DCモータを74HC00を使った回路でコントロールする件について

質問

３Ｖで駆動する小型のＤＣモータの回転数制御をするのに、この程度のモータなら回路を組むまでもない様なのですが・・・
せっかくの良い機会なので、勉強を兼ねてこちらやサイトを、色々調べたり参考にさせて頂きつつ、初心者なりに回路を考えてみました。
（計算はもとより、回路ＣＡＤや回路シミュレータ（！）まで挑戦してみることに・・・）

http://surfacer.web.fc2.com/test_001.pdf

利用しようと思っているお店の通販で買えるトランジスタを選んで、抵抗値などは出来る範囲は計算して選定してみたのですが、分からない事があり、お聞きしたい事が２点あります。

・この回路は「安全に使用する事が出来ますか？」
・抵抗Ｒ１について、他の方が作っておられた同様の回路では、ここに４７０ｋの抵抗が入っていました。Ｒ１の選定根拠が調べてもどうしても分かりません。
どういった計算でここの数値を出すのでしょうか？

以上です。よろしくお願いいたします。

回答No.7

anachrockt

「ダーリントン接続」はTr1のCとTr2のCを接続した回路です．
ここで「ダーリントン接続」するとオン電圧が1V程度になるので，オン電圧を下げるために図のような接続にします．

グラフから読み取ったhFEは図示の特性で25℃の時の値です．
hFEは非常にバラツキが大きく温度によっても変わるため，メーカーに特性グラフ通りのトランジスタを要求して入手し，チップ温度を25℃一定にして動作させればOKです．
バラツキや温度変動を許すときは，メーカーが発表しているIB=IC/10の条件でスイッチング回路は設計します．
このときでも，データシートの保証値はIC=6A，IB=0.6AでVCE(SAT)＝2Vです．

回路図で，IB2の計算は間違っています．
分子のVCE2(SAT)はベース電流の計算ですから，VBE2＝0.7Vでしょう．
VCE1(SAT)＝0.05Vも，2SC1815の特性グラフ（VCE(SAT)-IC）から，0.09～0.1Vです．
また，RB3の電流を引いてあげないと．
IB1の計算も間違っています．
hFEが140になっていますが，2SC1815のhFEはVCE＝6Vの時の値です．
IB2の計算で使用すべきVCE＝0.1Vの時は，IB=IC/10の条件を適用すべきでしょう．
最も，データシートの保証値はIC=100mA，IB=10mAでVCE(SAT)＝1Vです．

設計→実験→設計→実験→設計→実験と繰り返していけばわかりますが，hFEの値は全く信頼できません．
スイッチング回路では，IB=IC/10つまりhFE＝10で設計すると，保証値よりも小さい特性グラフに近いVCE(SAT)が得られます．

お礼

お礼が遅くなり申し訳ありません。

hFE=10の意味と理由について、ようやく理解出来ました。
保証値・理論値と現実を全部ごっちゃにして、私は見た目だけで考えていたんですね。

Tr2のベース電流を出す部分の、VCE2とVBE2は完全に勘違いしておりました。失礼いたしました。
この度の質問をきっかけに、次々と疑問が沸いて都度調べていますが、トランジスタ設計の教本を読まないと
ネットでお聞きする＆調べるにも基礎の無さから来る限界があるようです。

現時点で、「RB3の電流を引かないといけない」事は理解しましたが、その為の「RB3に流れる電流の計算方法」の部分が理解出来ていません。
仮にVCE1(SAT)=0.1V、VBE2=0.7Vとして、シンプルに3V-(0.1V+0.7V)の2.2VがRB3にかかり、16.9ｍAを引いてあげれば良いのでしょうか・・・

補足

あれ、RB3にはVBE2の電圧降下は関係なくて29mAなのかな・・

回答No.6

anachrockt

回路図見ましたが，RB2はTr1aのベース・エミッタ間に接続した方が良いと思います．
RB2の電流が無駄にGNDに流れずドライブに寄与しますから．
あと，これはダーリントン接続ではなくてコレクタに電流制限抵抗を入れたエミッタフォロワ＋エミッタ接地です．

お礼

何度も親切にありがとうございます。
更に書き直してみました。
http://surfacer.web.fc2.com/test_004.pdf
Tr1のE～Tr2のBに接続してある回路は見た事がありましたが、そういった意味があったのですね・・・

