楽しく遊ぶための初心者にもわかる電子工作のヒント

ボルテージディテクタやリセットICはどう使う?

この記事は主に電子工作で使えそうな電子部品をアナログ的に、気軽に使うためのヒントにしていただくもので、初心者にも理解しやすいようにアレンジして紹介しているものです。


パソコンなどの定電圧供給が重要な機器が、使用中に急に電圧が下がったときに回路を遮断したり、立ち上げ時に一定の電圧になるまでONするのを待機する目的・・・などで使用されるのが「低電圧ボルトディテクタ」と呼ばれるICで、「リセットIC」と呼ばれるものも同様の仲間です。

このICはその他、一時的な過電圧を検知したり、蓄電池の充電が完了すると電源を遮断したり、使用中の蓄電池が(バッテリー)が設定電圧以下になるとランプで知らせる・・・など様々なことに応用して使われています。

この動作や機能を素人的に考えると、「コンパレータをつかって電圧判定して結果を出力している・・・」と推定できると思いますが、これらのICには、コンパレータ機能に加えて、動作の遅延回路を備えることでチャタリングのような短時間変動に対して安定になるように考えられていたり、電圧の異常状態が解消されると元の状態に復帰する「リセット機能」などが内蔵されているものなどがあって多機能ですので、これらの概要や使い方を知っておくとなにかに役立つでしょう。

ここでは手元にある、低電圧ディテクタ R311N-211Aと 電圧検出システムリセットIC M51957B でその動作の様子などを見ることにします。



低電圧ボルテージディテクタR3111-211A

R3111はRICOHの当該製品で、Nchオープンドレイン(Aシリーズ) とCMOS(Cシリーズ)の2つのタイプがあるのですが、Aシリーズのほうが汎用性が高く、ラフに使えそうなので、Aシリーズの211Aを用いて説明します。

この211Aは2.1VをON-OFFの判定基準にしている(これを「検出電圧」といいます)製品ですが、品名に「低電圧」とあるのは、RICHOの説明では「乾電池1つから使用できる」として、0.9V-6Vで0.1V刻みで製品をラインアップしているようです。

このために、もしも5Vを常用して使うのなら、5Vを基準にして検出電圧が4.8Vとか5.3Vのような製品を選ぶほうが確実で使いやすいでしょう。

しかし、それらラインアップされているものすべてが「小口」で入手できるかどうかわからないので、一般的な電子工作でこの製品を使う事を考えて、この記事では、211Aを使って5Vの電源電圧で使った場合の状況をあわせて紹介しています。

DIP化したディテクターIC R3111の接続キー

このICは、写真のように、組み込み用(表面実装タイプ)のICで非常に小さいので、ここでは秋月電子さんで販売しているDIP変換用基板「SOT23変換基板」とピンを使って、ブレッドボードで配線できるようにしました。

DIP化時のはんだ付け要領

自分ではんだ付けする必要がありますが、このような変換基板へのはんだ付けは、そんなに難しくはありません。 

私は、このような尖ったコテ先のものを使うのがやりやすいのですが、こちらのページ中段で紹介しているような平べったい先端のものでもうまくいきます。参考にしてトライしてください。

Nchオープンドレインとは、出力側のFETが1つのタイプで、これは、電圧監視をしたい後段の回路がディテクタと電源電圧が異なっていても、プルアップ抵抗を介して使用できるという使いやすさがある・・・と説明されています。 これは後で説明しますが、もう一方のCMOSタイプは出力段のFETが2つのもので、プルアップ抵抗無しで使用できます。

RICOHでは「このICは完全無調整・・・」と謳っていて、0.1Vごとの検出電圧で型番が用意されています。 このR3111-211Aは検出電圧が2.1VのNchオープンドレインタイプということになります。

この検出電圧を境にして電源の電圧が上下すると出力電圧がON-OFFします。 もちろん若干のヒステリシス(電圧を上げていった場合と下げていった場合で境界値が異なること)がありますが、211Aの場合は、2.1V±0.05Vの検出精度、ヒステリシス幅も約0.1V程度と非常に高精度です。 詳しい数値はデータシートで確認できます。

データシートには色々な使い方の回路例が示されていて、色々な使い方ができそうですので参照ください。

ここではその中で、①レベルインジケータ回路(供給電圧が規定ボルト以下になったときにLEDが点灯) ②任意電源電圧検出回路(ここでは、5Vの電源電圧でR3111-211Aを使う場合)についてみてみます。

①レベルインジケータ回路

検出電圧以下に供給電圧が下がった場合にLEDが点灯する回路で、データシートの図で説明します。

LED点灯回路例

5つの端子がありますが、1・2・3の端子だけしか使いません。

LED点灯の実際

供給電圧(電源電圧)を3.5Vから下げていくと、この状態でLEDが点灯しました。そして、電圧を上げていくと2.2V程度でLEDが消灯します。つまり、2.1Vは検出電圧ということになります。

