光で電子ピアノの鍵盤をスイッチングする回路

質問

お世話になります。

CDS素子を利用し、光で電子ピアノ（YAMAHA PSS460）の鍵盤をスイッチングする回路を検討しております。
電子ピアノの鍵盤は電子スイッチになっており、プリント基板上の2箇所の端子をショートさせると発音します。
本来ならば図右側のようにリレーを用いてスイッチングするのでしょうが、試しに図左側のようにトランジスタに電子スイッチを直結させる回路を組んでみたところ、動作しました。
この回路ですと、リレーの動作音もありませんし、部品代も安く済むのでよいのですが、このようなトランジスタの使い方は見たことが無いので不安です。
何か問題はありませんでしょうか。

ちなみに、鍵盤の電子スイッチの端子をテスターで測定したところ、2箇所ともに５ｖとなっておりました。（同じ電圧のものがショートすることでどうしてスイッチの役割を果たすのかもよくわからず、これも不思議に思っております。）

以上、よろしくお願い申し上げます。

回答No.1

noname#215107 · ベストアンサー

まず、ご質問の左の回路の１０ｋを取り除き、代わりに導線でGNDへ繋いでください。
これでオープンコレクタ出力となります。

（１０ｋがついているとエミッタフォロワとなり、A'に「CdsとVRで分圧された電圧から０．６V引いた電圧」が出てしまいます。）

http://slugbug.sound-club.org/information/Yamaha%20PSS-460%20Service%20Manual/Yamaha%20PSS-460%20Service%20Manual%20p16.png
↑これによると、

キーボードのマトリクスを、添付画像に書き直した回路で読んでいます。

8ビットマイコンがつかわれており、格子上に配置された、調べたいスイッチがある配線の列の選択を出力ポートでLにすることで選択して行います。

この状態を、入力ポートで読んでいます。

スイッチ接点のダイオード側は常にプルアップされているため、５V－０．６V＝4・3Vくらいの電圧が常にかかっており、接点の出力ポート側はマイコンがその列を選択していない時、Hを出力しているので５Vとなっていると思われます。

お礼

ご回答ありがとうございます。大変助かります。

補足

このままではA'に高い電圧が加わり、故障を招くことはわかりました。
「左の回路の１０ｋを取り除き、代わりに導線でGNDへ繋ぐ」
とのことですが、この場合A'はどこにつなげばよいのでしょうか。それとも何にも繋がずにおくのでしょうか。
また、スイッチの仕組みについては折角ご説明いただいたのですが、知識不足のため理解できておりません。「調べたいスイッチがある配線の列の選択を出力ポートでLにすること」とはどういうことでしょうか。Lとは０Vの状態を指すのですか？出力ポートは高速でLとHの状態を繰り返しているということでしょうか？
質問ばかりで恐縮ですが、よろしくお願い申し上げます。

回答No.6

noname#215107

No.1です。
＞「2SC1815のベース、エミッタ間の耐圧がMAX5V、ロジック回路
＞に12Vが流れると故障の原因になる」ということ、理解しました。

ベースには、通常ベース抵抗を繋ぎますので５Vがかかることはありません。ご質問の回路ではCdSがつながっていますので後述の不安はありますが、偶然、ベース抵抗の代わりとなっています。また１２Vが出力されることもありません。

変更点は、前に書いたように、右の回路の１０ｋΩを導線に置き換えるだけでOKです。

CdSは明抵抗が10ｋΩ以上あるため、問題とはならないと思います。この場合のベースエミッタ間の電圧は0.6V程度となります。

ただし、CdSにもいろいろ種類がありますから明抵抗が１０ｋΩ未満になるものもあります。
CdSと可変抵抗の接続部分から１0ｋΩ程度の抵抗を介してベースにつなぐほうが良いですね。（2SC1815の定格ベース電流は５０ｍAです。（電源電圧-0.6V）/ベース抵抗＜５０ｍA　となるように設計してください。（実際には１ｍA以下で十分です）　このベース電流×ｈFEで、最大のC-E電流が決まりますがデータシートの最大コレクタ損失から逆算すれば、そんなにベース電流は要らないことが分かります。

お礼

ご丁寧にありがとうございました。おかげ様で安心しました。

回答No.5

noname#215107

>このままではA'に高い電圧が加わり、故障を招くことはわかりました。
元の回路では。電子キーボードのGNDと作成した回路のGNDが共通になっていないので、A'には電圧はかかりません。楽器側の回路が、浮いた状態（電位が独立）になっています。

