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インバータＩＣについて
インバータとは入力が一つ、出力が一つで入力の状態（ハイレベルかローレベル）と逆の状態が出力される回路です。
このような論理ＩＣ（ロジックＩＣ）ではＴＴＬという言葉が使われます。ＴＴＬとはTransistor Transistor Logicの略で、基本的には０Ｖと＋５Ｖの電圧で状態を表します。（ＣＭＯＳでは若干電圧が違います）
０Ｖはローレベル（Ｌまたは０で表すこともあります）と言い、＋５Ｖはハイレベル（Ｈまたは１で表すこともあります）と言います。
入力が０Ｖから＋５Ｖまで徐々に変化した場合、出力はそれに伴った変化はしません。
入力電圧がある電圧を越えた場合、出力が急激に反対の状態に変化をします。この電圧のことをスレッショルド電圧(Threshold Input Voltage)と言います。スレシホールド電圧と言っていることもあります。記号としてＶＴと書きます。
インバータの入力端子が開放状態の場合、入力端子の電圧はスレッショルド電圧以上になっています。ですから、この状態でのインバータ出力はＬ状態となります。
スレッショルド電圧はＩＣの種類によって若干違います。
以下の表は手持ちのものを測定したものです。規格表に記載しているものではありません。
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VCC=+5V
| スレッショルド電圧 | 7404 | 74LS04 |
74HC04
（参考） |
| VT(V) | 0.7 〜 1.4 | 1.0 〜 1.4 | 2.5 〜 2.6 |
低い方の電圧は出力電圧が下がり始める時の入力電圧、
高い方の電圧は出力電圧が下がりきった時の入力電圧です。 |
通常、デジタルロジック回路では０Ｖ（Ｌ）か＋５Ｖ（Ｈ）を扱いますので、途中の電圧であるスレッショルド電圧を意識することはあまりありません。でも今回のマルチバイブレータのような場合、入力がアナログ的（連続的）に変化するのでスレッショルド電圧が影響してきます。
等価回路
等価回路とはＩＣの機能をトランジスタ、ダイオード、抵抗、コンデンサなどの電子部品で組んだ場合の回路構成を表しています。実際にそのような素子が組み込まれているわけではないのですが、同等な機能を持っていると言うことです。
同じようなインバータＩＣでも種類によって等価回路が異なります。
以下に規格表に載っている等価回路を参考として示します。他のＩＣは規格表を見てください。最近の多機能ＩＣは等価回路では表すことは出来ず、機能ブロックとして四角で表していることがほとんどです。
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7404 | 74LS04 |
 絶対定格
| 項目 | ７４０４ | ７４ＬＳ０４ |
７４ＨＣ０４
（参考） |
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供給電圧(V)
Vcc | 7 | 7 | 7 |
入力電圧(V) | 5.5 | 5.5 | Vcc + 1.5 |
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動作温度(℃)
（パッケージ表面） | 0 〜 70 | 0 〜 70 | -40 〜 +85 |
この定格値を少しでも越えるとＩＣは壊れてしまいます。 |
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入出力電流特性
| 項目 | ７４０４ | ７４ＬＳ０４ |
７４ＨＣ０４
（参考） |
| 入力電流特性 | Ｈ→ | 40uA | 20uA | - |
| Ｌ← | 1.6mA | 0.4mA | - |
| 出力電流特性 | Ｈ→ | 0.4mA | 0.4mA | 4mA |
| Ｌ← | 16mA | 8mA | 4mA |
