(ホントは７４ＨＣ、ＣＭＯＳなんだけど…）
［第１２６回］
●ＲＣ発振回路の動作の説明です
７ｓｅｇＬＥＤ表示回路で、７４ＨＣ１９１のＣＫ入力には、抵抗、コンデンサとＣＭＯＳインバータを使った、ＲＣ発振回路からの出力を使います。
今回は、このＲＣ発振回路の動作について説明をいたします。
改良後の７ｓｅｇＬＥＤ表示回路は［第１２４回］にありますが、今回はＲＣ発振回路の部分のみ切り取って再掲します。
ＣＭＯＳインバータ２個と抵抗２本、コンデンサ１本だけという、きわめてシンプルな発振回路です。
今回のＬＥＤ表示回路のように、アバウトな周波数でかまわないときなど、なかなか重宝する回路です。
しかし、簡単そうに見えるシンプルな回路の割には、その動作はそれほど簡単なものではありません。
順を追って説明していくことにしましょう。
以下の説明を少しでも分かり易くするために、上の回路から抵抗値を一旦外して、一般的なＲ１、Ｒ２、Ｃ１の記号を使うことにします。
また、電圧の変化のポイントになるところに（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の記号をつけることにします。
こんな感じです。
さて、まず最初に［図１］のように７４ＨＣ０４の１ｐｉｎがＬだったとします。
Ｒ１は回路の保護のために入れてあるものです。Ｒ１には電気は流れません（はずなのですが、実はしっかり流れてしまいます。そのことについてはのちほど説明します。ここでは公式通り流れないことにしておいてください）。
回路の主役はＲ２とＣ１です。
１ｐｉｎがＬ（０Ｖ）ということは、（Ｂ）も０Ｖということです。
ここからお話が始まります。
（Ｂ）つまり１ｐｉｎが０Ｖですから、インバータの出力である（Ｃ）は当然＋５Ｖになります。
するとその後ろのもうひとつのインバータの出力である（Ａ）は０Ｖになります。
ここまでは、デジタル回路がわかる方なら誰でも、当たり前に納得できるところです。
すると、Ｒ２とＣ１には、（Ｃ）の＋５Ｖから図の矢印の向きに、Ｃ１を充電するように電気が流れます。
うーん。そこのところが、ちょっとだけ、わかりにくい。ですか？
わかりやすいように、［図１］を少し描きかえてみましょう。
（Ａ）は０Ｖで、インバータの出力ですから、このときはＧＮＤとショートしているのと同じことになります。
それなら、［図２］のように、Ｃ１を（Ａ）から離して、ＧＮＤに直接つないでしまっても、同じことになるはずです。
すると、［図２］では（Ｃ）の＋５Ｖから、Ｒ２を通って、Ｃ１に矢印の向きに充電電流が流れることがわかりますね。
Ｃ１は充電されていきますから、時間の変化につれて、（Ｂ）点の電位が上がっていくことも納得できると思います。
（Ｂ）点の電圧の変化をグラフにしたのが、［図２］の右側の図です（充電曲線ですから、本当は曲線ですが、模式的に直線で示しました）。
ここまでは、まずまず当たり前の話なのですが、そのようにして、やがて（Ｂ）点の電圧が＋２．５Ｖになると、突然、信じられない、とんでもない変化が発生します。
●インバータの入力が＋２．５Ｖを越えると、とんでもないことがおきてしまいます！
まずは、とんでもないことがおきてしまう、その直前の状態を回路図で示します。
（Ｂ）点の電圧が＋２．５Ｖを越えると、Ｒ１には電気は流れませんから、その電圧はそのまま、インバータのｐｉｎ１の入力電圧になります。するとインバータの出力が反転して、＋５Ｖだったものが０Ｖになります。図では→０Ｖという意味で、->0Vと表記してあります。つまり（Ｃ）点の電圧が、０Ｖになります。
すると、（Ａ）点の電圧は逆に０Ｖが反転して＋５Ｖになります。図では->+5Vと表記してあります。