＞「左の回路の１０ｋを取り除き、代わりに導線でGNDへ繋ぐ」
＞とのことですが、この場合A'はどこにつなげばよいのでしょうか。それとも何にも繋がずにおくのでしょうか。

GNDへ接続してください。

＞「調べたいスイッチがある配線の列の選択を出力ポートでLにすること」とはどういうことでしょうか。Lとは０Vの状態を指すのですか？出力ポートは高速でLとHの状態を繰り返しているということでしょうか？

そのとおりです。

お礼

再びの回答ありがとうございます。教えていただいたとおりに配線いたしましたら、無事期待していた通りに動作しました。TXV12003様はプロのエンジニアの方でしょうか？私にとっての難題を軽々と解決してくださるので本当に助かっております。私はただのアマチュアの工作家ですが、これからも勉強を積んでスキルアップしていきたいと思います。

補足

ちなみに電源・GNDを共通にすると、楽器の動作モードが変わり、予期しないプログラムが作動してしまいました。
お教えの通りにGNDを分けると（電源のみ楽器と共通）、無事動作いたしました。
この場合、追加の回路のGNDがA’（出力ポート）ということになるわけですが、出力ポートに今回追加の回路が影響する恐れは考慮しなくても大丈夫なのでしょうか。
ご紹介いただいたYAMAHA PSS-460の回路図を拝見すると、出力ポートの先にはCPUがあり、A'に今回追加の回路を通して１２Vを印可すると、A’の電位自体が変わりそうです。また、可変抵抗を介して常時流れる電流や、CDSの抵抗値が下がった場合のA'に印可される電圧も心配です。
引き続きお付き合いいただければ幸いです。

回答No.4

noname#215107

No.3です。
タッチキーボードで、また手が滑りました。
すみません　たびたび訂正です。

正＞５V－０．６V＝4.４V

お礼

何度もご丁寧にありがとうございます。

回答No.3

noname#215107

NO.1です　訂正します。

間違い＞５V－０．６V＝4・3V

正＞５V－０．６V＝4.７V

なお、書き忘れましたが、前回挙げたこのURLの回路図はYAMAHA PSS-460の修理エンジニア用のマニュアルですので、間違いありません。

http://slugbug.sound-club.org/information/Yamaha%20PSS-460%20Service%20Manual/Yamaha%20PSS-460%20Service%20Manual%20p16.png

ベロシティー（音の強弱）がつけられるキーボードの場合、２つのスイッチが時間差でONする仕組みのものもあり、鍵盤をたたく強さ＝時間差と同じ　として、２つのスイッチONになる時間差をベロシティー（押した強さで音の強弱をつける）に利用しているキーボードもあります。

お礼

回路図のご紹介ありがとうございます。貴重な資料として活用させていただきます。

回答No.2

koujikuu

鍵盤のスイッチをマトリックスキースキャンしている為と思われます
参考回路図
http://www8.plala.or.jp/InHisTime/page108.html
これのプルアップ方式が近いです（これに出力ポート同士の短絡保護抵抗が必要）
キースキャンする出力ポートのみLOW(0V)にして他はHIGH(5V)にする　A'
入力ポートプルアップ抵抗にて スイッチOFF時　HIGH(5V) スイッチON時 LOW(0V)　A

またエミッタの10KΩが回路に影響を及ぼす場合があるので、フォトカプラ or アナログスイッチに置き換えた方が良いです
2SC1815のベース、エミッタ間の耐圧がMAX5V、ロジック回路に12Vが流れると故障の原因になるので注意。

お礼

ご回答ありがとうございます。
「2SC1815のベース、エミッタ間の耐圧がMAX5V、ロジック回路に12Vが流れると故障の原因になる」ということ、理解しました。
フォトカプラやリレーは値段が高いので敬遠しているのですが、仕方ありませんね。

補足

No.1の方のご回答と合わせてずいぶん理解が進みました。
現在の回路だと、エミッタフォロワとなるのでA’は０Vにはならないはずですが、これはたまたまCDSの抵抗値が下がった時にベースエミッタ間が飽和電圧以上かつエミッタ電圧がマイコンの閾値以下というバランスになり運良く作動しているという理解で合っているのでしょうか。