CMOS 555長時間赤色LEDフラッシャー：信頼性の高い精密ドライバ回路

部品と材料

• 単3電池2個（新品アルカリ推奨）
• 電池クリップ（Radio Shack #270‑398B）
• デジタルマルチメータまたは電圧計
• U1 — CMOS TLC555タイマーIC（RS #276‑1718または同等品）
• Q1 — 2N3906 PNPトランジスタ（RS #276‑1604または同等品）
• Q2 — 2N2222 NPNトランジスタ（RS #276‑1617または同等品）
• D1 — 赤色LED（RS #276‑041または同等品）
• R1 — 1.5MΩ、¼W、5%公差抵抗
• R2 — 47kΩ、¼W、5%公差抵抗
• R3 — 2.2kΩ、¼W、5%公差抵抗
• R4 — 27Ω、¼W、5%公差抵抗（LED順方向電圧に合わせて調整）
• C1 — 1µFタンタルコンデンサ（RS #272‑1025または同等品）
• C2 — 100µF電解コンデンサ（RS #272‑1028または同等品）

関連リファレンス

• Lessons In Electric Circuits、第1巻、第16章 — 電圧と電流の計算
• Lessons In Electric Circuits、第1巻、第16章 — 未知時間の解法
• Lessons In Electric Circuits、第3巻、第4章 — バイポーラ接合トランジスタ
• Lessons In Electric Circuits、第3巻、第9章 — 静電気放電
• Lessons In Electric Circuits、第4巻、第10章 — マルチバイブレータ

学習目標

• 実回路でRC時定数概念を適用する
• 非安定555タイマー構成を探究する
• デューティサイクルを理解し、計算する
• 感度の高いCMOSデバイスのESD保護を実装する
• トランジスタで電流能力をブーストする
• 適切なLED直列抵抗を計算する

回路図

イラストレーション

手順

ESD対策
TLC555は静電気に非常に敏感なため、Lessons In Electric Circuits第3巻、第9章のガイドラインに従ってください。帯電防止リストストラップまたはアースされたマット上で作業してください。

この設計は、以前の「最小部品長時間赤色LEDフラッシャー」をベースに、トランジスタドライバを追加し、電池電圧が低下してもLED電流を安定させます。

Q1とQ2は、TLC555の出力ドライブを維持しながら低負荷・高利得ドライバを形成します。電池電圧が2V付近まで低下しても、ドライバはQ2を飽和させるのに十分な電流を供給し、オンフェーズ中にLEDを完全に点灯させます。

LED順方向電圧（V_F）は個体差があるため、R4は目標〜20mAを維持するよう選択する必要があります。例：

• V_F = 2.5V → R4 ≈ 27Ω（18.5mA）
• V_F = 2.1V → R4 ≈ 47Ω（20mA）
• V_F = 1.5V → R4 ≈ 75Ω（20mA）

LEDをフル点灯させ（赤ジャンパー使用）、V_Fを測定し、以下でR4を計算：

R4 = (3V – V_F) / 0.02A

C2（100µF）を交換すると一時的に電池寿命が減少します。LEDは1〜2週間で暗くなりますが、コンデンサ復元後数秒で回復します。新品単3電池で、このフラッシャーは最大3ヶ月間連続動作可能です。

動作理論

トランジスタドライバは、エミッタフォロワ段（Q1）に続けて共通エミッタ段（Q2）を採用。この構成は：

• 非常に高い入力抵抗（≥100kΩ）で、TLC555には最小負荷しかかけません。
• Q2を飽和させ、各サイクルでLEDを完全にオンにする強力なドライブを提供。

Q1のβ（最小約50）がエミッタ抵抗を乗算し、ドライバが555 ICに与える負荷を無視できるレベルに保ちます。同一トランジスタファミリ内での利得変動があっても設計は堅牢です。Q1がオンになると、約1mAをQ2に供給し、Q2を飽和させてLEDをオンにします。