この変化点の電圧はデータシートのにある許容値内ですので、非常に高精度で「検出と復帰(リセット)」ができている・・・ということになります。

3Vで乾電池やボタン電池を使っていて、2.1V以下に電圧が低下すれば警報を出す・・・などの用途に使うことができるでしょう。

ただ、データシートによると出力電流は2mA程度ですので、大きな電流で何かを操作するには、トランジスタなどで電力増幅が必要です。 これは、後ろのシステムリセットICのところで、簡単な回をで説明します。

②任意電源電圧検出回路

次にここでは、検出電圧が2.1VのR3111-211Aをつかって、5Vの状態で使う場合はどうなるのかを見ます。

データシートの図は少し見にくいので、左から右に電流が流れているように書き直しています。

基本的には、電源電圧を2つの抵抗で分圧して、この場合は2.1Vに対応するという考え方をします。

希望電圧の設定方法

「1」の端子がOUT(出力)ですので、電源電圧が検出電圧を下回ると、いくらかの電圧が出力されます。

そうすると、例えば、出力側にLED点灯回路があるとそのLEDが点灯しますし、パソコンなどではこの出力をRESET端子に入れると回路を遮断するように動作する・・・ということになります。

これを用いて、充電電圧が規定値以上になると充電をやめるようにするとか、逆に、電池を使用していて、その電圧が規定値以下になれば警報を発する・・・・などに利用できます。

ここでは5Vの供給電圧のときの動作を確かめようとしているのですが、データシートの注意書きに「Raの値を大きくすると誤差が出る」という注意書きがあるので、それを考慮して、あまり大きくない抵抗値でRa・Rbについて考えます。(ここではヒステリシスについては特に重要でないので考えません)

希望検出電圧について、本来のVDET は2.1V で、それを5Vとして、仮にRaを1kΩとして「希望検出電圧の式」からRbを求めると Rb=724.1Ωとなりますし、Rbを1kΩにしてRaを計算すると、Ra=1381Ω・・・という値が計算できるのですが、いずれにしても中途半端な値です。

そのために、Ra・Rbは半固定抵抗を使ってRa1000Ω・Rb724.1Ω近くに抵抗値に合わせておいて、下のような回路を組んで検出電圧を測定してみました。

実際の動作の様子 検出電圧より電源電圧が下がった場合

右側のテスターが電源電圧、左側がICの2番端子に加わる電圧ですが、このように、5Vを境界にして電源電圧の変化で目的の電圧で出力制御をしていることがわかりますし、IC内部では、本来の検出電圧値(この場合は2.1V)として動作していることがわかります。 

こうすることによって、他の検出電圧のICであっても、目的の電圧で制御できます。

ただ、半固定抵抗器などは温度の変化で抵抗値が変わるという問題もあるので、ヒステリシスの幅や検出温度の正確性を求めるのならば、検出温度に会った型番を用いるのが良さそうですね。


システムリセットIC M51957

このICも、電源電圧の変動(変化)がある場合に、目的の温度で後段の回路をON-OFFさせるために使用するもので、上のボルテージデタクターと同じ用途に使用します。

動作する電源電圧は2-17Vと、広い範囲で使用できますし、検出温度の設定に加えて遅延時間の設定も比較的簡単ですので、こちらのほうが一般的な電子工作には使いやすそうです。

このICはルネサスの製品で表面実装用の小さいものなので、上と同様に、秋月電子さんのDIP変換用基板を使ってブレッドボードで回路を組みますが、ブレッドボードに直接挿して使えるDIP8ピンのICに新日本無線のNJM2103D があり、これも同様のものですので、こちらのほうが使いやすいと思います。

M51957のDIP化した状態 〃 拡大

M51957システムリセットICのピン接続図

8ピンのうち、5ピンを使いますが、上で説明したボルテージリテクターとの違いを見ると、最初から検出電圧を変えることが想定されており(入力端子)、遅延時間を設定できるという特徴があります。

M51957Aの標準仕様回路

標準的な使用回路は上のようですが、このRLは後段のロジック回路用のプルアップ抵抗で、R1・R2は検出電圧を2~15Vで設定する分圧回路、Cdのコンデンサで遅延時間を設定できるようになっています。

ここではこのHPでしばしば使っている、5Vを検出電圧として、電源電圧を振らせたときに出力の状態がどのようになるのかを見るために、下のような回路でその様子を見ます。

今回のM51597Aの実験用回路

R1・R2は大きくないほうがいいとの説明がありますので、ここではR1=1kΩ、Cd=0.1μFにして、検出電圧=5Vになるように、上の式からR2を求めるのですが、より正確にするためR1の実測値は0.99kΩでしたので、それで計算するとR2=5.24kΩとなります。

