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・フリーの設計支援ツールTINA-TI
TINA-TIエディタ、TINA-TI新シンボル作成、シミュレーション
※TINA-TIは、Texas Instruments および DesignSoft, Inc.の商標です。
この記事で分ること
基本仕様を元にして、
・概要ブロック図と説明
・回路図と部品表
・各回路部の設計
・TINA-TI回路シミュレーションと検証
・実回路と評価
までの一連を作業項目として、項目毎に詳細に説明します。
制御は、DC5Vで動作して、
インターフェース部は、DC24Vで動作します。
設計した回路を実際に作成・評価して、数値の比較を行います。
本基本仕様から本ブログでは、2の方法で回路設計をします。
この記事の設計では、パルス発生にタイマーICを使ったハード版とします。
（別記事で、パルス発生にマイコンを使ったソフト版「DC24V 4Hzパルス回路設計（ソフト版）」も投稿しています。）
電気部品、開発支援ツール、評価用機器等 個人レベルで出来る範囲とします。
基本仕様
- 供給電源DC24V
- DC24Vパルス、周期4Hz（LED点灯）
（電気・温度特性、寸法、各種規格準拠、その他については、割愛します。）
概要ブロック図と説明
下記に、DC24V 4Hzパルス回路（ハード版）の概要ブロック図を示します。
水色枠：DC24V系
緑色枠：DC5V系
各ブロックの説明
・DC24V→DC5Vの電圧変換回
電圧降下素子三端子レギュレーターを使い、DC24V→DC5Vにします。
能動素子のタイマーIC、ロジックIC（フリップ・フロップ、インバータ）、フォトリレーの
発光側の電源とします。
・16Hzパルス発生回路
タイマー素子を使い、16Hzパルス出力回路を作成します。
・4分周回路
ロジックICのエッジ型フリップ・フロップを使い、4分周回路を作成します。
4分周回路の入力に16Hzパルスを入力して、4Hzパルスを出力します。
・DC5V→DC24Vパルススイッチング回路
DC5V 4Hzパルスは、フォトリレーを使いDC24V スイッチングタイミングを制御します。
（別記事で、機械式のリレーについては、ここを参照。）
・LED4Hz点灯回路
DC24V 4Hzパルスのタイミングで、LEDを点灯させます。
（LEDを点灯する事が目的ですとDC5Vから設計する事を考えますが、本回路の目的は、DC24V電源の部品を駆動させる事です。FA(Factory Automation)で使用されている部品は、DC24V系が多種あるためです。）
回路図と部品表
各概要ブロック図の能動素子（半導体素子）の部品を決めます。
| 部品名称 | メーカー名 | 型式 |
|---|---|---|
| 三端子レギュレーター | Ti | LM2940CT-5.0-ND |
| タイマーIC | NXPセミコンダクターズ | ICM7555IPAZ |
| ロジックIC フリップ・フロップ | 東芝 | TC74HC74AP |
| ロジックIC インバーター | 東芝 | TC74HC04AP |
| フォトリレー | 東芝 | TLP241A(F(O |
| 赤LED | 不明 （ジャンクBOXに有り） | 不明 |
作業では、受動素子（抵抗器、コンデンサー）を決めた後で、回路図作成の作業となりますが、本報告では、先に回路図を記述し、後で受動素子について設計報告します。
DC24V 4Hzパルス回路（ハード版）の回路図を下記に示します。
図面作成には、TI（Texas Instruments）社のフリーの設計支援ソフトTINA-TIツールのエディタ機能を使います。
新規に作成したシンボル（黄色）
・U3 三端子レギュレーター（LM2940CT-5.0）
・U4フォトリレー（TLP241A)
グランド（GND）は、24Vと5V共通としました。
部品表（最終版）
| 部品名称 | メーカー名 | 型式 | 個数 (セル数） | 5V系 消費電力[W] | 備考 |
|---|---|---|---|---|---|
| 三端子レギュレーター | Ti | LM2940CT- 5.0-ND | 1 | 電力能力Max5.25W（5.25V×1A) | |
| タイマーIC | NXPセミコンダ クターズ | ICM7555IPAZ | 1 | 0.5(Max) | |
| ロジックIC フリップ・フロップ | 東芝 | TC74HC74AP | 2 | 0.1m | |
| ロジックIC インバーター | 東芝 | TC74HC04AP | 1 | 0.01m | |