入力電流特性で”Ｈ→”は入力をハイレベルにした時に流れ込む電流値です。
入力電流特性で”Ｌ←”は入力をローレベルにした時に流れ出す電流値です。
出力電流特性で”Ｈ→”は出力がハイレベルになった時に流し出せるリミット電流値です。
出力電流特性で”Ｌ←”は出力がローレベルになった時に流し込めるリミット電流値です。
ですから、７４０４の出力を他の７４０４の入力と接続する場合、１０個まで接続できる
ことになります。他の種類のＩＣと接続する場合にはＩＣにより異なります。
７４ＬＳ０４の場合は２０個まで接続できることになります。
入出力電流特性の値を越えても多少であれば壊れはしません。出力を短絡したりとか極端なことを
行うと壊れます。ただ、規格値を越えた場合の動作は保証されません。
７４ＨＣ０４はＣＭＯＳ(Complementary MOS)で作られており、入力電流はほとんど流れません。
以下の回路動作で説明しますが、今回の回路では入力電流が多少流れる必要があるので、
７４ＨＣ０４は今回の回路では使用できません。 |
マルチバイブレータ回路の動作説明
本題の回路動作の説明です。
まず、インバータＡの入力（９番ピン）をローレベルと仮定します。この時、インバータＡの出力（８番ピン）はハイレベルになります。
Ｃ５に電荷が溜まっていないとすると、インバータＡの出力→Ｃ５→Ｒ２→Ｄ２→インバータＢの出力と電流が流れます。
最初はインバータＢの状態は不定ですが、完全にはハイレベル状態ではないので、上記の電流が流れます。
Ｃ５に電荷が溜まり始める時にはＣ５は短絡状態と同じように見えます。ですから、インバータＢの入力はハイレベル状態になります。これによりインバータＢの出力は完全にローレベルとなり、上記の電流ルートが完全に形成されることになります。インバータＡの入力にも電流が流れますが、微量（上記表のように40uA）ですので、ほとんどはＲ２を通るルートで電流が流れます。
Ｃ５に電荷が溜まってくると、電流が減ってきます。それに伴ってインバータＢの入力電圧も下がってインバータＢのスレッショルド電圧に近づきます。インバータＢの出力はローレベル（ほとんど０Ｖ）ですので、Ｒ２、Ｄ２を通してさらに電流は流れ続け、インバータＢの入力電圧はスレッショルド電圧（ＶＴ）になります。
するとインバータＢの出力は反転してハイレベル状態になります。
インバータＢの出力がハイレベルになると、Ｄ２のカソード側の電圧が高くなり、Ｒ２を通る電流は停止します。
もし、Ｄ２がないとインバータＢの出力がＲ２を通してインバータＢの入力に伝わってしまい、再びインバータＢの入力がハイレベルとなり、出力がローレベルとなるというように繰り返してしまい、インバータＢは発振動作をしてしまいます。
インバータＢのハイレベル出力はＣ６を通してインバータＡの入力をハイレベル状態にします。この時電流はインバータＢの出力→Ｃ６→Ｒ１→Ｄ１→インバータＡの出力と流れます。
インバータＡの入力がハイレベル状態になると、インバータＡの出力はローレベルになります。Ｃ５には既にインバータＡの出力側をプラスとした電荷が溜まっており、その状態でインバータＡの出力がローレベル（０Ｖ）になったため、インバータＢの入力側の電圧はマイナス電位からスタートすることになります。Ｃ５の電荷の放電はインバータＢの入力→Ｃ５→インバータＡの出力と電流が流れることにより行われます。
Ｃ６に電荷が溜まってくると、電流が減り、インバータＡの入力電圧が下がります。インバータＡの入力電圧がインバータＡのスレッショルド電圧になると、インバータＡの出力はハイレベルとなります。
これで、説明の最初の状態に戻りました。
以後、この動作を繰り返します。
ここで疑問があるかも知れません。
最初、インバータＡの入力をローレベルとしました。
この回路の電源を投入した時点ではインバータの状態は定まっていません。ただ、インバータの特性は全く同じではありません。どちらかのインバータの出力が先にハイレベルとなり、それにより、状態が確定します。理想的なインバータ回路があった場合、繰り返し動作をしないことも考えられますが、実際にはそうはならず、繰り返し動作をします。