この瞬間にとんでもないことがおきてしまいます。
［図４］を見てください。（Ｂ）点の電圧が、突然、なんと＋７．５Ｖに急上昇してしまいます。
そんな、ばかな！
＋５Ｖしか供給していない回路なのに、どうして？
その説明をする前に、実物をお見せしましょう。
コンデンサの両端の波形です。
上側は（Ａ）点、下側が（Ｂ）点です。
写真の左端、（Ｂ）点の電圧がだんだんと上昇していって、＋２．５Ｖになった途端、いきなり＋７．５Ｖまで上昇しています。
そのタイミングは上の（Ａ）点の電圧が０Ｖ→＋５Ｖになるのと同時のように見えます。
なぜこんな不思議なことがおきるのでしょうか？
●コンデンサが２階に？
もう一度、［図２］を見てみましょう。
このことがおきる直前まで、コンデンサＣ１はＲ２を通して充電されていました。
その結果、（Ｂ）点の電圧が上昇して＋２．５Ｖになったのでした。
このとき、コンデンサＣ１は＋２．５Ｖまで充電されていたことになります。
そして、その次の瞬間、いままで０Ｖの上に乗っていたＣ１は、（Ａ）点が＋５Ｖになったため、いきなり＋５Ｖの上に乗っかってしまったのです。いままで１階にいたのに、いきなり２階に上がってしまったようなものです。
わかりやすいように、［図４］を描きなおしてみます。
（Ａ）点は＋５Ｖで、その上に、＋２．５Ｖに充電されたコンデンサが乗っているわけですから、ここは［図５］のように、＋５Ｖのバッテリの上にもうひとつ＋２．５Ｖの電池（ほんとうはコンデンサですけれど）が直列になって乗っている、と考えることができます。
そして（Ｃ）点は０Ｖ（ＧＮＤ）ですから、＋２．５Ｖに充電された電池（コンデンサ）がＲ２を通して、矢印の向きに放電することが理解できると思います。
この矢印の向きに流れる電流は［図４］の矢印の方向になります。
最初のＣ１への充電が行われたときと、電流の向きが逆になっています。
今回は放電ですから、（Ｂ）点の電圧は＋７．５Ｖから、放電が進むにしたがって低下していきます。
●放電し終わって、Ｃ１の電圧が０Ｖになったら、そこで止まる？
ところが、コンデンサＣ１が完全に放電してしまっても、電流は流れつづけます。（Ｂ）点の電圧は、＋７．５Ｖだったものが、＋５Ｖになっても、下げ止まらないで、＋４Ｖ、＋３Ｖと低下していってしまいます（［図６］）。
いったい、どうしたことでしょう。
今回もわかりやすいように、［図４］または［図５］で、Ｃ１が放電を終わったあとの回路の状態を描きなおして示してみましょう。
Ｃ１が放電してしまっても、（Ａ）点は＋５Ｖのままですから、これはＣ１が直接Ｖｃｃに接続されているのと同じことになります。
すると［図７］の左の図の形になりますから、Ｖｃｃから、Ｃ１を充電するように、矢印の向きに電流が流れます。
いや、そんな充電回路は見たことがないぞ。と言われる方は、［図７］の左の図の抵抗とコンデンサの位置を逆にして、右の図のようにしてみてください。ほら、ね。充電回路に間違いありませんね。
（もちろん、右の図は、理解を助けるために、わざと抵抗とコンデンサを逆にしてみただけで、左の回路が右の回路と同じ、という意味ではありません）
［図７］の左の図で、コンデンサが充電されていくと、コンデンサの両端には電圧が発生してきます。
Ｖｃｃは＋５Ｖのままですから、（Ｂ）点の電圧は＋５Ｖから、だんだんと低下していくことになります。
それが、［図６］のグラフで示した、（Ｂ）点の電圧の推移です（右下がりの斜線）。
（Ｂ）点の電圧がだんだんと低くなっていって、ついに＋２．５Ｖまで下がると、またもや信じられないことがおきてしまいます。
●インバータの入力が＋２．５Ｖ以下になると、ふたたび、とんでもないことが…
