1ビットメモリー フリップフロップ回路！

フリップフロップ回路

 

 前回の記事 で出てきたフリップフロップ回路が、トイラジコンヘッドライトのON・OFF切り替えに使えるか実験をしてみました！

1. フリップフロップ！

 フリップフロップ (flip-flop) は、二進法の基本である1ビットの情報を一時的に"0"または"1"の状態として記憶することができるすごい回路です

 

1.1 フリップフロップ回路とは？

 使われる場面によってはレジスタ (register) とも言われ。コンピュータの主記憶装置やキャッシュメモリ、レジスタを構成する基本回路の一つです。フリップフロップで構成するRAMをSRAMと呼びます。

 フリップフロップはその構造上揮発性で、情報は通電中のみ保持され電源が遮断されると保持していた情報は失われます。

 フリップフロップの語源はシーソーの左右の傾きやビーチサンダルを履いたときの音のパッタン・パッタンの擬音から名付けられたもので、方向転換や態度や決定の転換なども意味するそうです。

図1：「フリップフロップ」回路の中身

2. シュミレート！

 図1の回路は一般的にフリップフロップ回路の説明をする際に使用されるもので、消費電流を計算すると1ビットの情報を保持するのに常時5.35mAの電流が必要です

 このままだとバッテリー駆動のトイラジコンにとってecoじゃないので消費電流1mA未満(電源電圧3.3V)で1ビットの情報を保持出来るか、iPadのアプリ「iCircuit」を使って図2通りシュミレートしてみました。

 

○シュミレートの結果

 青トランジスタのコレクタ電圧が「3.05V(High)」の時はN-chMOSFETがON(ドレイン・ソース間が通電)し、LEDが点灯します。

 青トランジスタのコレクタ電圧が「0.054V(Low)」の時にN-chMOSFETがOFF(ドレイン・ソース間が絶縁)し、LEDが消灯しました。

 またLED消灯時の1ビットの情報を保持するのに必要な電流は350μA＝0.35mAと、目標の1mA以下になりました！

図2：回路シュミレート結果

 

○図2補足

 赤：青トランジスタと対で1ビットの情報を保持します

 青：このトランジスタのコレクタ電圧 High,Low＝0,1 の情報

 緑：フリップフロップ回路に保持された情報が1ならLED点灯、0ならLED消灯

 紫：GND、回路全体で消費された電流

3. 回路

 図2でシュミレートした回路をfritzingを使って図3の通りブレッドボード上に配置する回路を描いてみました。

 図3を元に実際に表1部品をブレッドボード上に配置したものが図4です。

 

表1：部品一覧

品名	数量
スライドスイッチ(SS-12E01G3)	2個
NPNトランジスタ(2SC1815)	2個
Nch-MOSFET(2SK4017)	1個
LED(LLED-W301)	1本
抵抗(15Ω)	1本
抵抗(10kΩ)	2本
抵抗(100kΩ)	2本

 

図3：ブレッドボード配線図

図4：実際に作ってみました

4. 実験！

 図4の回路に3.3Vの電源を供給した状態が図5です。

 

○左のスライドスイッチ

 右にスライド(ON)するとLEDが点灯し、その情報はフリップフロップ回路に保持されるのでスイッチを左に戻(OFF)してもLEDは点灯したままです。

 

○右のスライドスイッチ

 次に右のスライドスイッチを左にスライド(ON)するとLEDが消灯し、その情報はフリップフロップ回路に保持されるのでスイッチを右に戻(OFF)してもLEDは消灯したままです。

○左右のスライドスイッチ

 因みに左右のスライドスイッチをONするとLEDは点灯したままになり、スライドスイッチを右→左の順にOFFにするとLEDは点灯したまま、スライドスイッチを左→右

の順にOFFにすると消灯したままになります。

図5：無事タイマー1ビットの情報が保持されました！

 

○回路の消費電流

 図5のフリップフロップ回路に、実際どのくらい電流が流れているか測定してみました。

 1ビットの情報を保持する為に消費している電流は表1の電流制限抵抗の値が「∞」の0.5mAです。

 因みに今回使用したLEDは15～20mA位流したいので、3.3V電源においてはLEDの電流制限抵抗を15Ωにすると16.1mA流れて丁度良い感じでした。

 

表1：LEDの電流制限抵抗別消費電流

抵抗(Ω)	電流(mA)
10	19.3
15	16.6
33	11.0
100	5.4
∞	0.5

※論理1が保持されている図5回路(N-chMOSFETが通電状態)で、LEDに接続する電流制限抵抗を10,15,33,100,∞と変えた時に回路全体に流れる電流をCD732を使って測定しました。

 

5. まとめ

 これでコントローラーのボタンを押し続けなくてもラジコンのヘッドライトを点灯(消灯)し続けられます！

 

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