第10回 PICマイコンの電源回路を設計する

最初はPICマイコンの電源の回路です。将来のためにちょっとだけ深入りしておきます。

今回の説明

回路を完成させるために以下の順序で説明しています。この記事の説明は「(2) PICマイコンのベース回路を組む」の部分の中のPICマイコンに電源をつなぐ回路を作成するステップになります。

  1. LEDを電池と抵抗のみで光らせる回路を組み立てる
    PICマイコンの回路を組み立てる前に、まずはブレッドボードに慣れておくことにします。電池、抵抗、LEDのみを使って、ブレッドポード上に回路を組んでLEDを光らせてみます。ここでは電池、抵抗、発光ダイオードの回路記号と回路図の説明をして、回路図からブレッドボードに組む方法を説明します。まずはブレッドボードに慣れましょう!
  2. PICマイコンのベース回路を組み立てる
    はじめの一歩の回路は、LEDを1秒に1回光らせるだけの回路です。この回路をブレッドボードに組み立てます。
  3. プログラムを作る
    LEDを1秒に1回光らせるプログラムを作成します。
  4. PICマイコンに書き込んで動作させる
    作成したプログラムをPICマイコンに書き込んで動作させてみます。
  5. ベース回路にスイッチを追加
    LEDの点滅をスイッチで開始させるために、ベース回路にスイッチを追加します。これまではLEDを光らせる、という出力制御をしましたが、今度はPICマイコンで外部から信号を入力する方法を確認します。
  6. ベース回路にブザーを追加
    スタートスイッチ付きの、1秒に1回光らせる回路を作りましたので、ブザーを追加してタイマーとして完成させます。

 

PICマイコンに電源をつなぐ回路

PICマイコンを動作させるために、電源をつなぐ必要があることは説明しました。電源は、PICマイコンの1番ピン(VDD)にプラス、8番ピン(VSS)にマイナスをつなげればよいので、配線は以下のようになります。

Pic power supply

なお、このように実際の部品の接続状態を示したものを「実体配線図」と呼んでいます。

電源の接続はこれでとりあえずOKです。基礎編で作成するLED1個を点滅させる程度の回路であれば、特にこれで問題ありません。

ただ将来、規模の大きい回路を作成するようになると、この接続では問題が出るケースがあります。今回はその問題と対策について説明します。また、この対策はPICマイコンに限らず、いろいろな場面で使用されていますので、是非覚えておきたい項目です。

ということで、この入門シリーズで作成する回路にもこの対策を入れることにします。対策の仕方も重要なポイントがありますので、実装することにより確認しておきます。(っていっても、まだ何のことやらよくわからないですよね。説明を読めば「そうなんだ」って感じになると思います)

以下のように説明を進めようと思います。

  1. 問題とは?
  2. 対策方法は?
  3. 対策に使用する電子部品
  4. 対策を入れた実体配線図
  5. 対策を入れた回路図
  6. 実際の回路図

 

問題とは?

唐突ですが、こんな経験はないでしょうか。

部屋の掃除をしようとして、掃除機の電源をONにしたときに一瞬だけ部屋の照明が暗くなったり、タワー型の消費電力の大きいPCの電源を入れるときに机の上の照明が一瞬だけ暗くなったり、という経験はないでしょうか。これは、掃除機やPCの電源をONにしたとき、掃除機やPCにほんの一瞬大きな電流が流れることによる影響です。

このように特定の電気製品にほんの一瞬だけ大きな電流が流れると、その部屋(あるいはその家)への電力の供給が追いつかず、他の電気製品の電圧が一瞬だけ下がり、それにより照明が一瞬暗くなる、という現象が発生します。

実は、PICマイコンの回路でも、規模は非常に小さいですが、同じようなことが発生することがあります。

まず、PICマイコンにいろいろな回路が接続されているとき、ある動作のときに大きな電流が流れることがあります。例えば、LEDが何個も接続されていて、それらが一斉に点灯する、というような場合です。このとき、電源からの電力の供給が追いつかず、一瞬PICマイコンの電源供給が少なくなる(電圧が低下する)、という現象が発生することがあります。

PICマイコン電源問題

先ほどの照明の例では一瞬暗くなるだけですので、ちょっと「あれっ?」って思っておしまい、という感じです。でもPICマイコンの場合、この現象により動作が不安定になることがあります。例えばPICマイコンでモータ制御などをしている場合、この現象が起きるとモーターが予期できない動きをして危険な状況になることもありますので、このような事態は避ける必要があります。

このような問題を避けるためにこれから対策を行います。

 

対策方法は?

