Excitable ホタルをつくろう

川上　博

2015/12/19

monostable multivibratorで試してみよう

「それでは，みなさん一緒に作りましょう」的に作る時間は限られています．光センサーやLEDは，繋ぐ位置を変えると別のホタルとなり，同期のパタンも変わります．各自空き時間に制作・実験をしてください．ディスカッションは随時にどうぞ．

http://cms.db.tokushima-u.ac.jp/DAV/person/S10723/NBA2015/

2

Excitableホタルの実験：配布部品

配線済み

ビニール袋1

2

34

大きなビニール袋には下記の４点が入っています実験で使用する部品一覧 ——————————————————————————————————————————————————————————————————————— 部品名 規格 数量 メモ ——————————————————————————————————————————————————————————————————————— LED 1 (ー)端子に200オームの抵抗付き ホトトランジスタ NJL7502L 1 長線:collector，短線:Emitter

抵抗 2.2k 1 1/4W（赤，赤，赤） 330k 1 1/4W（橙，橙，黄） 1M 1 1/6W（茶，黒，緑） コンデンサ(積層セラ) 1uF 1

CMOSタイマ LMC 555 1 ブレッド・ボードに装着済み

ブレッド・ボード BB-601（白） ジャンパー線 赤線 4 黄線 3 緑線の場合もある 黒線 2 裸線 1 ブレッド・ボードに装着済み

電池 CR2032 1 リチウムボタン電池 電池ホルダー 1 中央線(-)，両脇線:(+) ———————————————————————————————————————————————————————————————————————

3

ブレッドボード・電源配線チェック

VCC

rD

R2

C1

LED8 7 6 5

LMC 555OUT RES

CVTH

+ +

− −

1 2 3 4

GND

TRIGGND

V+ DC

200

330k

1uF

2015/11/24

8 7 6 5

LMC 555OUT RES

CVTH

1 2 3 4TRIGGND

V+ DC8 7 6 5

LMC 555OUT RES

CVTH

1 2 3 4TRIGGND

V+ DC

コイン電池

++

4

555の内部等価回路

RA

B

1

2 3

6

78

5

4

5k

5k

5k

GND

OUT

DC

THTRIG

CONT

RESET

VCC

VVS

VR

SRS-FF

Q

0

Vcc

H

L

H

L

V=V2=V6

VB+=Vcc/3

V5=2Vcc/3

VS VRset

reset

set

reset

v

OUT

(a)

(c)

(b)

v-OUTの関係で見ると図(c)のように ヒステリシスコンパレータとなる．

8 7 6 5

LMC555OUT RES

CVTH

1 2 3 4TRIGGND

V+ DC

5

実験１．方形波発振回路

astable multivibrator

問１：LEDの点滅周期Tを測定してみよう

VCC

RD

R2

C1

LED8 7 6 5

LMC555OUT RES

CVTH

+ +

− −

1 2 3 4

GND

TRIGGND

V+ DC200

330k

1uF

20150414

①②

③

6

実験１．回路部品の配置・配線

抵抗，キャパシタ，LEDを配線し，最後に電源をさすと回路が起動する． LEDが点滅すれば出来上がり．

①

②③④

+-

LED

8 7 6 5

LMC 555OUT RES

CVTH

1 2 3 4TRIGGND

V+ DC

コイン電池

330k

1uFLED

++

7

v0

vEαEβE

E a b

d c

遅い運動abの所要時間T1は

実験１．周期振動の周期

速い運動cdの所要時間T2は

周期振動の周期Tは

8

実験２．LEDホタルの回路例

sensor + oscillator + led

問２：photo Trに光があたるとLEDの点滅周期はどうなるか

問３：友達のホタルと同期させてみよう

VCC

R2

C1

8 7 6 5

LMC555OUT RES

CVTH

+ +

− −

1 2 3 4

GND

TRIGGND

V+ DC

330k

RPC

E

2.2k

1uF

Photo TrNJL7502L

20150414

Emitter

Collector

RD

LED

200

①②

9

実験２．回路部品の配置・配線

Photo Tr回路を配線し，光入力に対してLEDの点滅周期 がどうなるか確認する．暗：周期短，明：周期長

①

②

CE

Photo Tr（光センサー）

C : collector E : Emitter

8 7 6 5

LMC 555OUT RES

CVTH

1 2 3 4TRIGGND

V+ DC

コイン電池

2.2k

Photo TrEC

330k

1uFLED

++

10

v0 = E

v0 = 0 v

0.867E

0.434E

2E/3

E/3

光センサーを入れるとhysteresis特性が右に動く．暗い環境下でも 明るい環境下でもastable multivibratorとなる．明るい時と暗い 時で，周期振動の周期がどう変わるか観察し，その理由を考えてみよう． この周期を変化できることが同期現象を生む源となる．

