CD4093B のスイッチ入力の不具合

質問

CD4093 のスイッチ入力で不具合があり、悩んでいます。

回路は DC14V の基板です。シュミットトリガ CD4093B があり、押しボタンスイッチからの入力を受け付けます。CD4093B の入力はスイッチ入力なしで +14V、ありで 0V です。入力は 100k の抵抗でプルアップしてあり、入力とグラウンドとの間に 0.01uF のコンデンサが入っています。

14V
+
R
+SW-+---> IC CD4093B
| C
| +
GND GND

ある機種では（機種Aとします）、押しボタンスイッチと基板にあいだの配線長は 30cm 程です。この機種Aでは問題は起きていません。ボタンを押すと動作します。

しかし、もう一方の機種Bでは配線長が 2m くらいあるのですが、スイッチを押しても CD4093B の出力が変化しないときがあります。現状では、スイッチを交換すると動くので、スイッチを交換していますが、実際には回路に問題があるのではないかと思っています。

試しに C を変えてみますと、0.1uF ではスイッチを押しても反応したりしなかったりと問題が再現します。このことから、配線が長くなると配線間の容量が増え、現象が起きるのかと考えていますが、どうすれば修正できるのかは見当が付かず頭を抱えています。

この抵抗とコンデンサの値は下記のデータシートを参考にしました。

この問題がどうして起きるのか、どうすれば解決できるのか、ご助言いただければと思い投稿しました。よろしくお願いいたします。

CD4093 のデータシート
http://www.ti.com/lit/gpn/cd4093b

回答No.2

noname#230359

CD4093の電源と同じ14V　　　
│
　　　　　　　　　　　　10kΩ程度
　　　　　　　　　　　 　　│　
CD4093入力─┬─10kΩ程度─┴─────　
　　　　　　│　　　　　　　　　　　　入力のスイッチ
　　0.1μ程度のコンデンサ　 　　┌──
　　　　　　│　　　　　　　　　│
　　　　　ＧＮＤ　　　　　　　ＧＮＤ

JO_Oさんのこの回路ではRC積分回路にはなりませんぞ。
RCを逆にしてくだされ。
流れ出し電流で10KオームがLowになるかIiloをデータシートで
チェックが必要です。

JO_Oさんのこの回路は元質問記事の回路図の左右を逆に書いた
のですね。それならOKです。

Iilo=0.1uAなら10KΩでLowに下げられるので、それでOKです。

0.1uFの充放電の時定数の対象性（波形の立ち上がり、立下りの形の時間）
を持たすには、
　　 14V　　　
│
　　　　　10kΩ程度
　　　 　　　|　
CD4093入力─+─10kΩ程度──────　
　　　　　　│　　　　　　　　　　　入力のスイッチ
　　0.1μ程度のコンデンサ　 　　┌──
　　　　　　│　　　　　　　　 │
　　　　　ＧＮＤ　　　　　　　ＧＮＤ

こちらのほうがBetterです。

なお、RC積分回路の抵抗は10KΩまで大きくしなくても100Ω程度でも
このケースの不具合は切れると思われます。

>この問題がどうして起きるのか

定性的な話しで説明すると、プルアップ抵抗Rにより、Cに電荷が充電
されており、その電荷がスイッチを押した瞬間に電流として流れだすわけですが、その流れ方が、電線が長いとコイルとして動作するために、コイル成分が、流れようとする電流を流さんぞという逆らった振る舞いをする結果、波を打ったような電気信号が発生してしまうのです。
この現象は電気回路でLRC回路の過渡現象として知られています。

解決策は　 r > 2√(L/C)の条件を満たす抵抗r[Ω]とコンデンサC[F]
によるRC積分回路を作ることになります。
データシートでFig.21のC≦0.001[uF]と書かれていることとは、
上の式と深いかかわりがあることになります。

お礼

教えていただいた回路で問題が解決しました。
（スイッチ側の抵抗は 100Ω にしました）
LRC回路の過渡現象という原因も教えていただき、大変参考になりました。
どうもありがとうございました。

ただ、ちょっと気になるのですが、

> このとき、保護ダイオードが壊れる可能性も考慮して、R,Cの定数を
> 定めないと、耐久性の良くない長く使ってるうちにしばらくしてから
> 壊れるスイッチ回路になるので、そこも気を配って考えると安全です。

という箇所です。
これに対処するためには、C を 0.01uF にしたほうがいいのでしょうか？

故障が出た機械を待っていたので返事が遅れ、失礼しました。

補足

E=mc^2 さんの回路では、スイッチを押したとき、10kΩの抵抗で分圧されて、IC の入力電圧が 7V になってしまうのではないでしょうか。

回答No.1

noname#230359

毎度ＪＯです。
CD4093は２input NANDです、今回の回路ではこの２つの入力を短絡してご使用ですか？
そうでなければ、残りの入力はどのように処理されてますか？？
仮にオープンですと、入力の状態は「不定」です。

CD4093などのCMOSデバイスでは、入力に過度な電圧が入力されると「ラッチアップ」なる現象が発生します、
CMOSロジックの入力回路を、何も処理せず裸のまま２ｍも引き回すのは関心しません、
下記の、入力保護を兼ねた積分回路を通せば安全です

　　　　　　　　　CD4093の電源と同じ14V　　　
│
　　　　　　　　　　　　10kΩ程度
　　　　　　　　　　　 　　│　
CD4093入力─┬─10kΩ程度─┴─────　
　　　　　　│　　　　　　　　　　　　入力のスイッチ
　　0.1μ程度のコンデンサ　 　　┌──
　　　　　　│　　　　　　　　　│
　　　　　ＧＮＤ　　　　　　　ＧＮＤ

再度ＪＯです。
>>流れ出し電流で10KオームがLowになるかIiloをデータシート

TTL ICならば流れ出し電流を考慮する必要もありますが、CD4093はCMOSロジックICです、
データシートのＵＲＬが提示されているのですが、確認なさらなかったようです、
データシートによると、Input Currentは25℃で最大±0.1μAとなっています、
今回のCD4093は、シュミットトリガ入力ですので、上記の回路で問題は無いと思われますが！

お礼

教えていただいた回路で問題が解決しました。
（スイッチ側の抵抗は 100Ω にしました）
どうもありがとうございました。

補足

お返事ありがとうございます。

> CD4093は２input NANDです、今回の回路ではこの２つの入力を短絡してご使用ですか？

そうです。短絡しています。

ご助言いただいた回路を、問題が出た機械で試してみます。