが、これでは
ご支援、応援くださった皆様に申し訳がたちません。
　今までの実験結果を取りまとめてご報告いたします。

　ＯＰアンプのコンパレータは高性能だろうけどオイらの工作程度ではちょっと
大袈裟な感じがします。　
　そこでトランジスタで組立てたシュミット・トリガ回路で実験してみました。
    
    回路図はこんなものです。　
　しきい値幅を大きくしたので（ＴＲエミッタ抵抗値が大きくなった）
ＬＯＷ出力がＧＮＤ電位まで下がらず、次段のドライブができないので
ＢＵＦＦ回路を増設しました。

　ＴＲシュミット・トリガ回路は一応ヒステリシス特性を示してくれました。

　高しきい値（th.Hig）は２.５V、低しきい値（th.Low)は０.８Vです。
　入力がしきい値をオーバーするたびに出力は０V、５Vと反転します。

　次はこれに小型のボタンスイッチ（タクトスイッチ）を接続してＯＮ、ＯＦＦを
正確に次段へ伝達（出力）できるか実験しました。

　

　しかし、結果はＮＧでチャタリングを防止する機能は全然ありませんでした。　
　工作先輩からＳＷにパスコン（ＣＲフィルタ）を接続しなくては効果はでない、とのアドバイスを
いただきましたので　すぐ試しましたが効果はでませんでした。
　しかし、これは私の回路誤りでした。　
　

   最終的にはこんな回路で実験しました。

　ＲとＣは「時定数」設定のものです。

 

　Ｒ＝１０ＫΩ、Ｃ＝０.１μＦのときの画像

 

Ｒ＝１０ＫΩ、Ｃ＝０.３３μＦのときの画像

　

 

Ｒ＝１０ＫΩ、Ｃ＝１μＦのときの画像　

 

「時定数」のカーブがはっきりわかるのは１μFの容量が必要でした。
　以下、各容量でチャタリング発生防止の効果を確認してみました。

 

１．　Ｒ＝１０ＫΩ　Ｃ＝０.１μＦで実験

　１sec/DIV　で表示

１００ｍｓｅｃ／ＤＩＶで表示

　この実験ではかなりの頻度でチャタリングが発生してしまいました。

 

２．　Ｒ＝１０ＫΩ　Ｃ＝０．３３μＦ　で実験

　　１sec/DIVで」表示

　200msec／DIV　で表示

　　かなりのチャタリングは発生する。
　　ノイズを吸収し、救済されたパルスもある。

 

３．　Ｒ＝１０ＫΩ　Ｃ＝1μＦ　で実験。

　　タクトスイッチを押す速度は１秒間４回程度（オイらの手の動きではこれが限度かも？）。

１sec/DIVで表示

２００ｍｓｅｃ／ＤＩＶで表示

　チャタリングはあるが皆救済されている。

 

　実験の結果では「時定数」設定を　Ｒ＝１０ＫΩ、Ｃ＝1μＦにすればチャタリング防止効果は
ある、と思いました。

　以上を持ってコンパレータ、シュミット・トリガー回路の実験は完了といたします。
　いろいろアドバイスをくださいました先輩方、誠にありがとうございました。
　
　またまた「時定数」なんていう難しいことが出てきてしまいました。
　これは実習大好き・勉強大嫌いの実習生にとっては超難しい事柄です。
　でも、これは前々から勉強したいな・・・と思っていた事でもあります。
　なんとか頑張って自分のものにしたいと思っています。
　どうぞご指導、応援のほどよろしくお願いいたします。　

“閑中忙有り”？？？ － 年中閑を持て余しているがたまには忙しいこともある －

２０２３・０７・２６（水曜日）　晴れ

　大好きな電子工作も失敗続きでやる気が失せてしまった。
　毎日閑を持て余してダラダラと時を過ごしている。
　でも、庭隅にきれいな花が咲いているのを見つけるとカメラを持ち出して
写真を撮ったりしてこの時だけは忙しい。

