楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

LED工作の味付け用IC:

10進カウンタICとシフトレジスタIC

この記事は主に電子工作を楽しむ記事を紹介していますが、デジタルICと呼ばれるものであっても、使えそうなものがあります。

例えば、LEDを流れるように次々と点滅させる使い方で、この、10進カウンタICやシフトレジスタICが使えます。

  

もちろんこれらはデジタル用途に使われることが絶対的に多いのでしょうが、安価ですし、使い方も難しくないので、ぜひアナログ用途でも使えるICです。

  

このICの動作では、「10進カウンタIC」はスイッチを押すごとに並んだLEDを順番に点灯させる用途に使えそうですし、「シフトレジスタIC」はスイッチを押すと、自動的にLEDを順番に点灯させる・・・という感じのものに使えそうです。


ただし、テスト的な回路なので問題もあります。 

回路を組んでみると、手動で機械的なスイッチをON-OFFさせると、「チャタリング」(接触不良などで何回もスイッチが押された状態になる)によってLEDの点灯の順番が飛んでしまうなどの不具合もあります。

これについては、スイッチの種類を変えてみたり、機械的なスイッチを使わない方法をあわせて検討しなくてはいけないようですが、これらのデジタルICを知っておくと、何か面白いことに使えそうです。

ともかく、どんなものかを見ていきたいと思います。



【注意】この記事は専門的なものではなく、気軽にICを使うためのヒントにしていただくものですので、そのつもりでお読みください。


10進カウンタIC: TC4017BP

TC4017BPのピン接続図

「10進カウンタIC」でWEB検索すると、このTC4017の記事が多く出てきます。

ここで使用するのは東芝製の16ピンのICで、3-18Vの電源で使用できる安価なICです。

同様のICに、10進ジョンソンカウンタと呼ばれるものや、その他の型番もあるのですが、型番内に「4017」とあれば同様の使い方ができそうなので、データシートをみて、この記事のように使用できるかどうかを確かめるといいでしょう。


ここでは、TC4017BPで簡単な使い方などを説明します。

このICのNo.16ピンVDDは+電源です。 ここではいつものように5Vを使いますので、 No.8ピンのVssは、GND(0V)とします。

そして、No.14ピンのCLOCKにパルス電圧をすると、Q0からQ9まで、順次にVDDが出力される・・・というICです。

「パルス」は短いON-OFF入力と考えて、最初に、手動でスイッチをON-OFFさせてどういう動作になるのかを見てみます。 そしてその後に、タイマーICを使って連続的なパルス電圧を入力して動作させてみることにします。

TC4017BPを使った回路の一例

下の図はLED点灯の様子を調べるための回路例です。

パルス入力ピン(No.14)につながる「順送りスイッチ(CLOCKへの電圧入力)」を押すとLED1→LED2・・・と順次に点灯するはずです。 

リセットスイッチ(ブレーク接点)を押すと、LED1に戻ります。

No.14ピンへは、電流制限抵抗(1kΩ)を入れています。(多分、なくてもICは保護されていて問題ないはずです)

また、No.12ピンはLEDの数を増やす場合に使用するピンのようですが、今回は使いません。

LED点灯用の今回の回路

ブレッドボードに回路を組みました。

ブレッドボードに回路を組んだ様子

ここではLEDを点灯させているだけですので、電流値が小さいので特に問題はないのですが、各ピンから出力されている電流はデータシートによると数mAですので、たくさんのLEDを点灯させたり、リレーなどを使うには電流不足になります。 次のような増幅回路をつけるといいでしょう。

リレー回路を付加する場合(参考図)

ここでは考える回路は簡単なもので、順送りスイッチを押すとLEDが順番に光るという回路にしています。

点灯が10まで行くと、はじめのLEDに戻ります。 リセットスイッチが押されると、1番目のLEDに戻ります。

ただ、機械的なスイッチを使っているので、どうしてもスイッチ内で目に見えないチャタリングが起こってしまい、順番に点灯しないことや大きく順番が飛んでしまう・・・などが起こってしまいます。