現状では「ダーリントン接続」と「エミッタフォロア＋エミッタ接地」の違いがはっきり分かっていませんが、
Tr1のCが負荷の２次側に接続（Tr1のCとTr2のCを接続）してあればダーリントン接続なのかなと・・・
この回路は、トランジスタを個別に見て、Tr1がエミッタフォロア、Tr2がエミッタ接地という事でしょうか？

詳しい方にお聞き出来るチャンスがなかなか無いので、よろしければもう２点ほどお願いします。
No.4にて「TRをオンさせるときは，データシートのVCE(sat)のグラフから，hFE=IC/IB=10にします．そうすると，ICのドライブ電流は500/10=50mA必要になります．」
と教えて頂きましたが、hFEはグラフから読み取るだけではダメなのでしょうか？ここでIB=IC/10にするのがどうしても分かりません・・・
それと、pdfにも書いた計算式ですが、この計算だとRB1が1.1kΩになってしまいます。考え方はどこが間違っているのでしょうか？（全てかも・・・）

お時間がある時で構いませんので、よろしくお願いいたします。

回答No.5

anachrockt

３ヶ並列にするのはたいしたことではありません．
これなんか，p.13ではインバータ6ヶ並列です．
http://www.onsemi.com/pub/Collateral/AN913-D.PDF

問題はTC74HC00の電源電流が最大50mAまでで，出力電流は電源から供給されますから，余裕を見ると40mA程度までしか出力できないことです．

2SC1815あたりとダーリントン接続をするのは良い考えですが，本当のダーリントンではオン電圧が増加します．
2SC1815のコレクタは30～50Ωの抵抗を直列に入れて電源に接続し，エミッタを2SC5197のベースと直結し，2SC5197のベース－エミッタ間にはオフを速くするため100Ω程度の抵抗を入れます．
2SC1815のベースには100Ω程度の抵抗を直列に入れてTC74HC00と接続します．

ダイオードの方は，Io=1Aの日本インター製SBDの11EQS04でも大丈夫です．

お礼

ありがとうございます。

私がたまたま見ていないだけで、３段並列なんて特別凄い事でもなかったのですね・・・

教えて頂いた数値で、とりあえず書き直してみました。
http://surfacer.web.fc2.com/test_003.pdf
ダイオードを11EQS04へ、前段に2SC1815を置いてみました。
トランジスタを駆動するための抵抗値・電流値などを、自分で再度計算して記入しようと思いましたが、
もう一度ダーリントン接続について勉強して、明日改めて自分で計算してみたいと考えています。

回答No.4

anachrockt

No.3です．
NANDを並列にするのはドライブ能力増大のためですから，初段の並列は無意味です．

hFE＝55はVCE=5Vの時の値ですから忠実に守ろうと思ったら，電源電圧を3V+5V=8Vにする必要があります．
TRをオンさせるときは，データシートのVCE(sat)のグラフから，hFE=IC/IB=10にします．
そうすると，ICのドライブ電流は500/10=50mA必要になります．
問題は74HC00のドライブ能力ですが，データシートにはVcc=3Vのデータがありません．
東芝のサイトを探すとこんなのがありました．
http://www.semicon.toshiba.co.jp/docs/catalog/ja/BCJ0008_catalog.pdf
ここのp.26でVcc=3V，TC7SHシリーズ（74HCの少ピンタイプ）のデータから，3個並列でどうにかいけそうです．
IC=500mAで1A以下ですから，hFEも少しまけて約20とすれば，RB1は100Ω位でしょうか？（実機で要確認）

回路を見てまずいなと思ったのは，ダイオード1SS133です．
Io=130mAでは500mAに足りません．
Ioが500*1.2＝600mA以上のものを選択します．
ロームだったら，これが良いでしょう．
http://www.rohm.co.jp/products/databook/di/pdf/rb160a30-j.pdf

お礼

anachrocktさま

並列、という単語で思い込んでそれぞれを並列にしてしまいました。すみません。
グラフの方は、曲線と軸しか見ていませんでした。条件が違うからそのまま適用は出来ないんですね。

74HC00の絶対最大定格のIoutの数字が25mAと書いてありました。
このトランジスタをオンするために50mAも必要だという事は、このままトランジスタを使う回路にすると
おっしゃる通りの、ICの出力を３段並列にする（これは力技とも言える手法でしょうか？）か、
2SC1815あたりとダーリントン接続をしてICのドライブ電流を抑える必要があるのでしょか。

