カウントダウン・タイマー
回路説明
  分カウンター回路 カウンターには７４ＨＣ１９２(Presettable Synchronous Up/Down BCD Counter)を使用しています。 減算ができるカウンターはこれ以外にも７４ＨＣ１９０などもありますが、秒カウンターでクリア端子を使用したかったのでこのカウンターを使用しました。クリア信号は不要かもしれません。 秒カウンターからのパルス信号（１分に１回）をDW(Count Down)に入力します。カウンターはその信号の立ち上がりでカウントダウンを行います。 カウンターが０になるとBR(Borrow：借りる)の出力がＬ（ローレベル：0V）になります。次に９になるとＨ（ハイレベル：+5V）に変化します。これにより上位のカウンターを一つカウントダウンします。 LD(Load)端子がＬ状態のとき、ＢＣＤ−ＳＷによりカウンターの初期値を設定することができます。この状態のとき、ＢＣＤ−ＳＷの設定値と同じ値が表示部にも伝わるので、表示部で設定値を確認することができます。今回はサムホイール・スイッチを使用しましたので、わざわざ表示で確認しなくても分かります。 LDがＨ状態でないとカウントアップ／カウントダウンは行われません。LDの状態はタイマーの動作を制御している制御回路でコントロールされます。 ＢＣＤ(Binary Coded Decimal)カウンターは０から９までを扱うカウンターです。ＢＣＤカウンター以外にバイナリーカウンター(Binary Counter)があります。バイナリカウンターは０から１５までを扱うカウンタで、１６進（Hex：ヘキサ）カウンターとも言います。 秒カウンター回路 秒カウンターとして７４ＨＣ１９２を使用しています。 秒カウンター回路でのポイントは００秒の次が９９秒でなく、５９秒にする点です。 回路は簡単です。 秒表示の１０位が９になるとNANDゲートの出力がＬレベルなります。この出力をLD(Load)に入力します。LDがＬレベルになるとプリセットの入力がカウンターに設定されます。今回の回路ではプリセットとして「５」を設定しています。「５」がカウンターに設定されるとカウンターの出力も「５」になります。それによりNANDゲートの出力はＨレベルになりますが、既にカウンターには「５」が設定されましたので、関係ありません。 以後、５からカウントダウンが行われます。 一瞬、カウンターの出力は「９」になりますが、すぐに「５」に設定されます。目では見えません。 カウントアウト検出回路 カウンターのＢＲ端子にはカウント値が０になるとＬレベルが出力されます。 各々のカウンターのＢＲをインバータで信号反転し、NANDゲートに入力します。全てのカウンターのＢＲ端子がＬレベルになったときだけ、NANDゲートの出力がＬレベルになります。 スタート・ストップ制御回路 タイマーの動作を制御（スタート／ストップ）する回路としてNANDゲートを使用したＳＲタイプフリップ・フロップ（ＦＦ）を使用しました。 N1がストップ用、N2がスタート用です。 ＳＲタイプＦＦの動作については「Ｄタイプ フリップ・フロップの動作」を見て下さい。  スタート時の動作分カウンターの設定値が００でないときはタイムアウト信号がＨになっています。このときにスタートスイッチが押されると、Ｉ１の出力がＨになり、N3の出力がＬになります。N3の出力がＬになるとN2の出力がＨになります。 電源ONﾘｾｯﾄ信号は電源投入直後はＬになりますが、その後はＨになっています。ﾀｲﾑｱｳﾄ信号もＨですので、N1の入力は全てＨになり、N1の出力はＬになります。N1の出力は秒カウンターのクリア端子に接続していて、Lになるとクリア状態が解除されます。 スタートスイッチがＯＦＦになるとN3の出力がＨになります。しかし、N1の出力がN2の入力に接続されているので、N2の出力はＨ状態のままです。（タイマー動作中状態） タイムアウト時の動作タイマーがカウントダウンを行い、００分００秒になるとタイムアウト信号がＬになります。これによりN1の出力はＨになります。N3の出力はＨですので、N2の出力はＬになります。 スタート・ストップ制御回路の出力(N2の出力)は分カウンターのLD(Load)端子に接続されていて、この出力がＬになると分カウンターにはＢＣＤスイッチの設定値がセットされます。ですから、タイムアウト信号はすぐにＬからＨに変化します。N2の出力(L)はN1の入力に接続されています。タイムアウト信号がＨに変わってもN1出力はＨのままです。N1の出力がＨになると秒カウンターがリセットされます。 スタートスイッチが押されていないとＩ１の出力はＬなので、N3の出力はＨになっていてN2の出力はＬのままになります。（タイマー停止状態） タイマースタートのガード分カウンターの設定が００分の場合、タイムアウト信号はＬになります。この状態でスタートスイッチが押されるとＩ１の出力はＨになりますが、タイムアウト信号がＬなのでN3の出力はＨであり、N1およびN2の状態は変化しません。タイマー停止状態のままです。 スタートスイッチ回路スタートスイッチ回路は微妙な電圧で動作します。プルアップ抵抗は小さい方がノイズの影響を受けにくくなります。（極端に小さくしてはいけません。数百Ω以上） スイッチまでの線が長い場合にはシールド線を使用した方が良いです。 スタート・ストップ制御回路では以下のような制御を行っています。
