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アナログ的に楽しむためのヒントを紹介していますが、LEDが流れるように点滅させたり、次々に点灯させるために、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多いのですが、安価ですし、使い方が簡単なので、ぜひアナログ的に使ってみたいICです。

この動作を簡単に言えば、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ますし、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、実際に回路を組んでみると、非常に感度が高いこともあるのか、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るのですが、機械的スイッチを使わない方法などを組み合わせると、それも解決するので、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

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

10進ジョンソンカウンタと呼ばれるものや、その他の型番であっても型番内に「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使用できるかどうかを確かめるといいのですが、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を使うことにして、さらに、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入力と考えるといいので、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た後で、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

下の図はこの様子を見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・・・と順次に点灯します。 

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、それがなくてもICは保護されていて問題ないと思うのですが・・・)

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

ブレッドボードに回路を組みました。

ここではLEDを点灯させているだけですので問題ないのですが、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るので、この場合は増幅回路をつける必要がありそうです。

(参考図)

ここでは簡単なものにして、順送りスイッチを押すとLEDが順番に光るという回路です。

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おり、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すが、根本的な対策は難しそうです。

その対策の一つは、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、一定時間ごとに次々に点灯するように、No.14ピンのCLOCKに「タイマーIC」などを用いて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おり、これも「555」とあれば、同じようなものと考えていいでしょう。

データシートの一部に発振周期などが示されています。

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実測してみました。


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、計算式からR1・R2を変えるのがいい感じのようです。 

部品の値を大きく変えると元々方形波であった波形が崩れますが、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ので、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。

手元にあったそれに近い部品 R1=20kΩ、R2=48kΩ、C1=10μF を使って回路を組んで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。

写真には順送りスイッチがついたままですが、こんな感じで、LEDが順次点滅します。

 

写真のように電源をつなぐと、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。


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

シフトレジスターについては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、このICは、8-Bit Shift Register (S-IN, P-OUT)と称されるように、上のピン接続図の「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が立ち上がるごとに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、クロック用のパルスは必要のようですし、スイッチで個別に順送りしたり、リセットはできても、LED移動している状態で停止させることなどはできないようです。

入力するクロックスピードを変えれば、LEDが移り変わる速さが変えられますので、スイッチを入れるタイミングで動作が始まり、光が自然に流れていくようなことをさせるのに向いていると言えそうです。

これは例えば、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な感じです。

「シフトレジスタIC」とWEB検索すると、いろいろな型番の製品があるのですが、「***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をアナログ的に使って、その動作などで使えそうなものがあるかどうかを見てみることにします。

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というものです。

ここではアナログ的な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た後に、上で用いたNE555Pを用いたタイマー出力を8番のCKピンに入れる回路をみて見ようと思います。

TC74HC164APの動作確認用回路例

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はずです・・・ 

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。

スイッチのチャタリングが起こって、動作が不安定なうえに、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)やほかに何かの問題があるようで、思うように動作しません。

原因がわかりませんが、どうもこの状態での対策は難しそうなので、この状態でいったん止めておいて、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。

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で、動作もうまくいっていない感じです。

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。

このようなこともあって、この項目については、回路図などの詳しい内容はつけていません。

このICは「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、これはこれで置いておいて、後日にもう少し検討して、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、内容は事実ですが、それが理論上正しいかどうか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からお受けして検討させていただきます。

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