| フォトリレー | 東芝 | TLP241A(F(O | 1 | 12m | |
| 赤LED | 不明 | IF2: 4mA(min),10mA(Typ), 18mA(Max) VF2:2V(Typ) | |||
| コンデンサー 0.47uF | ニチコン | UES1HR47MD | 3 | ||
| 電解コンデンサー 22uF | ルビコン | 50PK22MEFC 5X11 | 1 | ||
| コンデンサー 0.01uF | 村田 | RDER71H103 K0K1 | 1 | ||
| 抵抗器 330Ω | F.L.I.C | CFS50J330RB | 1 | 21m | 1/2W |
| 抵抗器 100Ω | F.L.I.C | CFS50J100RB | 1 | 6.4m | 1/2W |
| 抵抗器 2.2kΩ | F.L.I.C | CFS50J2K2B | 3 | 1/2W | |
| 可変抵抗器 50kΩ±10% | Bourns, inc | 3362P-1-503LF | 1 | 周波数値の微調節 |
三端子レギュレーターの5Vの電力能力Max 5.25W＞0.54W(合算）
本三端子レギュレーターの電力能力内です。
各回路部の設計
受動素子の回路と値について、設計します。
DC24V→DC5Vの電圧変換回路（三端子レギュレーター）設計
三端子レギュレーターは、Ti製、型式：LM2940CT-5.0-NDを採用
採用理由：低価格、簡単回路で降圧値安定、放熱注意→ヒートシンク必須
三端子レギュレーターの周辺回路のコンデンサーC4,C5の値は、LM2940のデータシート中の
「代表的なアプリケーション」項を参照しました。
下記、回路図とコンデンサー（C4,C5）の値を示します。
C4=0.47uF
C5=22uF
16Hzパルス発生回路（タイマーIC)
タイマー素子は、NXPセミコンダクターズ製、型式：ICM7555IPAZを採用
採用理由：COMSで、低電力動作。一般的なタイマー素子
データシートから以下の計算式を引用しました。
本タイマーを発信器と考え、タイマーICの非安定モード（ASTABLE OPERATION）の回路としました。
目標周波数（ｆ）＝1.44÷{(抵抗Ra+2×抵抗Rb)×コンデンサC} —–（a）
抵抗RaとRbについては、下記の回路図参照
目標周波数値（ｆ）：16Hzパルスにするための抵抗値（Ra,Rb）とコンデンサー（C：C1,C2）の値を式（a）より求めます。
ｆ＝1.44÷{(2.2kΩ＋2×46.8kΩ）×（0.47uF+0.47uF)}
＝15.99Hz
Ra：固定抵抗器2.2kΩ
Rb：可変抵抗器50kΩ±10％ 評価時、オシロスコープを使い16Hzに調整します。
C1，C2：電解コンデンサー0.47uF（0.94uF 2個を並列接続します。）
4分周回路（16Hz→4Hz)
4分周回路には、ロジックICのエッジ型フリップ・フロップ、東芝製 型式：TC74HC74APを採用
採用理由：ハイスピードCMOS。次段で使うインバーターと同じ種類にしました。
2分周回路は、エッジ型フリップ・フロップ3番端子入力に16Hzクロック、/Q端子出力をD端子入力に帰還接続すれば、Q端子出力は3番端子のパルスを2分周した出力となります。
同じエッジ型フリップ・フロップを2個接続すると元クロック（16Hz)から4分周した事になる典型的な分周回路です。
下記の回路図参照
以降で、使われている公式は、
- オームの法則：V=I×R
- キルヒホッフの第一法則：Σ入力電流＝Σ出力電流
- キルヒホッフの第二法則：Σ起電圧＝Σ電圧降下
- 消費電力計算：W＝R×I2
を基本に計算しています。
DC5V→DC24V 4Hzパルススイッチング回路（フォトリレーをインバーターで制御）
ロジックICのインバーター東芝製、型式：TC74HC04APを採用
採用理由：フォトリレーを直接ドライブするために、大きめの出力電流を流すことが出来る。
（見かけない回路ですが、ロジックIC中の使用セル数を限定すれば制御出来ます。）
フォトリレーをトランジスタで制御する回路は、ここを参照。
4Hzパルス周期で、DC24Vを制御するために東芝製フォトリレー 型式：TLP241Aを採用
採用理由：オン電流大。ON/OFF制御だけですとフォトカプラより容易、但しON/OFF遅延大。
抵抗器R3,R4を決めます。
・U4 フォトリレー（TLP241A）仕様 （データシートの「推薦動作条件」項から抜粋）
| 項目 | 記号 | 値 | 単位 |
|---|---|---|---|
| 入力順電圧 | VF(1) | 1.27 | V |