１秒クロック発振器 ＮＥ５５５を使用した発振器です。周波数は以下の式で計算出来ます。（誤差は出ます）  実測では VR1+R4 = 5.7kΩ でほぼ１Ｈｚになりました。 部品の誤差もありますが、1kΩの可変抵抗器で１Ｈｚの発振周波数に調整できます。 ＮＥ５５５による発振器の詳細は「５５５発振器」を見て下さい。 クロックゲート回路 クロック発振器で作られた１秒のパルスをカウンターのカウントダウン端子(DW)に入力し、カウントダウンを行います。 ０分０秒になったときにカウントダウンを停止しさせます。カウントダウンの停止はN3の入力をＬレベルにすることにより行います。カウンターを停止させるときカウントダウン端子をＬレベル状態で停止させます。Ｈ状態で停止すると各カウンターのBR端子がＬ状態でなくなるため、０分の設定時にカウンタースタートを抑止することができません。 最初に作成した回路ではこのことを考慮していませんでした。 表示ＬＥＤドライブ回路 ７セグメントＬＥＤにはアノードコモンタイプを使用します。 ＬＥＤの発光輝度はＬＥＤの種類によって違います。 今回のように種類の違うＬＥＤを並べて使用する場合には、抵抗器の値を変えて輝度を調整します。 ＬＥＤの種類により最大電流が違いますが、一つのセグメントの電流は10mA以下になるように調整するのが無難です。 ＤＰ(Dot Point)を点灯させる場合も同様に抵抗器で電流を調整します。 ＬＥＤドライバとしては７４ＬＳ２４７を使用しました。 ＢＣＤ入力とＬＥＤセグメントの関係は「デジタル・ダイアル 回路説明」を見て下さい。 リレー駆動回路 タイマー動作中に外部の回路を駆動するために継電器（リレー）を使用します。リレーの駆動電流はリレーの種類により異なりますが、今回使用したリレー(OMRON製のG2VN-237P)は約３０ｍＡの電流で動作します。 タイマー制御回路のNANDゲート(74HC00)の最大出力電流は４ｍＡですのでリレーを直接駆動することはできません。そこで、トランジスタ(TR1)を使用した駆動回路を設けます。今回使用したトランジスタ(2SC1815)の直流電流増幅率(hFE)を１００としてＲ５の値を以下のように計算します。hFEは分類により値が違います。 コレクタに３０ｍＡの電流を流すためのベース電流は1/hFE=1/100なので０．３ｍＡ(300μA)です。NANDゲートのＨレベルの電圧は＋５Ｖで、トランジスタ(TR1)のVBEは約０．６Ｖですので、Ｒ５に加わる電圧は（５−０．６）＝４．４Ｖです。この電圧で０．３ｍＡの電流を流すための抵抗値は４．４Ｖ／０．３ｍＡ＝１４．７ｋΩになります。この値ではリレーを駆動するギリギリの値で余裕がありません。そこでNANDゲートの出力電流を考慮して５．６ｋΩにしました。この抵抗値の場合、ベース電流は４．４Ｖ／５．６ｋΩ＝０．７９ｍＡになり、NANDゲートの出力許容電流以下です。また、コレクタ電流も計算では７９ｍＡ流れることになります。でも、７９ｍＡは流れません。リレーの駆動電流（約３０ｍＡ）までしか流れません。すなわち、トランジスタは飽和状態（ベース電流が多少変化してもコレクタ電流は変化しない状態）になります。コレクタとエミッタ間の電圧はほとんど０Ｖです。 トランジスタでの回路を使う場合、入力と出力の位相が１８０度変わることを考慮する必要があります。 NANDゲートの出力がＨレベルのとき、トランジスタのコレクタ電圧はＬレベル（０Ｖ）になります。 タイマー初期化回路 電源を投入したときにタイマーを初期化する回路です。 コンデンサと抵抗器を使用した簡単な回路です。 電源を投入すると電源電圧が上昇します。電源投入直後ではコンデンサに電荷が溜まっていないので、コンデンサの両端の電圧はすぐには上昇しません。N1の入力はスレッショルド電圧以下ではＬレベルになり、タイマー制御用のフリップ・フロップ（ＦＦ）をタイマー停止状態にします。 コンデンサに電荷が溜まり終わると、コンデンサの電圧は上昇し、リセット動作は終了し、タイマー動作制御が可能な状態になります。 電源回路 今回、私が作成したタイマーは電源として＋１２Ｖと＋５Ｖを別々に供給するようにしました。（両方の電圧が出る電源装置があったからです）＋１２Ｖだけで動作させるためには３端子レギュレータを使用します。 ３端子レギュレータを使用した場合には外部から＋５Ｖの電源を供給してはいけません。 ＋５Ｖを外部から供給する場合には３端子レギュレータを実装してはいけません。 |
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