Ｃ５、Ｃ６の放電。
インバータが反転した後、Ｃ５またはＣ６は放電（電荷を逃がす）をする必要があります。
この放電にはインバータの入力から流れ出る電流が必要になります。
この放電が行えないと、次の周期で既に電荷が溜まっている状態からスタートするので、すぐにスレッショルド電圧になります。すなわち、繰り返しの周期が短くなるか、または、繰り返しが行われないことになります。
周期を長くしようとしてコンデンサの値を大きくしても放電が十分行われずに周期が長くならないこともあります。
また、インバータとして７４ＨＣ０４を使った場合、入力電流がほとんど流れないので、放電が行われず正常な動作をしません。
実際、７４ＨＣ０４で今回作成した回路を動作させてみました。最初は一見正常な動作をしましたが、しばらくすると両方のＬＥＤが同時に点灯したり、正常な動作をしませんでした。
繰り返し周期の計算
インバータが反転する周期はコンデンサ（Ｃ）、抵抗（Ｒ）およびスレッショルド電圧（ＶＴ）によって決まります。
厳密にはさらにＣの放電状況によっても変わります。
インバータＡの場合はＣ６とＲ１が関係し、インバータＢの場合はＣ５とＲ２が関係します。
コンデンサ（Ｃ）と抵抗器（Ｒ）が直列に接続された回路に電圧（Ｖ）が加わった場合の電流変化は以下の式で求めることができます。
i = (V/R)e-(t/CR)
| ｉ | ： | 時間と共に変化する電流 |
| Ｖ | ： | 印加電圧 |
| Ｒ | ： | 抵抗値 |
| ｅ | ： | 自然対数の底(2.71828) |
| ｔ | ： | 充電開始後の経過時間 |
| ＣＲ | ： | 時定数（Ｃ×Ｒ） |
抵抗器（Ｒ）の両端に加わる電圧の変化は
iR = Ve-(t/CR)
この値がＶＴと等しくなる時間がインバータの反転する時間になります。
VT = Ve-(t/CR)
時間（ｔ）は以下のようになります。
t = −CR ln(VT/V)
実際の値を当てはめてみます。
対数の値は対数表を見て下さい。
| Ｃ | ＝ | ４７０μＦ ＝ ４７０×１０−６Ｆ |
| Ｒ | ＝ | １ＫΩ ＝ １×１０３Ω |
| Ｖ | ＝ | ４．５Ｖ |
| ＶＴ | ＝ | １．４Ｖ（出力電圧が下がりきった時の入力電圧） |
| |
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| ｔ | ＝ | −（４７０×１０−６）×（１×１０３）×ｌｎ（１．４÷４．５） |
| ＝ | −（４７０×１０−３）×ｌｎ（０．３１） |
| ＝ | −（４７０×１０−３）×（−１．１７） |
| ＝ | ５５０×１０−３ |
| ＝ | ０．５５０秒 |
ＶＴ ＝１．０Ｖとした場合（出力電圧が下がり始める時の入力電圧）
他のパラメータは上記条件と同じ。
| ｔ | ＝ | −（４７０×１０−６）×（１×１０３）×ｌｎ（１．０÷４．５） |
| ＝ | −（４７０×１０−３）×ｌｎ（０．２２） |
| ＝ | −（４７０×１０−３）×（−１．５１） |
| ＝ | ７１０×１０−３ |
| ＝ | ０．７１０秒 |
実際の回路の周期を計測すると、赤のＬＥＤ（緑でも同じ）が一分間に４５回点灯します。
ｔは半周期の時間ですので、６０秒÷９０で０．６６７秒でした。
周期が計算値と合わない場合の主な原因として以下のことが考えられます。
コンデンサの
放電 | コンデンサの放電が行われないと、スレッショルド電圧に達するまでの時間が短くなります。 |
| Ｖ |
インバータ出力のハイレベル電圧が影響します。
今回の回路ではトランジスタ駆動のために定格より大きな電流を流しています。
測定では約４．５Ｖになっています。
この電圧が低くなると、時間は短くなります。 |
| ＶＴ |
ＩＣの種類によって違ってきます。
この電圧が低いほど時間は長くなります。 |
ダイオードの
電圧降下 |
ダイオードの電圧降下が影響します。
ダイオードに流れる電流により、ダイオードで電圧降下が発生します。
この値が大きいほど、周期は短くなります。 |