| 入力順電流 | IF(1) | 5(Min),7.5(Typ), 25(Max) | mA |
・U7 インバーター（TC74HC04AP）仕様 （データシートから抜粋）
| 項目 | 記号 | 定格 | 単位 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 出力電圧 | VOH | 4.18(Min) | V | VCC=4.5V Ta=25℃ |
フォトリレーに接続する抵抗器（R4，R5）を決める計算式（ｂ）
（R3+R4）＝（出力電圧VOHー入力順電圧VF(1))÷入力順電流IF(1) —–（ｂ）
（ｂ）式の説明
上記、「DC24V 4Hzパルス発生回路」参照
基本は、オームの法則（R=V/I)
R:抵抗器R3,R4
V:抵抗器R3,R4の電圧降下（出力電圧VOHー入力順電圧VF(1))
I:入力順電流IF(1)
に相当
インバーターとフォトリレーの回路図を下記に示します。
（ｂ）式に、上記のデータシートの値を代入、
ポイント：仮定として、IF(1)（入力順電流）Type値：7.5mAを目標値とします。
実際のIF(1)値は、電気的仕様、持ち合わせの抵抗器を鑑みて決めます。
VOH（出力電圧）Min値：4.18Vでも、7.5mAを維持する時の、抵抗値を算出
（R3+R4）＝（4.18V-1.27V）÷ 7.5mA＝388Ω
抵抗器の持ち合わせの都合上、R3:330Ω、R4:100Ω（合わせて430Ω）と決めました。
R値大きめにした理由：
実際のインバーターからの出力電圧VOH＞4.18V（Min)となり、多少の大きめの抵抗値でも、IF(1)に問題無いと判断しました。
大きめとなった抵抗器 R3＝330Ω、R4=100Ωで電流値IF(1)を再計算
（IF(1)：5mA(Min)以下で有れば、IF(1)推奨動作条件外となり、抵抗値選定に問題有の判断となります。）
Min側の確認計算：
Min側のIF(1) ＝ (4.18V-1.27V)/430Ω＝6.8mA
Min側のIF(1) ＝6.8mAは、データシートの「入力順電流IF(1) 5(Min),7.5(Typ),25(Max)」の範囲に有り R3,R4(430Ω）選定は、問題無いことが
確認出来ます。
・抵抗器R3,R4の消費電力の確認（抵抗値の大きい方 R3:330Ωで確認しました。）
消費電力W=抵抗R3×電流IF(1)×電流IF(1) —–（C）
ポイント：IF(1)のMax値を算出後、消費電力を計算して、抵抗器の規格1/2W以下であることを確認
上記の三端子レギュレーターデータシートの出力電圧VDD：5.25V(Max)としました。
（ｂ）式を抵抗値から電流値を求める式に代えて
IF(1)Max=(5.25V-1.27V)÷（330Ω＋100Ω）=9.3mA
IF(1)Max消費電力Wは、
W=430Ω×9.3mA×9.3mA＝0.04W＜0.5W（抵抗器の定格値）
本抵抗器が定格電力内であることが確認出来ました。
U7インバータードライブセル数の確認
ポイント：使用条件として、ロジックICインバーター6セル設置されている中、
2セル分を使用可能とします。
以下に、使用セル数2セルについて、説明します。
・U7 インバーター（TC74HC04AP）仕様 （データシートから抜粋）
| 項目 | 記号 | 定格 | 単位 | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 出力電流 | Iout | ±25 | mA | 1セル分 絶対最大定格 |
| 電源/GND電流 | Icc | ±50 | mA | 全セル（6セル）総電流 絶対最大定格 |
① 本インバーターの1セル分の出力電流：Iout＝±25mA＞IF(1)=9.3mA（Max）
本回路のIF(1)電流値は、1セルの出力電流Ioutより小さい事を確認出来たので、問題無し。
② ロジックIC中の2/6セル分使用の場合 総セル（6セル）分の電源／GND電源：
Icc＝±50mA＞2セル分18.6mA（9.3mA×2セル）となり、2セルの出力電流の方が小さいので、2セルドライするには、問題無し。
①と②の条件から、インバーターの使用セル数は、2セルとしました。
フォトリレーをドライブする別の方法として、「DC24V 4Hzパルス回路設計 マイコン版」では、
本フォトリレーをトランジスタ（2SC1815）でドライブする回路を設計します。
LED 4Hz点灯回路
LEDは、ジャンクBOXで見つけ、製造メーカー不明。一部の仕様だけ確認できました。
ポイント：DC5VでDC24V回路を制御すること。
