ＳＷ入力回路のＧＮＤ浮き対策

質問

ＳＷ入力回路のＧＮＤ浮き対策について教えて下さい。

回路構成は、入力側からＳＷ→ＮＰＮデジトラ→マイコンであり、
ＳＷ_ＯＮで５Ｖ、ＯＦＦで０Ｖをマイコンへ入力します。
ＳＷではＧＮＤ浮き（約０.５Ｖ～１Ｖ）があり、その対策として
ＳＷ→ＮＰＮデジトラ間にＰＮＰデジトラを挿入されています。

ＰＮＰを挿入することで何故ＧＮＤ浮き対策になるのでしょうか。
またＰＮＰ挿入によってマイコンへのＯＮ／ＯＦＦ論理が反転して
しまうのではないでしょうか。（ＳＷ_ＯＮで０Ｖ、ＯＦＦで５Ｖ）

ご存知の方がおられましたら、ご指導よろしくお願い致します。

回答No.2

noname#230359 · ベストアンサー

>ＳＷ→ＮＰＮデジトラ間にＰＮＰデジトラを挿入されています。
>ＰＮＰを挿入することで何故ＧＮＤ浮き対策になるのでしょうか。
　　そのNPNデジトラは、内部の抵抗がどのように接続されているタイプでしょうか。
　　入力端子→抵抗→TR(B)の「ベースに直列に抵抗の入っているデジトラ」でしょうか。

　　もし、抵抗がベースに直列に入っているだけのデジトラならば、仰るように
　　SWの残留電圧の0.5Vは、トランジスタがONする0.6Vに近いので、ONと感じてしまいそうですね。
　　また、SWとNPNデジトラ間にPNPデジトラを入れるということは、そのPNPデジトラの(E)は
　　5Vに接続されるでしょうから、5V線から見て、0.6V以上下がったところでトランジスタがONする、
　　つまりGND線から見ると、4.4Vの電圧が勝負の境目となり、
　　たとえSWの残留電圧が1Vあったとしても、4.4Vより下なのでトランジスタはONになる、
　　という理由でしょう。
　　でも、この場合でもPNPデジトラがOFFになっている電圧範囲は、
　　+5V～+4.4Vの約0.6V程度しかなく、ノイズマージン(余裕)としては、
　　on/offで平等になっていませんので、あんまり賢いやり方ではないです。

>またＰＮＰ挿入によってマイコンへのＯＮ／ＯＦＦ論理が反転して
>しまうのではないでしょうか。（ＳＷ_ＯＮで０Ｖ、ＯＦＦで５Ｖ）
　　もしそのままPNPのデジトラを挿入したのでしたら、仰るように論理は反転すると
　　思われます。しかし、ちゃんと動いているのであれば、某かの改造が追加されている
　　可能性が高いと思います。

　　ご参考 -------------
　　デジトラには、上記デジトラのように、入力→抵抗→(B)に加えて、
　　TR(B)-(E)間にも抵抗がつながっている「分圧型のデジトラ」というタイプがあります。
　　入力電圧を「それら2本の抵抗で分圧した電圧が0.6V以上」になると
　　トランジスタがONになるので、入力が0.5VそこそこではONにらならいような気がします。
　　例えば、DTC143Eなどは10K-10Kの分圧型なので、1.2V以上にならないとonしないことになります。
　　これに、さらに外部で抵抗を直列に入れる、例えば　入力→抵抗(外部)→デジトラ(入力)とすれば、
　　分圧比がさらに大きくなりますので、3V来ないとデジトラがONしないという回路も容易にできます。
　　さらに外部の抵抗とデジトラの入力の接続点からGNDとの間にコンデンサを入れれば、
　　チャタリングなどのフィルタにもなります。ダイオードを入れれば、過電圧の防止もできるという
　　便利な回路で、私の定番回路の一つです。
　　むやみに?(失礼)PNPを入れてマージン(余裕)を稼ぐのもどうか、と思います。

　　私はスイッチの共通側が+5VかGNDかによって、次のように使い分けています。
　　　SWコモンがGNDのとき
　　　　　・+5V→Pull UP抵抗→SW→GND
　　　　　・SW→PNPデジトラ→デジトラ(C)→抵抗→GND
　　　　　・その抵抗→マイコン
　　　SWコモンが+5Vのとき
　　　　　・+5V→SW→Pull DOWN抵抗→GND
　　　　　・SW→NPNデジトラ→デジトラ(C)→抵抗→+5V
　　　　　・その抵抗→マイコン
　　　いずれも、SW接点閉→マイコン入力=Hとなります。

>上記よりNPNの場合は、1.3V以上でONすることもあり3.0V以上なら確実にONしていると解釈
　　はい、その通りで良いと思います。
　　「製造上のバラツキや温度特性を考慮すると、ONと感じる電圧がこの範囲になりますよ」
　　ということです。
　　ただ、ここで注意すべき点があります。
　　　　・「ON」の定義
　　　　　　　東芝のデータシートによれば、上記1.3V～3V以上の値は、
　　　　　　　「コレクタ電流が5mAになるとき」としています。
　　　　　　　ですから、ユーザーが3mAでONとして取り扱いたいときは、この電圧よりも
　　　　　　　低い電圧でONになります。