このチャタリングは根本的な対策は難しいのですが、スイッチの形状種類で起こりやすものと起こりにくいものがあるので、異常が発生するようならば、色々なスイッチを試してみましょう。

さらに、完全対策としては、機械的なスイッチを使わないようにすることですが、ここでは一例として、デジタル的な使い方になりますが、タイマーICでパルスを出して、一定時間ごとに次々に点灯するようにしてみます。

これは標準的な使い方になるのですが、No.14ピンのCLOCKに「タイマーIC」から一定の間隔でパルスを送る方法にすれば、きっちりと順送りに点灯してくれるようになるはずですので、タイマーIC「NE555P」を使って試してみましょう。


タイマーIC NE555P

このICについてはこちらの記事でも取り上げていますが、8ピンのICで、NE555Pのデータシートには下のように、ON-OFF時間、周波数、ディーティー比などが計算できることが示されており、価格も安くて、いろいろなタイプが製造されています。 

型番に「555」とあれば、同じようなものとして使えますが、私は、TTL(バイポーラ仕様)で安価でラフに使えるので、このNE555P を多用しています。

以下のように、データシートには、発振周期などが示されています。

NE555の基本回路(データシートより)

今回は次のような回路にして、そのCとRを各2種類にしてオシロスコープを使って周期を実測してみました。

今回の試験回路図

Vppは出力電圧で、Fは発振周波数です。

このAの組み合わせに対して上のデータシートの計算式から周波数fを計算すると、21.8と計算されて実測値と合っていますので、計算式で計算して、 R1・R2 を変えるのがいいでしょう。 

部品の値を大きく変えると方形波の波形が崩れますが、スイッチのために利用するなら特に問題なさそうです。

数十Hzでは速すぎる感じがしますので、もう少しR1・R2の値を大きくして周波数が1Hz前後にすれば手動でスイッチを押したくらいになります。

例えば、1秒間隔にしたいのであれば、計算式の 1=0.693x3Rx10μ から、R1=48kΩ、R2=24kΩにすればいいということになります。

手元にある R1=20kΩ、R2=48kΩ、C1=10μF を使って、その発振周期を実測すると、約0.6秒 の周期でしたので、この出力(No.3ピン)を上のTC4016BPの回路のNo.14ピンに入力すればいいことになります。

写真の順送りスイッチは使っていませんが、タイマーをスイッチ代わりにすると、こんな感じで、10個のLEDが順次点滅します。

ブレッドボードで発振回路とカウンタ回路を組んだ様子 

写真の状態では、0.6秒間隔でLEDが左から右に流れていくのを繰り返します。 途中で左のリセットスイッチを押すと、一番左側に移ってから、再び、順に右側に移って点灯します。

手動スイッチではチャタリングの影響を受けましたが、タイマーを用いると定期的な周期でLEDが点滅移動します。 

楽天ブックス

次に同様に順次にLEDを点滅させることに使えそうな、シフトレジスターと呼ばれるIC「74164」について見てみましょう。

シフトレジスターIC: TC74HC164AP

シフトレジスターもデジタルように使われるICです。 初心者の私にはデータシートの内容も十分理解できないのですが、手探りで使ってみました。

このICは、8-Bit Shift Register (S-IN, P-OUT) と称されており、ピン接続図の「シリアル入力 1番と2番ピン(AとB)」に電圧が入力されているときに、8番ピンの CK に「立ち上がり」の電圧が加わると、「準備完了信号」が内部レジスタに登録されて、クロックCK が立ち上がり、その度ごとに QA-QH の各ピンに出力されるという動作をする(これをパラレル出力と表現されています)・・・ とデータシートには説明されています。