　“閑中忙あり”かな？？？　（”忙中閑あり”の逆の状態です）
　庭隅に置いてあるスイレン鉢に植えたヒメスイレンの花が咲いた。
　

　（背後の金網籠は夜中に徘徊してくるハクビシンやアライグマから
　　金魚を守るためのものです。　油断すると金魚を食べられてしまいます。）　　　

　今年、最初に咲いたヒメスイレンの花。
　水面に顔を出して咲く可憐な花はすがすがしくて美しい。

 

　今年は蕾が多く出て花が次々に咲いてくれた。
　水鏡に映った花もきれいだね。

 

２つの花が咲いている。　こうやってくっついて咲いているところはなかなか写せない。

 

二輪のヒメスイレンの水鏡。

 

　金魚が泳いできた。
　この金魚たちは団地の夏祭りの金魚すくいで貰ってきたものでもう、十数年のお付き合いだ。

 

　暑い！、暑い！、　暑いよぉ！！！
　
　暑い、暑いって叫んでも涼しくなるわけではないが、叫ばずにはいられない。
　オイらの住む地域（埼玉）では４０℃近くになることもある。
　まぁ、水面に楚々と咲くスイレンの花でも眺めて少しでも涼を求めよう。

ＴＲ回路によるシュミット・トリガーの実験

２０２３／０７／１６（日曜日）　晴れ

　梅雨も末期、関東地方は晴天の猛暑日が続いている。
　オイらは冷房の効いた部屋で相変わらず電子回路の実験をして遊んでいる。
　ひょっとしたことからジャンクボックスで見つけたオペアンプ（７４１Ｃ）が
引き金となって“コンパレータ”というものの実験をしていたが、まぁ何とか
その仕組みや原理みたいなことは理解？できた。（本当に理解したかどうかは
わからないが、当人はそのつもりでいる（笑い）。）

　コンパレータを使えばノイズが乗った信号でもチャタリングを防いで確実な
ＯＮ、ＯＦＦ制御ができそうだ。
　だけど“ノイズ”というレベルではないスイッチの不良動作（断続に相当する
ようなノイズ）には効果はないだろう。（当たり前かぁ・・・）
　それにＯＰアンプを使ったコンパレータは回路も複雑になるし、大袈裟だ。
　キーパッドのようにスイッチが沢山あるものは対応が難しいだろう。

　そこでコンパレータと同じような機能（ヒステリシス）を持ったシュミット・
トリガーの実験をしてみた。

　あり合わせのトランジスターで組み上げたシュミット・トリガー回路。

　

 

　回路図はこんなものです。
　ヒステリシスの確認時には可変抵抗器（１ＫΩのトリマポッド）に接続して調整。
　メカ接点のテストではタクトスイッチに接続して確認する。

 

トランジスタ２石のシュミット・トリガと外部回路ドライブ用のＴＲを接続している。
（ヒステリシスを大きくすると、シュミット・トリガーの出力（ＧＮＤ側）が高電位に
なってしまい、外部回路のドライブに支障が出る）

 

シュミット・トリガー回路の動作をオシロスコープで観察してみた。
観察するポイントは

① 入力（可変抵抗器の出力電圧）
② エミッタ電圧
③ コレクタ電圧

ＧＮＤレベルの確認。

 

可変抵抗器（トリマ・ポット）を調節してしきい値（ヒステリシス）の確認をした。

 

　入力電圧が２.８４Ｖ←→０.８Ｖで反転を繰り返している。　
　しきい値（ヒステリシス）は２Ｖぐらいあり、かなり広い。
　コレクタ抵抗、エミッタ抵抗の値によって変化するがこの２Ｖとという
しきい値のためにコレクタ電圧はＯＦＦ時３.６Ｖ、ＯＮ時２.３Ｖと
ＯＦＦ時の電圧が高くて問題になる。
　そのためにＴＲを１段（バッファ？）入れてある。

 