LEDの仕様
| 項目 | 記号 | 値 | 単位 |
|---|---|---|---|
| 順方向電圧 | VF(2) | 2 | V |
| 順方向電流 | IF(2) | 4(Min),10(Typ), 18(Max) | mA |
抵抗R1,R2共に2.2kΩと決めて、問題無いか確認します。
抵抗値は、手持ちの都合上です。
下記に、回路図を示す。
電流IF(2)は、上記式（b）と同じです。電流IF(2)を求める式に代えます。
順方向電流IF(2)＝（電源電圧VDDー順方向電圧VF(2))÷抵抗R1+R2
LEDへの順方向電圧VF(2)＝2V、R1=R2=2.2kΩの時の順方向電流値IF(2)の値は、
IF(2)＝（24V-2V)÷（2.2kΩ+2.2kΩ）=5ｍA
（フォトリレー受光側のON抵抗は、小さいため省略しました。）
IF(2) 5mAと仕様に対し小さめですが、発光を確認でき来たので、R1=R2=2.2kΩとしました。
（本報告は、LEDを点灯させる事が目的でなく、DC5V パルスでDC24Vを制御する事が目的です。）
R1,R2の消費電力
上記の式(c)を使い、消費電力を計算します。
消費電力W=2.2kΩ×5mA×5mA＝0.055W
本抵抗器の定格値は、1/2W仕様のため問題無しです。
回路検証（TINA-TI回路シミュレーション）
実回路を製作する前に、回路シミュレーションで一部回路の検証します。
特徴：PC上で回路動作を検証をして、設計効率向上を計ります。
全回路のシミュレーションを実行したいところですが、SPICEライブラーの無い部品がある為、
下記、2回路の検証となりました。
1．16Hzパルス発生回路
2．4分周回路
（古い話し（1990年代）ですが、SPICEシミュレーションは、回路の一部の検証が通常でした。）
「フリーの設計支援ソフトTINA-TIツール」の説明は、こちら
シミュレーション用回路
下記に、シミュレーションの回路図を示します。
測定部位
VF1：16Hzを想定した電圧波形
VF2：VF1を2分周した電圧波形
VF3：VF1を4分周した電圧波形
AM1：仮フォトリレーの電流波形（SPICEライブラーが無いので目安値です。）
回路シミュレーション結果と波形
回路シミュレーションの波形を下記に示します。
タイマーIC出力周波数値（目標値16Hz）
タイマーIC：ICM7555の出力電圧波形：VF1の周波数値を調べます。
1周期の時間 A-B＝66.72mS
周波数値ｆ＝1÷(A-B)＝1÷66.72mS≒15Hz
計算値とシミュレーション値の差異について
| 項目 | 目標周波数値 [Hz] |
|---|---|
| 設計 | 15.99 |
| シミュレーション | 15 |
| 差異 | 約1 |
計算値とシミュレーション値の差異は、約1Hzありますが、実回路では可変抵抗器Rbを使い16Hzに調整します。
4分周回路
波形より、VF1からVF3が4分周になっていることが確認できます。
実回路と評価（オシロスコープ）
DC24V 4Hzパルス回路設計（ハード版）の実回路を制作しました。
ブレットボードを基板として、実装しました。
評価
測定機器の精度について
評価に使う、安定化電源、測定器（テスター、オシロスコープ）は、個人所有の物であり、各測定装置の校正を行っておりませが、前提として本装置での測定値を正しい値とします。
家庭用AC100Vは、日や時間帯により電源の状態が変わり、これが安定化電源の出力電圧に多少影響を及ぼす事が有りました。
測定項目
1．DC24Vからの降圧値、電力値
2．タイマーICの出力周波数値
3．4分周回路確認
4．U7インバーター出力電圧VOH、電流値IF(1)
5．フォトリレー（受光側）電流値IF(2)
6．フォトリレーON/OFF遅延時間
測定部位
波形名 A波形からD波形までの測定部位を下図に示します。
オシロスコープの
1ch,2chのプローブグランドリードは、全て回路のGNDに接続して測定
1．DC24Vからの降圧値、電力値
三端子レギュレーターの出力電圧値を下記の表に示します。
仕様値は、データシートから抜粋
| 項目 | 三端子レギュレーター 出力電圧仕様 [V] | 測定値 [V] | 備考 |
|---|---|---|---|
| 三端子レギュレーター 出力電圧 | 4.75～5.25 | 5.01 | 三端子レギュレーター入力電圧仕様： DC21.4～26V |
三端子レギュレーターの出力電圧値：DC5.01V一定を確認出来ました。
本回路の消費電力（5V系）の測定値を下記の表に示します。
| 項目 | 三端子レギュレーター 仕様[W] | 測定値 [W] | 備考 |
