自作のイライラ棒（こちらのページ）の続きの2ページ目の記事です。
前のページでは、移動棒が通路のアルミ線に触れると、音がでたり、LEDが光るようになりましたが、一瞬の音と光だけなので、「ゲーム感」が乏しいことから、ここでは、「失敗するとチャレンジが終わりになる」というような回路で、リレーを利用した自己保持回路を組み込んでみようと思います。
自己保持回路については、こちらの記事でも取り上げていますが、これは、工作機械などを起動するために「押しボタン」の起動スイッチを押すと、機械が動き始めて、押しボタンから手を離しても機械は動き続け、それを止めるには、「停止スイッチ」を押して機械を止めまる・・・という動作をさせる回路が「自己保持回路」です。
イライラ棒での自己保持回路の考え方
上の図の動作を「イライラ棒」に当てはめると、「ONスイッチを押す」動作は、イライラ棒の移動棒が通路のアルミ線に接触する状況です。
そうすると、「ゲームオーバー」になり、「音がなり、LEDが点灯」し続ける … というような仕組みに変えてみようと思います。
そして、音や光を止めるのは「OFFスイッチを押す」のですが、この動作は、再スタートのための「リセットスイッチ」と考えることができます。
この方法は色々ありますが、一例は次のような回路です。
この回路図では、LEDは一つではなくて、少し派手にして、数10個点灯させて、少し派手にしようと思います。
自己保持回路を働かすには、2回路2接点のリレー（この回路では「5V用」）を1つ使います。
この図では、C接点のスイッチが2回路分ついており、コイルに電流が流れると、その両方のスイッチが切り替わるリレーです。
2回路のうちの片方で「自己保持状態」をつくり、もう片方のスイッチで、音や光のアクションをさせるのですが、ここでのアクションは小電力のものですので、LEDとブザーは並列につないで同時にアクションをしようと考えています。
それでは、これを組み立てて試運転するまでをみていくことにしましょう。
このゲームの一連の流れ
ゲームの方法は、まず、左端に移動棒を置いてスタートします。
そして、アルミ線に触れないように、左端から反対に移動棒を進めて、右端まで行けば「OK」です。
もしも途中で、うっかりアルミ線に触れてしまうと、スイッチがONになり、それによって、リレーのコイルに電流が流れて、リレー内のスイッチが切り替わって、ブザーが鳴りLEDが光ります。
その時、イライラ棒が接触後にアルミ線から離れても、すでに「自己保持回路」が働いていて、停止スイッチを押すまでは、LEDが点灯し、ブザーが鳴り続けます。
停止スイッチを押すと、リレーに流れる電流が遮断されて、もとの状態にリセットされます。
ブレッドボードにこの回路を組んでみましょう
これらは、手元にあるもので代用しています。ブレッドボードに挿しやすいように、ピンを付けています。
リレーは4.5V用のNECのEF2-4.5NUHというのが手元にあったので、それを使っています。
DC5V用で2回路のC接点がついているものであれば、どんなものでもいいです。 小電力用の小さなものは、100－200円程度で入手できます。
また、ここで用いている、リカバリー用のB接点スイッチ（押すと切れるスイッチ）も、適当なものがなかったので、上の写真のような、C接点（2接点）のものを使っています。
ここで使ったリレーやスイッチは、ブレッドボード専用ではないので、足が短く、ピッチも合っていないので、写真のように、ブレッドボードに取り付けるための足を継足して長くしています。
また、初回は試験的なもので「自己保持状態」を確認するだけですので、ブザーは取り付けないでLEDの点灯だけで動作確認しました。
さらに、リレーコイルのサージ電圧対策もしたほうがいいのですが、これらもやっていません。（この対策は、後で簡単に説明します）
イライラ棒部分は、このように、ワニ口クリップで移動棒と通路（アルミ線）につなぎました。
注意する点としては、リレーのコイルに加える電圧は極性（プラス・マイナス）があります。
これは、動作を確認してから結線するといいでしょう。（もしも接続が逆になっているとON-OFF動作をしません）
また、リレーのC接点についても、データシートには表示されていますが、私自身も、しばしば接続方法を間違うことも多いので、事前にテスターなどで動作状況を見ておいて、印をつけておくと、組み付ける時に便利です。
下のように、アルミ線に触れるとLEDが点灯し、スイッチで回路を切断するまで、その状態が保持されています。
私が試しに、このイライラ棒ゲームをやってみると、アルミ線に触れないで最後まで移動棒を進めるのは至難の業で、いつも1/3程度のところで、アルミ線に触れてスイッチが入ってしまいます。
クリアするには、少し練習が必要ですがら、一応、いい感じです。
また、軽くアルミ線に触れる程度では、リレーを作動させるだけの電流が流れないので、スイッチが入らない場合もありますが、感度が良すぎると、クリアが難しいので、今のところは、そのままにしています。
アルミ線を磨くと感度が上がりますし、それでもダメなら、電子的な回路を考えればいいでしょう。
LED用の電流制限抵抗は、電源電圧5VでLED1個ですので、ここでは、200～220Ωでいいでしょう。LEDは派手なほうがいいので、写真の2Vの普通LEDではなく、高輝度タイプがいいでしょう。
今回のブレッドボードのテストでは、ワニ口クリップで移動棒をつないでいますが、本番用では、細長いコードで移動棒を固定しようと思うので、事前に、銅線とステンレス線のはんだ付けができるかどうかをテストしました。
