RukeとLuNaYuの日記
I know the truth.
I know whole.
And I...know you.
平凡な大学生活の日記です。時折まじめな長文を書く病気になります。興味がなければ読み飛ばしてください。
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エルイーデー (2005/06/24(金) 03:06:36)
LED_22.gif

電子回路は光って何ぼ、の信念に基づき、共同実験者をひたすら待たせてこんなのを作っていた。昨日と今日あわせて8時間くらいかかった。

昨日、7時くらいに実験が、「何か作れ」課題と「コンピュータシミュレーション」課題を残して終わったんだけど、何か作れ課題でこういうのを作るつもりだったので、発振回路が正常に動作しないとどうしようもない。

んで、もう少し粘って発振回路まで作ったんだけどこれがちっとも動かない。始めは、発振周期を決めるコンデンサと抵抗として22μFの電解コンデンサと50kの抵抗を使っていた。こういった事の知識は全くないので、何となく、電解コンデンサも極性を逆にして並列に繋いだら、極性がないコンデンサとして使えるとか思ったんだけど、その辺全く自信がない(今調べてみたら、どうしてもこれをやりたければ直列に繋ぐのが正解と。にゃるほど。でもどのみち推奨されないと)。そこで、一度フィルムコンデンサの0.22μFのと、1MΩ(!)の抵抗に変更してみた。ところがそれでもやっぱり動かない。何がなんやらさっぱりで、次の日に(つまり今日)テキストに載っているコンデンサと抵抗の組み合わせで試してみる所から始めようと考えて家に帰った。

しかし今日大学に行く途中つらつら考えるに、こんな、基板につけたり外したりを何度も繰り返すなんて非効率この上ない上に配線ミスや半田付け不良の可能性を排除するのがどんどん大変になる。

というわけで、大学についたらまず以前の実験者達が捨てていった基板を適当に見繕ってきて、ICソケットの足からリード線を引き出しただけの実験用基板を作る所から始めた。んで、(何故かちっとも用意されていない、と思ったら、以前の実験者達が捨てていった基板の中に、たくさんの、ミノムシクリップ付きリード線をちょん切って直に半田付けしてある物を発見。怒)ミノムシクリップ付きのリード線をあるだけ持ってきて、発振回路を組んでみた。

まずは、テキストに載っている3nFと100k抵抗の組み合わせで。始めミノムシクリップで余りちゃんと挟めていなくてうまく動作しなかったんだけど、オシロスコープ調べながらそれを直してやるとあっさりと発振して、方形波が得られた。次に、0.22μFと1MΩの組み合わせで。こちらもあっさりと発振して、1秒~程度の周期の方形波が得られた。実は、時定数がこれだけ大きくなると、発振が開始されるために何か工夫がいるかも(コンデンサを一度充電しておくとか)、とか思っていたんだけれど、何の事はない。電源を繋ぐだけで直に発振が始まる。

この時点で、作ろうとしている回路には問題が無い事が確定したわけで、では何が問題だ、と基板の裏側を丁寧に見ると、、、繋いでいない所があるわあるわ。オイオイ。んで、ちまちまと半田付け。すると、ちゃんと発振。おー。

というわけで、プログラミングをする場合に絶対にやってはいけない行動にあたる事をいくつもやってしまったわけだけれど、またプログラミングの経験のおかげで(一見回り道に見えるけれど適切な)軌道修正ができたって事かな。まあこうした分野に限った事ではないんだけど。

んで、この後、この発振回路の出力電圧をCR積分回路に渡して、方形波に送れて追随する電圧変化を作り出して、LEDをジワワーっと光らせようと思っていたんだけれど(んで、ちょうど三色のLEDが用意されていたので、じわっ、じわわっ、じわわわーっと光らせる。しかも極性を利用して一周期で2セット光らせる)、これがうまく行かない。

LEDを繋ぐと、積分回路の出力電圧が、急に数分の一に下がって、ごくごく暗く明滅するだけになる。

考えてみたら当たり前で、積分回路の抵抗とコンデンサの間にLEDを繋いでグラウンドに落とせば、グラウンドと短絡させたような物だ。結局、CR積分回路に用いた200kΩの抵抗を介して、電源電圧15VでLEDを点灯させていたわけだ。1kΩの抵抗を介してLEDを繋いでいたのが馬鹿みたいである。

だいたいこれまで、電気回路という物が良く分からないな、と思っていたのは、回路を独立な部分、部分に分ける方法が良く分からなかったからだ。高校では回路の振る舞いを支配する基本的な方程式を習い、どんな電気回路でも、理想的な線形素子だけで構成されていれば、気合で計算してやればその動作を知る事ができる。また、理想的な線形素子でなくとも、電気回路というものが通常、例え時間発展する場合でも定常状態を利用しているのだという事を理解していれば、原理的な決定性だけは理解できる。しかし、部分部分に分けてそれぞれの機能から全体の機能を考えるというやり方がよくわからず、定性的な議論がわからない。何もかも計算してしまう事なしには何もわからない。だから、僕の電気回路に対する知識は、豆電球やモーターといった、電池に繋げば動作し、繋がなければ動作しない、といった装置のみで構成された電気回路からほとんど進んでいなかった。特に、電気回路を設計する、という方針が全く分かっていなかった。

というわけで、ここでもはたと途方にくれたわけだけれど、そこでようやく理解したのが、トランジスタとかオペアンプといった増幅素子っていうのは、増幅作用は二の次で、入力側と出力側の回路の間に十分な独立性を確保しながら電圧レベルだけを受け渡す、理想的なインタフェースとしての機能を持っているという事。つまり電気回路のモジュール化に貢献するわけで、なるほど、たくさん使われるわけだ。デジタル回路がこれらの塊になるというのも確かに理解できる。

というわけで、オペアンプの入力抵抗と負帰還の抵抗を等しい1kΩとしてゲイン1のただのインバータとして積分回路の出力を入力してみた。すると、さっきよりはましだけど、やはり方形波が小さくなってしまった。そうか、独立性を確保するといっても、完全に独立になるわけではなくって、使う抵抗を十分大きくする必要があるのね、と500kΩの抵抗に変えたらちゃんと、+-15Vの間で振れる、方形波がなまった出力が得られた。こいつを1kΩの抵抗を解して発光ダイオードに繋いだ結果が冒頭の動画。

まあ、LED点灯させるためにオペアンプってのはちゃんとした人が見ればオーバースペックこのうえないような気もするけれど、トランジスタは良くわからないし、とにかく動いたから良しとしよう。オペアンプ四個入りのICが用意されていたのでちょうど良かったし。うん、めでたしめでたし。
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