タクトスイッチのＯＮ、ＯＦＦを入力にして実験してみた。
こんなガシャガシャな波形がでてきた。

時間軸を広げてみてみると、ノイズというよりチャタリングばかりの波形だ。

 

スイッチのＯＮ、ＯＦＦ時にはこんなノイズが出るかと思っていたのだが・・・

 

ＳＷをＯＮ、ＯＦＦしたときの波形はこのような波形がほとんどだ。
立ち上がり、立下りにノイズが乗るというよりも、細かい「断」「接」が
連続する感じだ。

 

これでは細かい断続を切り取って整形してるようなものだろう。

　シュミット・トリガーは正帰還による急峻な立ち上がり、立下りを利用した
波形整形が目的だろう。
　機械式接点はノイズが悪さをするよりも「接」「断」時の機械的な振動などで
生じる接触不良が問題だ。
　これを機械的に解決するのは素人では不可能だ。
　やっぱり今までどおり、コンデンサと抵抗器を組み合わせたフィルタを使って
防止するしかないか？

　次はこの実験をしてみよう。

 

しきい値の幅を大きくした － ＯＰアンプのお勉強 －

２０２３／０７／０８　（土曜日）　曇り一時小雨

　「ＯＰアンプ回路の設計」という本を参考にして“八十の手習い”ならぬ、
“八十の物まね実験”を楽しんでいる。
　参考書の始めの項目の基本的な動作（反転増幅、非反転増幅）は何とか
実験できて「なるほど・・・」というぐらいには理解できた。（つもり・・）
　その項目の中に作動増幅とコンパレータのことも説明してありコンパレータ
の回路も掲載されていた。
　これは何か面白うそうだったので回路図のとおり組み立てて実験してみた。
　まぁ、何とか動作してくれてその不思議な動きは面白いものだった。

　「どうしてこうなるんだろう？」

　オイらのボンクラ頭ではなかなか理解できない。
　電子工作の諸先輩方からアドバイスをいただいた。（ありがとうございました。）
　それによると「正帰還」をかけた「シュミット回路」だそうだ。
　そうか、正帰還か・・・
　それに反転増幅では反転入力電圧と非反転入力電圧の高低差での出力電圧の極性が
＋になったり－になったりと切り替わる。
　正帰還と、この極性の変化を組み合わせてヒステリシス特性を設定してるのだろう。

   このしきい値を２つもったシュミット回路（コンパレータ）を使えば機械式接点を
使った「ＯＮ、ＯＦＦ」回路の「チャタリング」をキャンセルできるか？　が実験の
目的でもある。
　先日、小型のタクトスイッチを使ってマイコン（マイクロコントローラ）に接続する
テンキーを工作したのだが、スイッチのＯＮ、ＯＦＦ時に発生するチャタリングで、
疑似パルスが付加されてしまい、データーエラーが頻発して困ったことがある。
　このコンパレータを使ってそのあたりを実験してみたいのだ。

　マイコンの電源は３.３ＶなのでスイッチのＯＮ、オフ出力もほぼ０Ｖから３Ｖぐらい
なのでしきい値もそのくらいが必要だろう。
　コンパレータのしきい値設定回路の定数をいろいろ変えてなるべく大きなしきい値を
実現するようにした。
　

　

 

　実験結果では約５Ｖ←→０Ｖのしきい値が得られた。

　

 

　　さぁ、次は実際にタクトスイッチと組み合わせて実験してみよう。

　　（タクトスイッチからのチャタリングが「ノイズレベル」なのか、
　　　まったくの「断続（５Ｖ←→０Ｖ）」なのか？？？
　　　まったくの「断続」に対しては防御不能であろうと想像されるが・・・）

 