ダイオードの方は、Ioの数値等、全く勉強もせずノーチェックでした・・・
教えて頂いたダイオードは、私では入手出来そうも無いので、同じIo=1Aの日本インター製SBDの11EQS04
http://www.niec.co.jp/products/pdf/11eqs04.pdf
でも大丈夫でしょうか？

大変勉強になる事ばかり教えて頂いているのに、質問ばかりで申し訳ありません。

回答No.3

anachrockt

ANo.2の方に追記です．
RB1=120Ωは74HC00の負荷として重すぎますから，
余ったゲート2ヶをU_bと並列接続すればOKでしょう．
具体的には，ピン4，5，9，10，12，13を接続（入力），
ピン6，8，11を接続（出力）します．

R1の大きさは，C1の充放電電流によって，74HC00の
入力保護ダイオードが壊れないこと
（実際には単純なダイオードではなくPNPN接続の
サイリスタ構造のため，ラッチアップ），
発振時定数に対して，入力充放電電流が影響して，
誤差が増加し無いように決めます．
回路にはVR（ポット）が付いていますから，
デューティの誤差は無視して図示の値でOKでしょう．

お礼

anachrocktさま
ＩＣの負荷を低減する為に、NANDを並列にする件に関しましては、回路図を書き直してみました。
http://surfacer.web.fc2.com/test_002.pdf
ただ、実は、１つのＩＣで２つのモータ（トランジスタ）を動作させようと思っていました（NAND２つで良いと思ったので図面には記載しませんでした・・・）
RB1の120Ωの計算は、上記のpdfの下に私なりの計算を書き足しましたが、この考え方が合ってるとして、２倍の電流を見込む必要が無いとなると、200Ω程度で良いのでしょうか・・・

R1の方は、主に
・コンデンサの充放電時の過電流でICが破壊される
・過電流で導通状態になり動作が保持され続ける
ことを防ぐ為に必要な物だと理解しました。

ありがとうございました。

回答No.2

tadys

１点危ないところがあります。74HC00の未使用のゲートの入力（9,10,12,13ピン）をグランド又は電源に接続しておかないとHC00に過大電流が流れて最悪の場合発火するかもしれません。
あと、あり得るのは2SC5197が発熱してしまうことぐらいでしょう。

R1の大きさはかなり適当でもかまいません。
HC00の６番ピンがオン／オフする際にはC1とR1の接続点の電圧はグランド以下や電源電圧以上になります。
R1が無いとこの電圧がHC00の入力端子に直接加わり、場合によってはHC00の破壊や発火に至る可能性があります。
R1はHC00の入力端子に流れ込む電流を制限することでHC00が破壊することを防ぐ役目をします。
破壊を防ぐ為でしたら大きいほどいいのですがあまり大きくすると動作速度に影響がでますのでほどほどの値にします。
最適な値がいくつになるといった一般的な計算方法はありません。

お礼

tadysさま
ＩＣの未使用ゲートをそのままにしておくのは良くないと言うのを読んだのですが、忘れていました。失礼しました。

「１／２．２ＲＣ」の様な式が、Ｒ１に関してもあるのだと思い込んでいましたが、ある意味「おまじない」の様な感じもあるのですね。
こういった電子回路は、確実な数字を出す部分と「経験」「適当でいい」の部分があるのが難しいなぁと感じています。
分かり易く書いて頂いてありがとうございました。

回答No.1

esezou

surf_acerさん、こんにちは。

「安全に使用する事が出来るか」：安全という意味が判りませんが、燃えたりはしないでしょう。
「抵抗Ｒ１について」：ここの発振器で、パルス幅を変え、ＰＷＭ風の制御をしようとする回路ですね。
発振周波数やパルス幅が、モータや回路の応答時間によって、その最適値が異なるものと思います。
計算は（全ての部品の仕様がわかれば）可能ですが、実験で決めるのが速いでしょう。
１００Ｋの可変抵抗で試してはどうですか。

お礼

esezouさま
ありがとうございます。
「安全に～」の部分は漠然と書きすぎましたが、おっしゃるとおりの炎上等の事でした。
部品等は何も無い状態ですので、抵抗値の変化などはシミュレータではなく実際に可変抵抗で試験した方が理解が深まりそうです。
ありがとうございました。