「アナログ電圧コンパレータの基本と使用方法：レベル検出から発振器まで」 (Digi-Key社【アプリケーションラボ】技術解説記事のご紹介)

　「アプリケーションラボ」は、Digi-Key社のご協力をいただいて、Digi-Key社が公開している新製品や技術情報を日本語でご紹介するWebページです。基礎技術から最新技術まで有益な情報を公開していますので、是非ご活用ください。

　今回は、デジタル回路が主流となった現在でも便利に使用されているアナログ電圧コンパレータの基本と使い方について解説した記事をご紹介します。

■アナログ電圧コンパレータの基本と使用方法：レベル検出から発振器まで

　電圧コンパレータは、2つの入力のうち、どちらの入力電圧がもう一方より高いか低いかを論理状態で出力できる電子デバイスです。センサなどの測定値(電圧、電流、温度、圧力)が閾値より大きいか小さいかを簡単に検出することができます。また、測定した値が期待する数値の範囲内にあるかどうかを知りたい場合にも応用できます。

　コンパレータは、増幅回路に使用するオペアンプと同じ回路構成をしています。オペアンプの増幅率は非常に大きいので、出力の一部を入力に戻す負帰還という回路構成にして増幅率を調整していますが、コンパレータは負帰還を使用しないので、コンパレータの出力は一瞬でプラスの上限やマイナスの下限に振れてしまいます。これを二つの入力の比較に利用しています。

　オペアンプをコンパレータとして使用することもできますが、オペアンプには負帰還による発振を抑えるために位相補償用のコンデンサが内蔵されています。このコンデンサは応答時間を制限することになるので、一般には位相補償コンデンサのないコンパレータ専用のデバイスが使用されます。

＜　コンパレータに正弦波(茶)を入力したときの出力(緑)　＞

　【アプリケーションラボ】では、コンパレータの基本と特性について解説した後、応用例などを紹介しています。入力にノイズが入っている場合の対応方法や入力電圧が2つの限界値の間にあるかどうかを判断するウィンドウ回路の構成方法、発振器として使用する例、クロック信号を回復させる例などを解説しています。

　ここで解説されているデバイスは、マルツオンラインのウェブサイトで購入できますので、是非参考にしてください。

プッシュプル出力付きコンパレータ 【TLV3201AQDCKRQ1】　240.28円
高電圧ウィンドウコンパレータ 【TTLV6710DDCR】　355.56円
デュアルコンパレータ 【LM393BIPWR】　64.29円
レールツーレールコンパレータ 【LMV7219M5X-NOPB】　390.28円

　下記の2本の解説記事も同時に公開しました。合わせて参考にしてください。

■DCファンの制御/保護オプションの概要

　一般に、装置を安全に動作させるためには、装置内部の温度が上がりすぎないようにするファンが不可欠です。ここでは、装置の冷却に使用する最新のDCファンにおける制御や監視、保護といった熱管理機能の詳細とより効率よく冷却するためのノウハウを解説します。

■ワイドバンドギャップ半導体とデジタル制御による効果的な力率補正の設計

　力率補正(PFC)は、AC電源を電力とする装置の効率を最大化するために必要な技術です。ここでは、力率の概念と定義について解説し、電力効率を最大化させるためにワイドバンドギャップ半導体であるSiCやGaNを使用した力率補正の設計法を紹介します。

　ここでは、ZEPエンジニアリングが企画し製品化した、RTK法によるセンチメートル測位キット「MZ-M5F9PAll」をご紹介します。「MZ-M5F9PAll」は、ジオセンス社が開発したM5F9Pモジュールに、M5Stack BasicやGPSアンテナ、ファームウェア書き込み済みのSDカードなどをセットにしたオールインワン・キットです。RTK技術を採用することで、センチメートル級の高精度の測位ができます。

＜　M5F9Pモジュール　＞

　M5F9PモジュールはM5Stackと積み重ねて使用できるようにサイズを合わせて設計されていて、M5Stackコアに接続することで簡単にボタンとディスプレイ付きのデバイスになります。M5F9Pモジュールは、u-blox社製の2周波RTK受信用IC「ZED-F9P」を搭載しています。

　RTK(Realtime Kinematic)は、GPSによる位置測定の精度をより向上させる技術です。一般的なGPSによる測位は単独測位と呼ばれ、4つ以上のGPSやGNSSの衛星から信号を受信して、各衛星からの距離を測定することで位置を算出します。この方法は様々な誤差が積み重なるため、位置の精度は10～15m程度といわれています。

　RTKは、相対測位と搬送波測位という2つの技術を採用することで精度を高めます。相対測位は、基準となる受信機で測定した信号と知りたい位置で測定した信号の差を取り、共通する誤差をキャンセルします。また、搬送波測位は、GPSで使用される電波の波長の長さが約20cmであることを利用し、波の数をカウントすることで衛星までの距離と方位を算出します。これらにより、誤差が数cmという精度を実現しています。

　「MZ-M5F9PAll」には、GNSSアンテナ接続用のMCXコネクタとJST-PH3ピンコネクタ、microUSBコネクタが付いています。MCXコネクタにアンテナを接続し、USBケーブルをパソコンに接続すると、u-centerというWindowsのアプリでZED-F9Pからの測位データを取得することができます。用途は、無人搬送ロボットやドローン、車いす、盲人誘導、3次元計測などに使用できます。

RTKポータブル・センチメートル測位キット(アンテナ付き) 【MZ-M5F9PAll】　79,800円