＋（非反転入力）電圧波形の歪みは入力保護ダイオードが原因だった － ＯＰアンプのお勉強 －

２０２３／０７／０６　（木曜日）　晴れ

　ＯＰアンプ・コンパレータ―の動きが少しずつ理解できるようになった。
　そこで今度はしきい値の幅（ヒステリシス）を大きくしてみようと実験を繰り返している。
　その中でおかしなことに気が付いた。
　－（反転入力）に加える電圧を変化させると、しきい値を表示している＋（非反転入力）の
電圧もー（反転入力）の電圧変化に追従して変化するのだ。
　しきい値の設定範囲が狭いうちは気にならなかったが範囲が大きくなると、これは何だか
おかしいぞ・・・、と思うようになった。

 

　
　ひょっとすると「過大入力からＯＰアンプを保護するため」に取り付けてあるダイオードが
原因かもしれないと思い、それを取外してみた。

 

 

　ダイオードを取外してみると、＋（非反転入力）の電圧は歪まなくなった。

 

　まぁ、常識では何ボルトあるようなヒステリシスは設定しないのだろう。
　ダイオードの順方向電圧降下（０.６Ｖ～０.７Ｖ）以下のしきい値で実験していれば
何の問題もなかったはずだ。

　常識外れのオイらの実験ではしきい値の幅（ヒステリシス）は今のところ２Ｖぐらいにまで
広がったが、小型タクトスイッチを使用したときに発生するチャタリングを無くす実験委は
しきい値を５Ｖぐらいまでに広げたいと思っている。

　　　　ガンバロー・・・っと！
　

しきい値を越える、越えないが重要 － ＯＰアンプのお勉強 －

２０２３／０７／０２　（日曜日）　晴れ

　ＯＰアンプのー（反転入力）、＋（非反転入力）、出力の端子だけをターゲットにして
回路を組み、反転入力、非反転入力の電圧の大小で出力にどんなものが現れるのかを
実験してみた。

　反転入力が非反転入力より、ちょっとでも大きくなると、出力にはー電源電圧に近い値の
電圧が現れる。（－（反転入力）　＞　＋（非反転入力）　→　ー電圧（飽和）出力）

　逆に非反転入力が反転入力より、ちょっとでも大きくなると、出力には＋電源電圧に
近い値の電圧が現れる。（－（反転入力）　＜　＋（非反転入力　）→　＋電圧（飽和）出力）

　回路に負帰還回路が無いのでＯＰアンプは入力をイマジナルショートにしようとして
目いっぱい頑張って出力しているんだろう。

　これはＯＰアンプの裸特性（オープンループ）を測定していることで、ＯＰアンプは
８０ｄｂ以上の増幅度をもっているんだそうだ。
（ＯＰアンプ工作の先輩から教えていただきました。　ありがとうございました。）

　その高感度のため、作業机上を埋め尽くしているノイズが配線に混入して増幅されて
ー、＋の大小判定が入り組んで出力が＋になったり、―になったりバタバタを繰り返し
てしまう状態が現れた。（これがチャタリングだな・・・）

　やっぱり入力の大小を比較するには「これ以上は＋、これ以下はー」という、判定ラインを
設定しなくてはならない。
　回路が難しくて理解できないから、省略してしまおう、なんていう横着は通用しないのだ。

 

参考回路図からしきい値設定部分の回路だけを組んで実験してみた。

 

反転入力、非反転入力の大小差でＶｏｕｔ（出力）が＋９Ｖ、－９Ｖと逆転することを
利用してしきい値を設定してる。
　特にＲ１の値とＲ３に加える電圧がしきい値に大きく関係している。

　・Ｒ１の値を小さくするとしきい値の間隔大きくなる。

　・Ｒ３に加える電圧を低くするとしきい値の間隔は大きくなる。

 

　しきい値関係の抵抗や結合電源の関係が少しわかった。（えっ、本当にわかったの？（疑わしい））
　そしてそのしきい値を横切る入力電圧を変化させるのはとても微妙な調節がひつようだった。
　普通の回転式のボリューム抵抗器では調節できない。（摺動片のバックラッシュも大きい）
　そこでジャンクのトリマポットをブレッドボードに取り付けられるようにした。
　実習生が使う部品はほとんどがジャンク品だ。