この問題は、電力供給が一瞬追いつかなくなることが原因なので、例えば、いつでももっと大きな電流を供給できるように電源を強化することが考えられます。ただ、電源を強化すると、例えば電池の数を多くしたりとか結構お金がかかりそうですよね。また、電源を強化しても、電源とPICマイコンを接続する電線にある程度長さがあり、これもこの問題の原因となっていますので、根本的な解決にはなりません。

そこで、電池からPICマイコンまで接続している電線の距離を超短くすることも考えられます。ただこの場合、PICマイコンが複数あったり、物理的にうまくつなげないこともあるのでいい解決策にはならないですよね。

そこでこのような不都合なく問題を解決するために、PICマイコンのVDD/VSSピンのすぐそばに、一瞬電力が足りなくなったらサッと電力を供給してあげる部品を接続する、という方法がとられています。

 

対策に使用する電子部品

対策に使用する電子部品とは、「コンデンサ」という部品です。コンデンサにはいろいろな種類や役割があり、詳しく説明するとかなり難しい内容になってしまいますので、性質だけ説明しておきます。これ以外にもいろいろな性質がありますが、この基礎編で必要な知識は以下の2点です。

先ほどの問題を解決できるポイントは、「ちょっとだけ、電気をためておくことができる」という点です。PICマイコンが一瞬だけ電力不足になったら、電源から電力が十分供給されるまでのその一瞬だけ、ためておいた電気をすぐそばから供給してあげる、という動作をします。一瞬の出来事なので、その一瞬の対応ができればよいわけです。

また、電気的なノイズの影響を完全に除去とまではいきませんが、緩和することもできます。この仕組みについてはかなり難しい内容となりますので、こういう性質がある、とだけ理解しておいてください。

次に、コンデンサについて説明します。今回使用するコンデンサは以下のようなものです。コンデンサは非常に多くの種類がありますので、Googleの画像検索などでコンデンサを調べてみてください。

Capacitor view

また、コンデンサは接続の向き(極性)があるものもないものもあります。このコンデンサは接続向きはありません(極性がない)。

電子回路記号は以下になります。

Capacitor diagram

コンデンサには多くの種類がありますので、それに対応して電子回路記号も他に種類があります。今回使用するコンデンサはこの記号になります。

先ほど説明した、一瞬電力の供給が追いつかなくなることを避けるために、PICマイコンのVDDとVSSピンの間にこのコンデンサを接続します。先ほど説明した問題の原因のひとつに、電源とPICマイコンを接続する電線にある程度長さがあることもあります。そこで、このコンデンサは物理的にPICマイコンの電源ピンのすぐそばに接続する必要があります。

ところで、以前説明した抵抗には値がありました。コンデンサにも値があります。コンデンサの場合は容量といって、ファラッド(F)という単位を使います。数が大きい方がより多くの電気をためることができます。今回使用するコンデンサの容量は 0.1μF(マイクロファラッド)です。なお、基礎編と応用編ではコンデンサはこの1種類しか使用しませんので、値の読み方については説明を省略します。(抵抗ではカラーコードで数字を表現して、その数字から実際の値を導きましたが、コンデンサの場合は数字が書いてあり、ほぼ抵抗と同じように実際の値を導きます)

電力が足りなくなったら電気を供給するのだから、容量は大きければ大きいほどいいのでは? と思われた方もいらっしゃるかもしれません。確かに電力供給の観点からするとその通りです。ただ先ほど説明したように、このコンデンサはノイズを低減する役割も担います。電力供給の観点、ノイズ低減の観点両方からちょうどいいところが0.1μFぐらい、ということでこの値が選ばれています。