実験２．光入力で周期振動の周期を制御する

11

実験２．光センサーの接続位置で同期が変わる

RA

B

1

2 3

6

78

5ab

4

5k

5k

5k

GND

OUT

DC

THTRIG

CONT

RESET

VCC

VVS

VR

SRS-FF

Q v

OUT

(a)

(b)

C

E

C

E

+

−

何はさておき，スイッチ a 側のホタルどおし，あるいは スイッチ b 側のホタルどおしを同期させてみよう．

12

実験３．Excitable ホタルの回路

Excitable = astable + monostable

問４：暗い環境，明るい環境に置くと点滅はどうなるか

問５：友達のホタルと同期させてみよう

VCC

R2

R1 C1

8 7 6 5

LMC555OUT RES

CVTH

+ +

− −

1 2 3 4

GND

TRIGGND

V+ DC

330k

RPC

E

2.2k

1uF1M

Photo TrNJL7502L

20151208

Emitter

Collector

RD

LED

200

①

13

実験３．回路部品の配置・配線

1Mオームの抵抗を配線して完成．環境が明るいと消灯し， 暗いと点滅することを確認する．

①

8 7 6 5

LMC 555OUT RES

CVTH

1 2 3 4TRIGGND

V+ DC

コイン電池

2.2k

Photo TrEC

1M330k

1uFLED

++

14

1uFに並列に1Mを入れると 遅い運動の平衡点は 1M/(1M+0.33M)E=0.752E となる．astableに影響なし

更に，光センサーを入れると hysteresis特性が右に動き， 安定平衡点が出現する．すなわち monostable状態となる

v0 = E

v0 = 0 v

0.752E2E/3

E/3

v0 = E

v0 = 0 v

0.867E

0.434E

0.752E

2E/3

E/3

(a) 暗い環境下では astable (b) 明るい環境下ではmonostable

1Mの抵抗は明るい環境下で安定平衡点を作る

15

Appendix

16

A1. Op amp を使った Excitable ホタルの例

実験３（光センサーやLEDの配置は異なりますが）に対応するオペアンプ を使った回路例です．これを基にして実験１や実験２などの実験もできます．

+ +

− −

VCC

RDR3

R4C1 LED

8 7 6 5

NJM2732D1IN+ GND

2IN+2IN-

1 2 3 4

GND

1IN-1OUT

VCC

2OUT

330

1uF

330kR5

R2 R1 330k330k

100k

330k

3V～6V

（暗い場所では astable，明るい場所では monostable となるmultivibrator）

2015.11.23

100k

C

E

NJL7502L

Emitter

Collector

17

A2. 大きな数と小さな数の呼び名

1,000,000,000,000100,000,000,00010,000,000,0001,000,000,000100,000,00010,000,0001,000,000100,00010,0001,0001001010.10.010.0010.000,10.000,010.000,0010.000,000,10.000,000,010.000,000,0010.000,000,000,10.000,000,000,010.000,000,000,001

10121011101010910810710610510410310210110010-110-210-310-410-510-610-710-810-910-1010-1110-12

1 T(tera)100 G10 G1 G(giga)

100 M10 M1 M(mega)

100 k10 k1 k(kilo)

100101

100 m10 m1 m(mili)

100 u10 u1 u(micro)

100 n10 n1 n(nano)

100 p10 p1 p(pico)

テラ

ギガ

メガ

キロ

無名

ミリ

マイクロ

ナノ

ピコ

103 = kilo = k

106 = mega = M

109 = giga = G1012 = tera = T

10-3 = mili = m

10-6 = nano = n

10-9 = micro = u10-12 = pico = p

1015 = peta = P 10-15 =femto= f

呼び名 : SI 接頭語

物理量や素子の単位電流電圧電力抵抗キャパシタンスインダクタンス時間周波数

A アンペアV ボルトW ワットΩ オームF ファラッドH ヘンリーs 秒Hz ヘルツ

10-1 = デシ (deci)=d, 101 = デカ (deca)=da, 10-2 = センチ (centi)=c, 102 = ヘクト (hecto)=h