　 　　

 

さぁ、実験を始めよう。

　オペアンプのコンパレータは直流増幅だ。
　そしてしきい値を横切る変化は微小だからそれを観測するためにはオシロスコープを
高感度にしなくてはならい。
　変化そのものは微小だが電圧は大きい。　すぐオシロスコープの観測範囲をオーバーして
ラスターが見えなくなってしまう。
　そんなわけでオシロスコープで観測できる範囲だけの測定になってしまった。

　おぉー、しきい値がわかる。
　入力電圧を徐々に上げていく（トリマポットのネジを時計回りに回す）と、やがて
入力電圧はしきい値に達したのち、少しでもオーバーするとＶｏｕｔ（出力）は反転して、
ー最大値まで下がる。
　同時にその影響で、しきい値も低下する。

　その後、トリマポットのネジを反時計回りに回転させて入力電圧を低下させていくと
やがて先ほど低下したしきい値に達して少しでも下回るとー入力が反転して＋極性に
増幅されてVout（出力）は＋側最大値になる。
　同時にその影響で、しきい値も上昇する。

 

　Vout（出力）が＋極性からー極性へ切り替わるしきい値は４９６ｍVだ。
　Vout（出力）が切り替わると同時にしきい値は３９６ｍVに変化する。
　その差は１００ｍV。
　－（反転入力）にノイズが乗っていても３９６mV以下にならなければ
出力は反転しないはずだ。

 

 

　しきい値の幅を大きくしてみた。
　上側しきい値は９５２ｍＶ、下側は６２４ｍＶでその差は３２８ｍＶある。
　この差が大きいとトリマポットのネジを回すのが大変だ。
　
　このときはしきい値のラインが歪んで表示された。　なんでだろう？　

　

 

　ー（反転入力）の電圧をゆっくり変化させてみた。
　しきい値設定なしの実験では変換点付近でチャタリングが発生したが、
今回は緯度もチャタリングは発生しなかった。

 

　　なるほど、しきい値の動作ってこんな動きをするんだ！
　しきい値を設定する回路の動きは理解できた。（えーっ、ほんと？　怪しいな・・・）
　　次はこの回路を使って「タクトスイッチで発生するチャッタリング」をなくせるか
　実験してみます。　お楽しみに。

 

チャタリングを確認した － ＯＰアンプのお勉強 －

２０２３／０６／３０（金曜日）　曇り

　オペアンプの“お勉強”の題材としてコンパレーターを選んでみたが
「実習大好き、勉強苦手」の実習生には荷が重かった。
　そこで、しきい値の設定など余計な回路を除いて＋－の入力端子と
Ｖｏｕｔの出力端子を設けただけの実験回路を組んで動作確認をしてみた。
　作業机の周りはノイズだらけだからそのノイズでチャタリングが発生
するだろうと思っていたが、チャタリングはほとんど発生しなかった。

「ふーん、こんなものかなぁ・・・」

と思いながらも、何か腑に落ちない。
そこで、今日また同じような実験を繰り返してみた。

すると・・・・・

　

　＋（非反転入力）電圧を一定値にしておき、－（反転入力）電圧をゆっくり変化させて
＋（非反転入力）電圧に近づけていくと必ずチャッタリングが発生することを確認した。

 

 

　チャタリングは入力端子のノイズに合わせて発生しているみたいだ。

　ー（反転入力）の電圧が降下していく時にも発生する。

 

　なるほど・・・
　正確な動作をさせるにはノイズ電圧より高い「しきい値」を設定してＶｏｕｔ（出力）が
反転すると同時に＋極性、－極性に合わせてしきい値を変化させる必要があるんだ。
　やっぱり「しきい値」の設定回路を勉強しなくてはダメだ。

　あぁー、頭が痛くなってきた、　今日はもう寝よう、お・や・す・み・な・さ・い・・・・