つまり、これはどうも、上の10進カウンタICと違って、タイマーICを使った「クロック用のパルス」は必要のようです。

言い換えると、手動スイッチで個別に順送りしたり、手動でリセットすることはできても、LEDが移動点滅している状態で一時停止させること・・・などはできないようです。

もちろん、入力するクロックのスピード(周期)を変えれば、LEDが移り変わる速さが変えられますし、スイッチをONするタイミングでICの動作が始まります。

つまり、これを用いて、光が自然に流れていくようなことをさせることができそうです。

例えば、ドアを開けるとウエルカムボードのLEDの光が流れる・・・とか、手をたたくとスイッチが入って、光が順に点滅して、同時にハッピーバースデーの曲が流れる・・・といったようなことができそうだとイメージできます。



「シフトレジスタIC」をWEB検索すると、いろいろな型番の製品があります。

「***164や***595」という型番が多く使われているようですので、ここでは東芝のTC74HC164APをつかって、アナログ的に、上で考えたような点滅順送りの動作が使えそうかどうか・・・を見てみることにします。

東芝のTC74HC164APシフトレジスターICのピン接続図

これは14ピンのICです。 一般的な使い方は、CK(クロック)端子へ上のタイマーIC「555」などを使って方形波を入力すると、出力QA-QH にLEDをつないでいれば、QA→QB→QC・・・とLEDの光が流れていくような動作になるはずです。

ここでは動作をわかりやすくするために、タイマークロックを使わないで、スイッチを使って入力をすることでどのような動作をするのかを見て、その後に、上で用いたNE555Pを用いたタイマー出力を8番のCKピンに入れる回路で点灯の様子をみて見ようと思います。

(この結果を言えば、スイッチ操作ではうまくいきませんでした)

TC74HC164APの動作確認用回路例

TC74HC164APを使った回路例

この図で、SW_Aを押しながらSW_CKを押すとNo.3~No.13ピンのLEDが順番に光ってくれるだろう ・・・ と考えました。 

しかし、ブレッドボードに回路を組んでみると、どうも動作が不安定です。

ブレッドボードに組んだ様子

スイッチのチャタリングも手伝うのか、同じように決まった動作をしてくれません。

回路は、ブレッドボードに部品を足の長いまま挿しているだけですので、浮遊容量(寄生容量)か何かの問題があるようで、手を近づけると次うの動作をしたりして、一応の動作はするのですが、安定して動作しません。

はっきりした原因がわかりませんが、この状態では対策は難しそうなので、この手動スイッチで動作させるやり方はいったん中止して、上で作ったNE555Pを使ったタイマーを用いて動作させてみることにします。

タイマーでタイミングを取るようにした場合の回路

右側かタイマー回路で、このような状態になりました。 しかしこれも何か変な動作です。

作動させると、連続的に8つのLEDが順次点灯する動作を続け、リセットボタンを押すと全部が点灯状態になり、通常に戻すと、また、連続的に順次点灯する・・・というように、一応は正常な動作をするのですが、困ったことに、作動スイッチ押さなくても、手とスイッチに近づけると「ON状態」になってしまいます。これも浮遊容量の問題でしょうか?

このために、このTC74HC164APを使った記事は推奨できるものではありませんので、もう少し検討してみます。 

ただここでは、このようなデジタルICでも、「このようなことに使えそうだ・・・」ということだけは確認できましたので、安価なICですので、みなさんも挑戦していただきたいと思います。

もう少し検討して、確実に動作することがわかれば記事を追加したいと思います。

以上、10進カウンタとシフトレジスタICについて紹介しました。

うまくいかないことも楽しいこと・・・

今回の紹介は未完成で終わってしまいましたが、このHPでは、電子工作のヒントになるようなことを紹介していますので、失敗も含めて「ヒント」になれば・・・と思っています。

このような記事は専門家から見ると、レベルの低いものかもしれませんが、ともかく、いろんな記事がWEB上に増えれば、もっと電子工作を楽しむ人が出てくるはずだと考えて、さらなる記事を紹介しようと思っています。

書いている内容は実際に作って動かしたものですので、内容は事実で、それが理論上正しいかどうか・・・などは専門家でないのでわかりません。 もしも問題点、コメントなどがあればこちらのメールフォームを利用ください。

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