CRタイマー回路について！【オペアンプで作成】

この記事では『CRタイマー回路』について

オペアンプで作成するCRタイマー回路とは
オペアンプで作成するCRタイマー回路のシミュレーション

などを図を用いて分かりやすく説明するように心掛けています。ご参考になれば幸いです。

オペアンプで作成するCRタイマー回路

上図に示しているのは、オペアンプ、コンデンサ\(C_1\)、抵抗\(R_1\)～\(R_3\)で構成されているCRタイマー回路です。

上図の回路では、\(t=0{\mathrm{[s]}}\)で電源を入力してから、約60秒後にLEDが点灯するように(LEDに電流\(I_{LED}\)が流れるように)、コンデンサや抵抗の素子値を調整しています。

オペアンプの反転入力端子(「－」の端子)にかかる電圧\(V^-\)は、電源電圧\(V\)を抵抗\(R_1\)と抵抗\(R_2\)で分圧した電圧が入力されているため、一定値となります。

一方、オペアンプの非反転入力端子(「＋」の端子)にかかる電圧\(V^+\)は、コンデンサ\(C_1\)にかかる電圧が入力されているため、電源が入力されると、コンデンサ\(C_1\)が充電されることで、オペアンプの非反転入力端子にかかる電圧\(V^+\)が徐々に増加します。

「オペアンプの非反転入力端子にかかる電圧\(V^+\)」が「オペアンプの反転入力端子にかかる電圧\(V^-\)」を超えると、オペアンプの出力端子の電圧が高くなるため、LEDが点灯します(LEDに電流\(I_{LED}\)が流れます)。

補足

電源の再入力時には、コンデンサ\(C_1\)に蓄えられている電荷を放電させなければ、LEDが点灯するまでの時間が短くなってしまいます。そのため、コンデンサ\(C_1\)の電荷放電用にスイッチ\(SW\)をコンデンサ\(C_1\)と並列に接続しています。
オペアンプではなく、コンパレータを使用してもCRタイマー回路は作成可能です。

オペアンプで作成するCRタイマー回路のシミュレーション

LTspiceを用いて、CRタイマー回路をシミュレーションしてみましょう。

上図の左側に「シミュレーション回路図」、右側に「オペアンプの反転入力端子にかかる電圧\(V^-\)」、「オペアンプの非反転入力端子にかかる電圧\(V^+\)」、「LEDに流れる電流\(I_{LED}\)」の波形を示しています。

シミュレーション結果を見ると、\(t=0{\mathrm{[s]}}\)で電源を入力してから、約60秒後にLEDが点灯している(LEDに電流\(I_{LED}\)が流れている)ことが確認できます。

次に、「オペアンプの反転入力端子にかかる電圧\(V^-\)」と「オペアンプの非反転入力端子にかかる電圧\(V^+\)」についてもう少し詳しく説明します。

オペアンプの反転入力端子は、電源電圧\(V\)を抵抗\(R_1\)と抵抗\(R_2\)で分圧した電圧が入力されています。そのため、「オペアンプの反転入力端子にかかる電圧\(V^-\)」は次式で表されます。

\begin{eqnarray}
V=\frac{R_2}{R_1+R_2}×V=\frac{12}{10+12}×10{\;}{\approx}{\;}5.5{\mathrm{[V]}}
\end{eqnarray}

一方、オペアンプの非反転入力端子は、コンデンサ\(C_1\)にかかる電圧が入力されています。上図に示している回路の場合、抵抗\(R_3\)が\(820{\mathrm{[k{\Omega}]}}\)、コンデンサ\(C_1\)が\(100{\mathrm{[μF]}}\)なので、時定数\({\tau}\)は次式で表されます。

\begin{eqnarray}
{\tau}=CR=100{\mathrm{[μF]}}×820{\mathrm{[k{\Omega}]}}=100×10^{-6}×820×10^3=82{\mathrm{[s]}}
\end{eqnarray}

「オペアンプの非反転入力端子にかかる電圧\(V^+\)」は、電源入力時の時間を\(t=0{\mathrm{[s]}}\)とすると、時間\(t\)が時定数\({\tau}\)となった時に、電源電圧\(V\)の\(63.2{\mathrm{[{\%}]}}\))になります。

シミュレーション結果を見ると、「\(t={\tau}=CR=82{\mathrm{[s]}}\)」になった時に、「オペアンプの非反転入力端子にかかる電圧\(V^+\)」が\(6.32{\mathrm{[V]}}\)(電源電圧\(V=10{\mathrm{[V]}}\)の\(63.2{\mathrm{[{\%}]}}\))になっていることが分かります。

コンデンサ\(C_1\)の充電速度は抵抗\(R_3\)が大きい場合には遅くなり、抵抗\(R_3\)が小さい場合には早くなります。