まずは、ふたたびとんでもないことがおきてしまう、その直前の状態を回路図で示します。
（Ｂ）点の電圧が＋２．５Ｖ以下になると、Ｒ１には電気は流れませんから、その電圧はそのまま、インバータのｐｉｎ１の入力電圧になります。するとインバータの出力が反転して、０Ｖだったものが＋５Ｖになります。図では→＋５Ｖという意味で、->＋５Vと表記してあります。つまり（Ｃ）点の電圧が、＋５Ｖになります。
すると、（Ａ）点の電圧は逆に＋５Ｖだったものが反転して０Ｖになります。図では->０Vと表記してあります。
この瞬間にふたたびとんでもないことがおきてしまいます。
［図９］を見てください。（Ｂ）点の電圧が、突然、今度はなんと−２．５Ｖに急低下してしまいます。
ふたたび、そんな、ばかな！…です。
さきほどいきなり＋７．５Ｖになったと思ったら、今度は一転して、なんとマイナス電圧になってしまった？
さきほどの写真をもう一度、よく見てください。
０Ｖより下は画面から隠れていて見えませんが、その波形から、確かに、０Ｖ以下に下がっている部分があることは、間違いありません。
●今度は、コンデンサが地下に？
もう一度、［図７］（の左の図）を見てみましょう。
このことがおきる直前まで、コンデンサＣ１はＲ２を通して充電されていました。
しかし［図２］のときと充電電流の向きが逆になっています（［図２］と［図７］では天地が逆になっています）。
今回はコンデンサに充電されるにつれて、（Ｂ）点の電圧が低下して＋２．５Ｖになったのでした。
このとき、コンデンサＣ１は＋２．５Ｖまで充電されていたことになりますが、Ｃ１の両端の電圧を見ると、充電完了直前まで（Ａ）は＋５Ｖのままで、そして（Ｂ）は＋２．５Ｖに向かって低下していたわけですから、（Ｂ）はコンデンサのマイナス側になっていることがわかります。
そして、その次の瞬間、いままでその＋側が＋５ＶにつながっていたＣ１は、（Ａ）点が０Ｖになったため、いきなり０Ｖに＋側がつながった形になり、その結果、Ｃ１のマイナス側にある（Ｂ）点は、Ｃ１に充電された電圧（＋２．５Ｖ）だけ、０Ｖよりマイナス側に位置することになってしまったのです。いままで１階にいたのに、今度はさきほどとは逆に、いきなり地下にもぐってしまったようなものです。
うーん。これは、わかりにくいですね。
［図９］をまた描きかえてみましょう。
こんな感じです。
（Ｃ）点は＋５Ｖ、（Ａ）点が０Ｖ（ＧＮＤ）で、そこに＋２．５Ｖに充電されたコンデンサがつながっているのですから、（Ｃ）と（Ａ）の間に＋５Ｖの電池が入っていると考えると、納得できると思います。
すると矢印の向きに電気が流れることもわかりますね。
ですから、［図９］では矢印の向きに電気が流れている、ことになります。
この向きに電気が流れることによって、コンデンサが放電されていきます。
そして、コンデンサが放電するにつれて、（Ｂ）点の電圧は−２．５Ｖから、だんだん上昇し０Ｖに近づいていきます（［図１１］）。
そしてＣ１が完全に放電して、（Ｂ）が０Ｖになると、今回の説明の最初の状態になります。
以上、説明してきましたように、コンデンサが充電されることで、インバータの出力が反転し、するとそれによってコンデンサが放電し、今度は逆の向きにコンデンサが充電され、それによって、またインバータの出力が反転し、そして、それによって、またコンデンサが放電し…、ということを繰り返すことで、方形波の発振が行われることになるのです。
今回はここまでで、ひとまず説明を終わります。
次回は、もう少し、この続きをしたいと思います。
２００８．１２．１５ｕｐｌｏａｄ
２００８．１２．１６一部加筆・書換
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