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では、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に使用されるIC部品が「低電圧ボルトディテクタ」と呼ばれるICです。 「リセットIC」と呼ばれるものも同様の仲間です。

このICの用途には、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・・・などがあって、様々なところで応用して使われています。

この動作や機能は「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・・・」と推定されるようなのですが、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て、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ますし、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。


デジタル部品ですが、これらの概要や使い方を知っておくと、アナログ的な使い方にとっても役立つかもしれませんので、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 を使って、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つのタイプがあります。

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、ここでは、Aシリーズの211A を用いて説明します。

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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。

この品名に「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ために、このように名前がつけられているとのことです。

ここでは2.1V用しか手持ちがないのでこれを使って説明していますが、もしも 5V で常用するのならは、5V を基準にして検出電圧が4.8Vとか5.3V で動作する製品を選ぶほうが確実で使いやすいということになります。

しかし、問題点があります。

メーカーではラインアップされていても、それら各Vで使用する型番のすべてが「小口小ロット」で入手できるかどうかわかりません。 

私も、この211Aしかないのは、多分、手に入らなかった体と思うのですが、こういうこともあるので、ここでは、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

この作業は、自分ではんだ付けしなくてはなりませんが、この「変換基板へのはんだ付け」は、そんなに難しい作業ではありません。 

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。

これを参考にしていただいて「半田付け」に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つのタイプです。

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。

わかりにくい内容なので、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るもの・・・ということです。

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いただくといいのですが、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) についてみていきます。

①レベルインジケータ回路

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

LED点灯回路例

このICには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(2.12V)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、簡単な回路を使って説明します。

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。(検出電圧以上では出力が「ナシ」の状態です)

そうすると、例えば、出力側にLED点灯回路があると、検出電圧いかに電圧が下がると、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。

用途は?

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。

また、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、いずれにしても計算される抵抗値は、市販されていない中途半端な値ですので、 Ra・Rb は半固定抵抗を使って あらかじめ Ra1000Ω・Rb724.1Ω に抵抗値に合わせておいたものを下のような回路に組みこ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

右側の黒テスターが電源電圧で、左側テスターがICの2番端子に加わる電圧です。

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)を検出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、ほしいと思っている検出電圧のICが手に入らなくても、上のような分圧抵抗を用いて目的の電圧で制御できるようになります。

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。

実際に、どういうところに使う用途があるのかは思いつきにくいのですが、リチューム電池の充電時期を知らせたりする用途で使われているのは想像できますね。


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。

楽天

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むといいのですが、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、これも同様のものなので、こちらのほうが使いやすそうです。

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、図のように 5ピン だけを使います。

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

標準的に使用する回路は上のようですが、この 抵抗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。

これも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。

しかし、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)

検出電圧5V で 0.1μから30μ 程度に変えて出力電圧を見ると、2-3.6V程度 です。

本来このIC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、出力電流は小さいために、出力側で LED やモーター などを動かそうと思うと、電力増幅を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に使えそうな感じがします。

その使い方の一例を示しましょう。

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 これらのコンデンサはノイズ対策で加えていますが、容量値が適当かどうかは特に検討はしていない「経験的な値」です。

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意書きがありますが、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。

楽天

説明は以上ですが、これについても、電子工作で使って画期的なものは考えつきにくいのですが、こういうものがあることを知っておれば、安い部品ですので、なにかの役に立つ用途がでてくるかもしれませんね。

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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