18

A3. 抵抗のカラーコード

0123456789

黒茶赤橙黄緑青紫灰白

5%10%

金銀

5%

抵抗値のカラーコード表示 カラーコード表示の例

許容差５％の場合の抵抗値

抵抗値

5 6×101 = 560 Ω

許容差（金色は　　　）　

許容差のカラーコード表示

数値

指数

黒い礼 (0) 服

茶を一 (1) 杯

赤いニ (2) ンジン，アカ (2)

第三 (3) 者，みかん (3)

岸 (4) 恵子，イエロウ (4)

緑子 (5)，プリマベラ (5)ろく (6) でなしの青二才，青虫 (6)ブルーダイオード (6)

紫式 (7) 部

ハイヤー (8)

ホワイトク (9) リスマス (9)1 0 1 1 1 2 1 3 1 5 1 6 1 82 0 2 2 2 4 2 73 0 3 3 3 6 3 9

4 3 4 75 1 5 6

6 2 6 89 1 8 2 7 5

は E6 系列

19

A4. 等間隔目盛と対数目盛

1 2 4 680.1 10 100 1000 10000

0-1 1 2 3 4

10-1 100 101 102 103 104

102

1.5 2.2 3.3 4.7 6.81.2

1.1 1.3 1.6 2.0 2.4 3.0 3.6 4.3 5.1 6.2 7.5 9.1

1.8 2.7 3.9 5.6 8.2

3 4 5 6 7 8 91

100 101

抵抗器やコンデンサの標準数列：E系列の値E6 : E12 : E24 :

20

A5. コンデンサの容量：ファラッド

（積層）セラミックコンデンサ

ファラッド (F) は，コンデンサの容量（キャパシタンス）を示す単位である．この単位は非常に大きいので，通常は pF（ピコファラッド），nF（ナノファラッド）や µF（マイクロファラッド，uFとも書く）で表す．なぜか日本では nFはあまり使われていないようだ．

３桁の数字の意味 (pF が基準となる数値が示されている）最初の２桁の数字が大きさを，３桁目の数字が桁（指数）を表す．たとえば，103 は 10×103=10,000 pF = 10 nF = 0.01µFなお，３桁目の数字は 0～5までが使われ，6と７は使われない．また，８の場合は最初の２桁の数字に 0.01 を掛けた値を，９の場合は最初の２桁の数字に 0.1 を掛けた値を表す．たとえば，229 は 22×0.1=2.2pF を表す．

電解コンデンサ（樽型）極性がある

103155

ーが短い

ーのマークがある

値はそのまま印刷されている

＋が長い

最初の２桁の数字：　　10, 15, 22, 33, 47, 68記号の示す許容差：　　F ±1%, G ±2%, J ±5%, K ±10%, 　　M ±20%, Z -20% +80%

10-6 : micro (µ, u), 10-9 : nano(n), 10-12 : pico(p)

0.000,10.000,010.000,0010.000,000,10.000,000,010.000,000,0010.000,000,000,10.000,000,000,010.000,000,000,001

10-410-510-610-710-810-910-1010-1110-12

100 u10 u1 u(micro) 105

104103102

100 n (0.1u)(0.01u)10 n

1 n(nano)100 p10 p1 p(pico)

マイクロ

ナノ

ピコ

21安全上の注意

　　　　　　この講座で体験いただく電子工作の実験はいずれも「十分に安全」な実験です．しかし，使用する電子部品（パーツ）はいずれも小さいので扱いに注意する必要があります．特に，講座外で実験中に，ご家族が電子部品で怪我，やけど，感電などをしないように，十分注意してください．また，床などに落としたパーツは他人には「厄介なゴミ」です．紛失した部品は徹底的に探し出し，他の人に迷惑をかけないように注意しましょう．

　　　　　　この講座で使う電源は，市販のコイン電池１個です．電池ケースからの引き出し線（＋とーの２本）を短絡（ショート）させないよう十分注意してください．また，LEDを直接電池につなぐと LEDは焼けてしまいます．火災，やけど，爆発，感電などにならないよう，電池の短絡（ショート）は絶対にしないよう気をつけてください．

　　　　　　この講座ではこの注意項目に該当するような危険な実験は行いません．しかしみなさんが，講座外で実験される場合，電源を商用電源からアダプターで供給したり，部品を「半田付け」したり，といったこの講座では取り扱わなかった事柄で問題が生じることが想定されます．このような場合の個々の注意は喚起できませんが，各自の責任で十分に注意して実験してください．

必ず実行していただく強制内容です

してはいけない禁止内容です

傷害や物的損害が発生する可能性がある禁止内容です