|---|---|---|---|
| 消費電力 | 5.25(Max) | 0.07 | 計算値Max0.54W 部品表参照 |
三端子レギュレーターの電力能力内で有ることを確認出来ました。
2．タイマーICの出力周波数値
可変抵抗器Rb46.8kΩのタイマーIC周波数VF1の波形を、下記に示します。
出力周波数の比較表を下記に示す。
| 測定項目（Rb=46.8kΩ） | 周波数値 [Hz] |
|---|---|
| 設計 | 15.99 |
| 回路シミュレーション | 15 |
| オシロスコープ測定 | 16.2 |
目標周波数値16Hzに近い値となり、満足した結果となりました。
Rbを可変してLEDの入力波形で4Hzパルスに調整します。
3．4分周回路確認
上図、測定部位 A波形：①1ch タイマーIC、②2ch INV（インバータ）について、
オシロスコープで観測したA波形を下図に示します。
| 1ch タイマーIC 周波数値 [Hz] | 2ch INV 周波数値 [Hz] |
|---|---|
| 16.1 | 4.00 |
タイマーICの出力波形1chが、INV出力2chで4分周になっていることを確認出来ました。
(エッジ型フリップ・フロップを使用した4分周回路が、確認出来ました。）
4．U7インバーター出力電圧VOH、入力順電流値IF(1)
上図、測定部位 B波形：①1ch INV VOH波形、②2ch R4までの電圧値について、
オシロスコープで観測したB波形を下図に示します。
IF(1)値を計測（ONの期間）
IF(1)＝（1ch INV VOHー2ch R4までの電圧値）÷ R3
IF(1)＝（4.61Vー2.05V）÷ 330Ω＝7.76mA
観測値1ch INV VOH:4.61Vにして、設計時の式（ｂ）を使い再計算
入力順電流IF(1)＝（1ch INV VOHー入力順電圧VF(1)) ÷（R3+R4)
IF(1)=（4.61Vー1.27V）÷（330Ω＋100Ω）＝7.77mA
波形の計測と設計値を比較した表を下記に示します。
| 項目 | IF(1)仕様 [mA] | 1ch INV VOH [V] | IF(1) [mA] |
|---|---|---|---|
| 波形の計測 | 5(Min),7.5(Typ), 25(Max) | 4.61 | 7.76 |
| 設計の式（ｂ）で 再計算 | 同上 | 同上 | 7.77 |
計測した入力順電流IF(1)値は、フォトリレーONの仕様範囲内であり、かつ設計値とほぼ差異が無いことを確認できました。
フォトリレーOFF期間は、0Vとなり問題無し。
ロジックICインバーターの使用セルは、設計時と同じ2/6セルとします。
5．フォトリレー（受光側）電流値IF(2)
上図、測定部位 D波形：①1ch R2までの電圧、②2ch フォトリレーまでの電圧波形について、
オシロスコープで観測したD波形を下図に示します。
IF(2)値を計測（ONの期間）
IF(2)＝（R2までの電圧値ーフォトリレーまでの電圧値）÷ R1
IF(2)=（12.6Vー1.80V）÷ 2.2kΩ＝4.9mA
波形の計測と設計値を比較した表を下記に示します。
| 項目 | IF(2)仕様 [mA] | IF(2) [mA] | 備考 |
|---|---|---|---|
| 波形の計測 | 4（Min),10(Typ), 18(Max) | 4.9 | |
| 設計 | 同上 | 5 | ”LED 4Hz点灯回路”節を参照 |
計測した順方向電流IF(2)値は、LED ONの仕様範囲内であり、かつ設計値とほぼ差異が無いことを確認できました。
LED OFF期間は、フォトリレーOFF（断線状態）で有り問題無し。
LEDのON/OFFパルス周波数値は、3.99Hz～4.02Hzにする事が出来ました。
6．フォトリレーON/OFF遅延時間
上図、測定部位 C波形：①1ch INV電圧、②2ch フォトリレー電圧波形について、
オシロスコープで観測したC波形を下図に示します。
INVドライブからフォトリレーON/OFF遅延時間を表に示します。
| 項目 | INVのVOH [V] | フォトリレーON遅延 [mS] | フォトリレーOFF遅延 [mS] | 備考 |
|---|---|---|---|---|
| 仕様 | 4.18 | 2.8(Typ),5(Max) | 0.3(Typ),1(Max) | IF=10mA |
| 計測 | 4.64 | 1.34 | 0.648 | IF＝7.76mA |
ON/OFF遅延時間は、仕様内であることが確認出来ました。
