作りながら学ぶArduino+=電子工作入門

　Arduino UNO R4 WiFi で複数個のリレーを駆動し、3W LEDを点滅させます。

●環境

• Arduino IDE；2.3.4
• Windows11；24H2
• Arduino UNO R4 WiFi 

●使用するリレー

　市販品のリレー・ボードを利用します。

　　リレーモジュール 5v　（アマゾン）

　1回路用と2回路用を利用します。1回路用はトランジスタで駆動していて、2回路用はフォトカプラ＋トランジスタのようです。動作を確認します。

 　Vcc-GND端子に5Vを印加します。

＜1回路＞　GND-IN端子に下記の電圧を印加しました。2.5V以下だとリレーがカチっとなりました。負論理のようです。

＜2回路＞　GND-IN1もしくIN2端子に下記の電圧を印加しました。0.6V以下だとリレーがカチっとなりました。負論理のようです。

　どちらのリレーも負論理で、確実にONするには0.5V以下の電圧で制御するのが良いようです。

　けれど、

　　今から始める電子工作 Step2 ① I/Oポートの状態と消費電流

で検証したように、どのI/Oポートも、電源が入った直後デフォルトではLowでした。したがって、これらのリレーをつないで、マイコン・ボードに電源を入れたら、リレーはONになってしまいます。多くの場合、不都合です。

　リレー用電源をマイコンとは別系統にしておき、マイコン側で、I/OをHighにした後、リレーの電源を入れるという手順を踏めば、このまま利用できますが、煩雑です。

●マイコン・ボードが動き始めたとき、リレーがONにならないようにする

　マイコンのI/O出力がLowのとき、リレーはONになります。マイコンのI/Oとリレーの間に、論理を反転する回路を入れることを考えます。

＜トランジスタを1個＞

　下記の記事で、「LED＋電流制限抵抗」の負荷を、抵抗負荷に変更して実験します。

　　今から始める電子工作 Step2 ③ I/Oポートからリレーを駆動　その2 2SC1815

　負荷抵抗R3は、470Ω、1k、4.7kの3種類を試します。Vccは4.99Vです。

＜R3＝470Ω＞

＜R3＝1kΩ＞

＜R3＝4.7kΩ＞

　反転回路として利用するとき、ベースの電圧が2Vを超えれば、どの負荷抵抗でも確実に動作しています。違いは、コレクタ電流です。できれば、1k～4.7kが良いように思えます。

＜MOSFETを1個＞

　負荷抵抗R3は、470Ω、1k、4.7kの3種類を試します。

＜R3＝470Ω＞

＜R3＝1kΩ＞

＜R3＝4.7kΩ＞

　反転回路として利用するとき、ベースの電圧が2Vを超えれば、どの負荷抵抗でも確実に動作しています。違いは、ドレイン電流です。できれば、1k～4.7kが良いように思えます。

　R3＝4.7kΩのまま、ドレインに市販の1回路のリレーをつなぎ、動作を確認します。

　ゲートに3.5Vを印加すると、リレーからカチッと音が鳴りました。この市販リレー・ボードは、電源をつなぐと赤色LEDが点灯し、Lowの信号がINに入ると緑色LEDが点灯します。

＜ロジックICの74HC04（TopView）＞

　74HC04を利用します。このICは反転回路が6個入っています。実験は1-2端子で行いました。

　14番ピンのVccと7番ピンのGND間には5Vの電源を供給しました。

●マイコンとの接続

　1回路用を二つ、2回路用のリレー・ボードを一つ用意して、Arduino UNO R4 WiFi のD12、D11、D10、D9をつなぎます。

●3WのLEDを点灯

　1W LEDの時は5V電源を利用しましたが、電流制限用抵抗が5Ωと大変低い値になってしまいました。ここでは12Vもしくは15Vを利用します。

　3W LEDは600mA流れると書かれていました。順方向電圧は3.3Vとして計算します。

• 　電源が12Vのとき； R=(12-3.3)/0.6=14.5Ω
• 　電源が15Vのとき； R=(15-3.3)/0.6=19.5Ω

　電力は(12-3.3)*0.6=5.2Wなので、余裕を見て15Ω 10Wのセメント抵抗を使います。

●ドライブ回路

　74HC04を使います。

●スケッチ

　四つのLEDを3秒ずつ点灯と消灯を繰り返すスケッチです。

　大きな問題が起こりました。コンパイル＆アップロード中にLEDが異常に光るのです。なので、開発中はLED用の12V電源は、動作が始まってから入れるようにします。

void setup() {
  pinMode(12, OUTPUT);
  pinMode(11, OUTPUT);
  pinMode(10, OUTPUT);
  pinMode(9, OUTPUT);
  digitalWrite(12,LOW);
  digitalWrite(11,LOW);
  digitalWrite(10,LOW);
  digitalWrite(9,LOW);
}

void loop() {
  digitalWrite(12,HIGH);
  delay(3000);
  digitalWrite(12,LOW);
  delay(3000);

  digitalWrite(11,HIGH);
  delay(3000);
  digitalWrite(11,LOW);
  delay(3000);

  digitalWrite(10,HIGH);
  delay(3000);
  digitalWrite(10,LOW);
  delay(3000);

  digitalWrite(9,HIGH);
  delay(3000);
  digitalWrite(9,LOW);
  delay(3000);
}

　スケッチが完成し、一度、USBケーブルを抜きます。12VのLED電源をONにし、USBケーブルを指すと、0.5秒程度、1回路用のリレーがバタバタとON/OFFを繰り返し、すぐに正常なスケッチの動作に移りました。

　どうも、CPUの初期化によってI/Oのレベルが複数回変化しているようです。短時間にすぐにLowに設定されるように思えます。2回路用のリレー・ボードはフォトカプラが入っているので、急激な入力のON/OFFに追随しなかったのかもしれません。

　したがって、LED用12V電源は、マイコンの電源が入ったときはOFFに、その後、ONにするような運用をしなければならないですね。

●電源が入った直後のI/Oポートの波形を観測

　D11の波形です。青色がD11ポートの出力、赤色が70HC04を通した後の波形です。このポートは2回路（フォトカプラ）のリレー・ボードの入力につながっています。

　断続的に高速のON/OFFが一定時間観測されました。しかし、リレーを反転させるだけの論理レベルフォトカプラを超えてはいません。もしかしたら、このオシロスコープでは見れないほどの細いパルスが出ているのかもしれません。

　D9波形です。青色がD9ポートの出力、赤色が70HC04を通した後の波形です。このポートは1回路のリレー・ボードの入力につながっています。

　100kΩ-33uFのローパス・フィルタをつなげました。

　立ち上がりの波形はなまっています。立ち上がり時に青色のLEDは光りませんでした。

　D10波形です。青色がD10ポートの出力、赤色が70HC04を通した後の波形です。このポートは1回路のリレー・ボードの入力につながっています。

　100kΩ-33uFのローパス・フィルタをつなげました。

　立ち上がりの波形はなまっています。立ち上がり時に青色のLEDは光りませんでした。

●四つのI/Oポートにローパスフィルタを入れる

　波形にほとんど変化はなかったのですが、変なリレーのバタつく状態は抑えられていました。四つのポートにローパス・フィルタを入れて、前記のスケッチを動かしました。

　電源を投入した後、なにも特別な音や光の発生はなく、スケッチ通りにLEDは点滅を繰り返しました。