CMOS4050の出力抵抗

4050はデジタル回路のレベルシフトなどに便利な標準ロジックICです。4050でLEDを駆動する場合、出力段のFETが定電流特性となり電流制限抵抗を省略できることがあるようです。
そこで、本エントリでは電源電圧と負荷抵抗を変化させることにより、4050の出力抵抗を測定しました。
その結果、電源電圧が5VのときのみLEDを電流制限抵抗無しで駆動するのに適した出力抵抗となることが分かりました。

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CMOS4050


4050は、CMOS標準ロジックのひとつで非反転バッファです。


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fig.1: 4050内部等価回路

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fig.2: 4050機能ブロック


fig.1-2は、東芝セミコンダクタの4050データシートによる4050の内部等価回路図です。

東芝セミコンダクタ4050データシートの概要にあるとおり、広い動作可能電源電圧と入力トレラント機能を持つため、レベルシフトをはじめ、さまざまな用途に利用されます。

出力電流が大きく、1 個のTTL を直接駆動できるため、CMOS からTTL の接続に有用です。入力は、VDD に無関係にVSS + 18 V までの電圧を加えることができるため、15 V、10 V 系のCMOS 論理回路から5 V 系のCMOS/TTL 論理回路へのレベル変換IC としても使用できます。


(関連:デジタル回路の簡易レベルシフト)

4050の出力インピーダンス


やまねこさんのつぶやきを見て、以前おこなったSimさんのPICkit2のレベル変換回路(2)のエントリのコメント欄での議論を思い出しました。

このときののりたんさんの解説が

その昔、40xxシリーズのメタルゲートCMOSを使っていた頃には、「CMOS-ICのID-VDS特性は、定電流特性になる。だから、LEDの電流制限抵抗は省略できる。」といわれていました。いわゆる五極管特性の領域を使っていたからだと記憶しています。
ところが、最近のCMOSマイコン出力のID-VDS特性というのは、ほとんど直線になってきています。つまり、三極管特性の部分を使っているようなのです。そのため、出力インピーダンスは線形、つまり抵抗と考えて差し支えないと思います。
VGS電圧が高くなれば、IDが増加します。マイコン出力の場合には、VGSにVDD-VSS間電圧がそのまま印加されるので、gomisaiさんのおっしゃるように、電源電圧に依存してIDが変化するという関係がみえてきます。

そういえば、40xxシリーズのID-VDS特性を実測したことは、ありませんでしたね。
# と、書いておくとgomisaiさんが測定してくれるかも。


これに対する、わたしのレスが

のりたんさん
解説ありがとうございます。
> # と、書いておくとgomisaiさんが測定してくれるかも。
ブログネタリストに加えておきます。


でした。
実を言うと、既に少しだけ測定はしていたのでした。
勿体つけても仕方が無いので、測ってあるところまで公開します。

4050でLEDを駆動するとき電流制限抵抗を省略できるか?


ここで、本エントリの目的をはっきりさせておこうと思います。

PICやAVRの事はとりあえず置いておいて、40xxシリーズ標準ロジックICの4050で順電流が数ミリアンペアから数十ミリアンペア程度のLEDを駆動する際に、抵抗を省略できる(順電流に近い電流領域で、出力インピーダンスが定電流特性に近くなる)か、できないかを各電源電圧について検討することとします。

測定方法


電流の向きは、ソースとしました。基本的には出力電流と出力端子の電圧降下から、オームの法則を用いて出力抵抗を決定します。

出力電流を可変するため、負荷抵抗として100Ωから1kΩまでのE6系列のカーボン抵抗を用意しました。抵抗の取替えを簡単にするため、回路はブレッドボード上に作成しました。


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fig.3: 測定回路


ブレッドボードの接触抵抗などの影響を避けるため、抵抗測定には四端子法を用いました。電圧端子の取出しには、洗濯バサミ型のICテストクリップを用いました。
電源は、HP6632Aシステム電源で3V、5V、9V、12V、15V、18Vに設定したものを利用しました。電流測定と電圧測定は、R6452Aデジタルマルチメータで行いました。

結果と考察


以下に、測定結果を示します。


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fig.4: 4050の出力電流-出力インピーダンス特性


同一シンボルを結んだものが、同一の電源電圧を示しています。
つないだ線が立っているものほど出力が定電流特性に近く、寝ているものほど定抵抗特性に近いといえます。

ここで、電源電圧が5Vである緑のラインに注目してみます。
すると、一般的なLEDの駆動電流として妥当な値である6mA前後の領域でグラフが立っている、すなわち定電流特性に近くなっていることが読み取れます。
したがって、電源電圧が5VのときにはLED駆動時に電流制限抵抗を省略することができるでしょう。

一方で、これよりも高い電源電圧では、グラフが寝ているため定抵抗特性に近くなり、抵抗値も電流制限抵抗を省略するには低い値となっています。

逆に、3V動作時は出力インピーダンスが高くなりすぎて、LEDを十分に駆動できるだけの電流を取り出せなさそうです。

したがって、4050をソースで動作させたときは、電源電圧が5V前後の場合のみ電流制限抵抗を省略した状態でLEDを駆動できるという結論となりました。

関連エントリ




参考URL




付録


このエントリで使用した測定データを添付します。


参考文献/使用機器




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tag: 定電流 レベルシフト R6452A HP6632A ブレッドボード 

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No title

なかなか興味深い実験ですね。
まぁ、メーカーの公称値ではないので、あくまで、今のところこのくらい、という値で、
メーカーがひそかに素子を改良して、出力インピーダンスをものすごく下げて、
あるロットから突然LEDが焼き切れるようになっても文句は言えないわけですが(^^;

あと留意すべきは、ICの最大電源電流ですね。
TC4050のデータシートには載ってないようですが、TC74HC4050のほうには75mAと載っていました。
4050は出力6個しかないので、全出力にLEDでもたぶん余裕、ですね。

Re: No title

やまねこさん、こんにちは。

このエントリで、何か有意義な点があるとすれば、普通、電流制限抵抗を計算するときは、出力インピーダンスがゼロだと(暗黙のうちに)考えるわけですが、現実はそうとは限らないといった点です。

とはいえ、それが問題になることは少ないでしょうし、定電流(に近い)特性ということなので、直列に100Ω程度の抵抗を入れても電流値はさほど変わらないはずなので、安全を採るならやはり電流制限抵抗を入れるのが正しいでしょう。

あと、複数LEDを電流制限抵抗を入れずに駆動する場合は、最大電源電流もさることながら、むしろ許容損失が問題になるかもしれません。まじめに計算していませんが。
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