中途半端な数字なので、ここでは、10kΩの多回転の半固定抵抗器を使ってR2を5.24kΩにして回路を組み、電源電圧を4~6V程度に変えて、検出電圧が出てくるところを調べました。

ブレッドボードに回路を作った

すると、下のように検出電圧が5Vで出力が切り替わっていることがわかります。

検出電圧5V 以下で出力0ボルト 5V以上で電圧が出力される

高い電圧から下げてきても、5±0.1V以内で切り替わりますので、上の計算式は、「約1.25・・・」と「約」がついていますが、かなり高精度で切り替わることがわかります。

次に遅延時間を決めるコンデンサCdについて見てみますが、実際の回路を考える場合は、5Vの電源を用いるので、何らかの原因で4.5Vに電源電圧が低下した時を想定して、検出電圧を4.5Vとして再計算すると、R2=2.54kΩとなるので、それで回路を組んで、同様に検出電圧を見たのが下の写真です。

検出電圧を4.5V に設定 4.5Vを超えると電圧が出力

やはり正確に4.5Vの検出電圧が捉えられています。

そして、Cdをセラミックコンデンサを使って0.1μF・10μFから30μFに変えて低い電圧(たとえば4.3V)から4.5V以上になってからの遅延時間を見ると、計算では、10.1μの場合は34m秒、10μでは3.4秒と計算されますが、目測での感じではそれよりも短めの感じですので、遅延時間は「約」と考えておくといいでしょう。

また、低い電圧から上げていくと遅延時間が有効に働くのですが、高い電圧から下げていって4.5V以下になったときは、遅延時間なしで、すぐに出力電圧が0Vになります。

また、コンデンサを変えると、出力電圧も微妙に変わります。容量が大きくなると、若干ですが出力電圧が下がります。(データシートには、瞬停への対応や時間誤差の問題から、10μF以下の使用を推奨してあります)

5Vで0.1μから30μ程度で出力電圧を見ると、2-3.6V程度で、本来は、後段のパソコンなどをリセットするためのものなので出力電流は小さいので、出力でLEDやモーターなどを動かそうと思うと電力増幅してやることが必要になります。

例えば、このICを、C接点(A接点+B接点)を持つリレーを動作させれば、電源が4.5V以下になったときにリレーをONさせることもOFFにすることができますので、コンパレータを使って色々考えるよりも簡単な感じです。 その一例を示します。

実用化を考える回路例

ここでは、上のシステムリセットICを使って、規定の電圧になるとリレーを介してモーターを回したり、電飾を光らせてみましょう。

データシートによると、M51957の6番ピンからの電流はマイナス電流なので、トランジスタ(ここでは2SC1815)を用いて電流を補ってやる必要があります。

M51957Aの応用回路例

このようにすれば電源電圧が既定値を超えれば、モーターを回したり、または、回っているモーターを止めたりすることができます。

注1 ノイズ対策で加えていますが、特に検討はしていません。

注2 半固定抵抗を用いて計算値に調整します。(この場合は検出電圧4.5V)

注3 逆電流防止用で、1JU41(ファストリカバリーダイオード)を用いましたが、ショットキーバリアダイオードでも何でもいいでしょう。

注4 ここではセラミックコンデンサを用いましたが、電解コンデンサでもOKです。

注5 ベース電流用で、リセットICへは4mA以上が流入しないようにという注書きがありますが、20kから50k程度で問題はありません。

注6 使用したリレーの動作電流は30mAなので、それにあわせてトランジスタを選ぶといいのですが、たぶん、どんなNTNタイプでも問題ないでしょう。

注7 リレーの仕様に合わせます。リレーは941H-2C-5Dというマイクロリレーを使っています。 2回路のC接点のものですが、用途に合わせるといいでしょう。 また、モーターはFA130です。サージ防止用のコンデンサをつけています。

追加部品 2SC1815 941H-2C-5Dリレー FA130モーター

ここでは見てわかりやすいように、DC3Vのモーターを回すのではなく、LEDを光らせる簡単な回路にしてその様子を見てみましょう。

説明用の回路例 動作させる側にLED回路をつなぐ。

電圧化設置より低いと点灯 設定で電圧よりも高くなると消灯

リレー接点のブレーク(B接点)に回路を接続すると、電圧が低いとすぐにLEDは点灯しますが、検出電圧より高い電源電圧では2秒程度遅延して消灯します。

動作を変えるのには接点の接続を変える

この写真のようにメイク接点(A接点)側につなぎ直すと、電圧が4.5Vより高くなるとLEDが点灯します。

以上です。

*****

このHPに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からお送りいただくと検討させていただきます。

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