なお、このコンデンサのことを「バイパスコンデンサ」略して「パスコン」と呼びます。マイコンを使った製作記事などでは「パスコン」と説明されることが多いので、この用語も覚えておいてください。

 

対策を入れた実体配線図

実体配線図は以下のようになります。PICマイコンの電源ピン、VDDとVSSのすぐそばに接続するのがポイントです。

Pic power supply w capacitor

 

対策を入れた回路図

実体配線図ができましたので、今までの電子回路記号を使用して回路図にしてみます。

Pic power circuit 1

いくつか補足する必要がありますので説明します。

まず、コンデンサの単位はマイクロファラッドで、記号で書くと、「μF」となります。コンデンサの単位はFと決まっていますので、Fは通常記載しません。また「μ」ですが、半角英数字では入力できない文字のため、「μ」の代わりに、アルファベットの中で一番にている “u” (小文字のユー)を使用します。このパスコンですが、回路図上ではマイコンから離れて書かれていることもあります。回路図を見て、マイコンの電源ピンにコンデンサが接続されている場合、それはパスコンですので物理的な接続位置に注意しましょう。

また、配線が交わるとことで、接続する場合としない場合で表現方法が異なります。

Line cross

線が交差しているところで、接続する場合は黒丸をつけ、接続しない場合はそのままにします。

 

実際の回路図

これで電源を接続した回路図ができました。

ただ、実際の回路図は一般的にはこれとは異なるかきかたとなりますのでそちらを説明します。

まず電源ですが、乾電池を指定する場合など、電池を使うことが決まっていれば電池記号を書くことがありますが、電源を記載しないこともあります。その代わりに、プラス側に接続する記号を

Vdd types

というようにかきます。この記号は「VDD」や「VCC」と呼ばれます。回路図によってはこの記号のすぐそばに「VDD」などと記載されいることもあります。

またマイナス側に接続する記号を

Gnd

のいずれかでかきます。このマイナス側の記号はグランド記号と呼ばれ、回路図では「GND」や「VSS」と記載されていることもあります。

なお、GND記号はこのように種類がありますが、本来はそれぞれ意味があります。ただ、詳しく説明しようとすると、そもそも「グランドとは」という深い話になってしまいますので、説明は省略いたします。

先ほど作成した回路図を書き直すと、

Pic power circuit 2

となります。だんだん実際の配線とは違ってきてしまいました。電子回路図が初めての方は「実際の配線からだいぶ離れてきてるけど、電子回路の世界は大丈夫なのだろうか…」などいろいろ不安や疑問が出てきたかもしれません。そんな感じのところ申し訳ないのですが、もうちょっと簡略化します。

Pic power circuit 3

これでどうでしょうか。(「どうでしょうか」って言い方はないですが…)

経験的に、パスコンの描き方はこのタイプが一番多いように思います。

もう一度おさらいすると、電子回路図はあくまでも電気的な接続を表現しているだけで、実際の部品の配置とは関係ない表現になります。ただ部品の中にはパスコンのように、配置に注意が必要なものがあります。「そんなの電子回路図から読み取れるか?」ってご意見があるとは思いますが、残念ながらその通りです。知らないと読み取れないので、申し訳ないのですが、これは一つ一つ覚えていくしかないです。

なんか最初からこんなこと言われてしまって、大変そうだし心が折れそうな気もしますが、配置に注意が必要な部品・回路は、今回のパスコンのように必ず理由や背景がありますので、そこをきちんと理解すれば大丈夫です。

このようなことから考えると、電子回路図とか電子工作の世界って、ちょっと職人的なところもあるような気がしますよね。電子回路ってなんとなく人工的な印象がありますが、動作自体は自然現象です。自然を相手に作品を作り上げる職人さんに近いものがあるのかもしれません。

これでPICマイコンに電源関連の回路ができました。気づくと、だいぶ実体配線図から離れてきました。実体配線図と電子回路図、何度も見比べてみて、頭のなかで変換できるようにしておきましょう。

次回はLED関連の回路をつくります。

 

更新履歴

日付 内容
2016.7.10 新規投稿
2018.11.5 一部の図を更新
VDD、GNDの説明を補足