>ただこの解釈では2.0VではONしない可能性もあり、解釈が正しいのか不安です。
　　はい、その通りONしない可能性はあります。

>またPNPの－1.3V～-3.0Vの－はどのように解釈すれば宜しいのでしょうか。
>NPNと同じく+1.3V～+3.0Vではないのでしょうか。
　　トランジスタがONするためには、E(エミッタ)から見てB(ベース)が0.6Vになったときで、
　　この方向を「+0.6V」と決めたのでしょう。ですから、PNPの場合は、
　　「Eから見てBが」-0.6Vになったとき....と「-」が付きます。
　　コレクタ電圧も同じで、「Eから見てCが5Vのとき」を+5Vと規定しています。
　　よってコレクタ電流も、コレクタが「電流を吸い込む」方向を「+」とし、
　　PNPのようにコレクタから「吐き出す」方向が「-」になっています。

　　ご参考------------
　　・デジトラ(ロームの商標)とは言っても、内部のトランジスタはアナログ的に動作しますので、
　　　入力が0～1.3Vの範囲はコレクタ電流が0mAで、
　　　1.3Vを超えると突然「ポンと5mA流れる」わけではなく
　　　コレクタ電流は途中からジワジワと増えていく、という事を考慮する必要があります。
　　・またデジトラは、元来デジタル回路で使うのを前提にしています。
　　　つまり、0V→5V(?)など L→Hに「瞬時に切り替わる信号入力」が前提です。
　　　その場合、1.3V～3.0Vのあいまいな領域は「アッという間」に通過するため、
　　　「HとLの各電圧から余裕のある場所」でONしてくれるのなら、
　　　2V～3Vでも、1V～2.5Vでも回路設計者にとっては、あまり関係が無いんです。
　　　(逆にこれを深く考えなくても良いところが、デジトラの便利なところなんですけどね)
　　・今回心配されているような「○○V以下のときはONで」などを確実に規定したいのであれば、
　　　コンパレータICを使うのが正しい道だと思います。

　　今回のご質問で、「SWの残留電圧が0.5V～1Vある」とのことですが、
　　そもそもの問題点は、この電圧が大きいことにあると思います。
　　通常の機械的なSWでそれほどの残留があるのは変で、
　　SWの接触抵抗が大きすぎる(接触不良になっている)か、電流を流し過ぎか、
　　装置からSWまでの配線長が長く、配線抵抗の電圧降下のいずれかだと思います。
　　あるいはSWとは言っても、実はトランジスタのオープンコレクタだったりして。
　　通常、機械SWでもトランジスタ出力でも5mA程度にすれば残留は問題はないと思います。

お礼

御丁寧なご指導ありがとうございます。
デジトラのON電圧についてお伺いしても宜しいでしょうか。

NPNは東芝RN1403、PNPは東芝RN2403です。
ON電圧は、RN1403：1.3V～3.0V、RN2403：-1.3V～-3.0Vと記載されています。
上記よりNPNの場合は、1.3V以上でONすることもあり3.0V以上なら確実にON
していると解釈しています。
ただこの解釈では2.0VではONしない可能性もあり、解釈が正しいのか不安です。
またPNPの－1.3V～-3.0Vの－はどのように解釈すれば宜しいのでしょうか。
NPNと同じく+1.3V～+3.0Vではないのでしょうか。

基本的な質問で申し訳ありませんが、ご教授お願い致します。

回答No.1

noname#230359

毎度ＪＯです。
NPN型のトランジスタによるスイッチングは、出力側コレクタ電圧がＳＷのように0Vになりません
トランジスタの使用方法にもよりますが、0.5V とか0.1Vの電圧になります、
この事は入力側ロジックの「LO電圧」に影響を与えます、
ＴＴＬであれば「LO」は0.6Vであり、「HI」は3.5Vとかになります、
５Ｖの電源電圧であれば、NPN出力では0.5Vとすると、PNP出力では4.5Vとかになり、
明らかにPNP出力の方が「余裕」がある事になります。

毎度ＪＯです。
>>確実にONしている状態とか中途半端なON状態という状況はあるのでしょうか

トランジスタをスイッチングで用いる場合「飽和領域」での使用となります、
飽和領域とは、コレクタの電圧がスイッチングにより、ベースの電圧より低い状態、約0.6V以下の時となります、

飽和領域にする為には次式を満たす事
コレクタ電流 ＜　ベース電流ＸHFE(直流電流増幅率）
　　注）HFEはコレクタ電流や温度により変化します
上記の状態が満たされれば、トランジスタはスイッチングしている事になります、
通常、トランジスタを「スイッチング」で使用する場合、上記の式を「十分」に満たすだけのベース電流を流します。

お礼

いつも素早いご教授ありがとうございます。

>NPN型のトランジスタによるスイッチングは、出力側コレクタ電圧が
>ＳＷのように0Vになりません

上記内容は、コレクタ－エミッタ間飽和電圧（約0.3V）のことでしょうか。
他の方へのお礼にも書かせて頂いておりますが、
トランジスタのON状態で、確実にONしている状態とか中途半端なON状態と
いう状況はあるのでしょうか。
設計上に大きく関わる電気的特性（CE飽和電圧etc）はありますでしょうか。

ご存知でしたらご教授お願い致します。