普通は銅線とステンレスのはんだ接合は、強酸性のフラックスを使うと問題ないのですが、ハンダゴテの温度調節を400℃程度の高めにして、実用的な程度の接合ができましたが、異金属の接合はうまくいかないことが多いので、導線とステンレス線をはんだ付けしたい場合は、事前に確認しておくのが無難でしょう。
もしも、はんだ付けが難しそうなら、下のようなスリーブで締め付ける … で対策するのも一つの方法です。
単調なブザー音とLEDの点灯だけでは少しさみしい？
そこで、「7色点滅LED」を30個の同時点灯をさせることにしましょう。（このLEDは高輝度タイプです）
この7色点滅LEDは、様々な色に変色して点滅するすぐれもので、100個単位で購入すると1つが10円以下で、いろいろなことに用いると結構楽しめます。（こちらに記事）
電流計算をして、必要な抵抗値を決めます。 このLEDは3Vの順電圧で、1個あたり20ｍAの電流が流れるとすると、抵抗値はオームの法則の （5V-3V）/0.02A から 100Ωの抵抗を使えばいいことがわかります。
並列につなぐので、0.02Aｘ30個＝0.6A ｘ3V＝1.8W となり、3W以上にするのが安全なので、100Ω5Wの大きなセメント抵抗を用いて、ブレッドボードに取り付けて、これを点灯させてみます。
（実は、この方法に問題があることがわかりましたので、下で説明しています）
30個を点灯させた状態です。
そして … なぜか、全体が赤っぽい感じで、通常の点滅色と違います？？？
そこで、数を少なくして（下の写真）比較してみると … 数が多いと、青色が出ていなくて、色の感じも違うようです。
どうも、LEDの数を増やすと、電圧が低下して、青色系が次第に発色しなくなっていくようで、5Vの電圧を、定電圧電源を用いて6.5V程度に上げると青色が見え始めます。
電圧を6.5V以上に上げても、LEDがぶっ飛ぶことはないと思いますが、一応、LED30個を点滅させることができたので、一応OKとしておいて、これは、別に考えることにします。
ともかく、うまく行かなかった対策を考えるのも「面白いこと」と捉えると楽しめるでしょう。
寄り道になりますが、LEDの状態を調べてみます
まず、LED回路をテスターで電流を測ってみると、うまく測れません。
どうもこのLEDは、いろいろな色の発光とともに点滅するLEDなので、たえず電流値が変動しているのがその原因のようです。
定電圧電源に付属の電流計で電流量を確認すると、LED1個では20ｍA程度の電流が流れているのですが、30個を6.5Vで点灯させても50ｍA程度と、予想した電流は流れていません。
たとえば、50ｍAの電流量と仮定したときの100Ωの抵抗器の電圧降下は、5Vの電源では オームの法則で 0.05ｘ100＝5V で、つまり、5Vの電源でこのLEDを多数個つなぐには最初から無理だったようです。
そして、それを6.5Vに上げても、LEDの仕様の3Vの順電圧（仕様にあるLEDでの電圧降下）にならないので、どうも、このLEDを多数個並列にしてつなぐことに問題があったということのようです。
つまり、LEDを並列に繋いで1つの電流制限抵抗を用いたのが失敗で、LEDに対して、個別に電流制限抵抗をつけるなどでないとうまく行かないことのようです。
ここではともかく、ラスベガスなどで明るい電球が点滅しているイメージには及ばないものの、少し派手になりました。
さらにもう少し「派手なアクション」や「付加機能」は？
例えば、
・ブザーの種類を変えたり、増やしてみる
・スタンバイ時であることがわかるように待機時用LEDをつける
・タイマーを併用してタイムを競う ・・・ などをやってみるのも面白いことですね。
そしてさらに・・・
・カウンターICなどを使って、3回の失敗まではセーフにする
・アルミ線に近接すると音が鳴ったり音が変化して警告する仕組みをつける
なども、このHPで取り上げたデジタルICを使って、アナログ的にできそうです。
考えることは無料ですし、それをするのが電子工作の面白いところですね。
それらは別の機会にすすめるとして、最後に、リレーの雑音対策に触れておきます。
リレーの接点・コイルの雑音やサージ対策
一般的に、コイルや接点の開閉時には、突入電流、サージ電流、雑音などが発生しますので、自分が良くても、回りに迷惑が及ぶことがあるので、いつも、これについての対応を意識しておくことが大切です。
これらについては、こちらの記事も参考にしてください。
今回の回路では、マイコンやICや高周波回路というものはありませんし、ON-OFF頻度も多くないので、最低限の対策をすることで、その対策としては、「抵抗とコンデンサ」を使うことが一般的です。
また、簡単な方法として、下のように「ダイオードを使う」ということを覚えておくといいでしょう。
どんなダイオードを使えばいいのかは迷うところですが、深く考えないで、ショットキーダイオード、リカバリダイオード、スイッチングダイオード … など何でもいいので、①逆耐電圧が使用電圧の10倍以上 ②使用する電流にあったもの … などから、安いものを使えばいいでしょう。
今回で言えば、5Vを使っているので、50V以上の逆耐圧のもので、順電流が100ｍA程度以上のものを上のように接続します。
私は100V1A用の1S10（50円以下）や、100V200ｍAの1N4148（5円以下）のものを使っています。
これで完璧かどうかはわかりませんし、いろいろな方法がある割には、あまりいろいろな記事には説明も少ないのですが、やり方のそれぞれに長短所はあるにしても、ともかく、「最低限の対策だけはやっておく」 … と考えておきましょう。
