商用電源（100V）を直接マイコンの端子に接続できますか？：Q&Aで学ぶマイコン講座（9）（2/3 ページ）

マイコンユーザーのさまざまな疑問に対し、マイコンメーカーのエンジニアがお答えしていく本連載。9回目は、上級者の方からよく質問される「商用電源（100V）を直接マイコンの端子に接続できますか？」についてです。

[菅井賢（STマイクロエレクトロニクス），EDN Japan]

GPIO端子の内部構造

　一般的なGPIOの構成図を図3に示します。GPIOは、入力データを受け取る入力バッファ、出力データを出力する出力バッファ、GPIOの電位を強制的に固定するプルアップ/プルダウン抵抗、そして外部からのサージ電圧を電源/GNDに逃がす保護ダイオードで構成されています。GPIOを入力として使用する場合は、出力バッファとプルアップ/プルダウン抵抗がOFFなのでGPIOはハイインピーダンス（H−Z）状態です。この時に、電源電圧よりも高い電圧、またはGNDよりも低い電圧が印加されると、保護ダイオードが順方向になり、電流が流れてGPIOを保護します。しかし、保護ダイオードにも流せる電流の限界があるので、それ以上大きな電流が流れると破壊します。図2（b）で示されたinjected currentがこの値になります。この表からSTM8Sの場合、最大±4mAしか流してはいけないことが分かります。GPIO端子に接続する電流制限抵抗は、この値を元に算出します。

【再掲】図2　絶対最大定格値（STM8S005の場合） （クリックで拡大）

図3　GPIOの構成 （クリックで拡大）

　また、GPIO端子に印加する電圧が大きい場合も破壊を引き起こします。図2（a）で示された電圧以上を印加しないように分圧抵抗を算出します。

　具体的にSTM8S005を使って回路設計してみましょう。

電流制限抵抗と分圧抵抗の計算

　最初に電流制限抵抗を計算しましょう。この時、分圧抵抗はないものとし、GPIO端子に電流が流入/流出しても、マイコンが破壊しないような電流値に設定します。

　図2（b）に示されたように、±4mA以上流れないように抵抗値を算出します。端子に正電圧が印加された場合、Vdd側に付いている保護ダイオードが順方向になりますので、電流制限抵抗の両端には、＋141VとVdd（ここでは5V）の電位差、すなわち141V−5V＝139Vが印加されます。オームの法則から、139V/4mA＝34.75kΩ以上にすれば、4mA以下の電流になることが分かります。負電圧の場合はどうでしょう。負電圧が印加されるとGND（Vss）側に付いた保護ダイオードが順方向になり、この時の電位差は141Vになります。141V/4mA＝35.25kΩ以上にすれば、4mA以下の電流になることが分かります（厳密には保護ダイオードの順方向電圧を考慮して計算しなくてはなりませんが、141Vに比べたら非常に小さいので、ここでは無視します）。

　スペック上はこの値で良いのですが、短絡事故などがあった場合を考えて、1桁くらい余裕を見たほうが良いでしょう。また、この抵抗値をそのまま使うと常時4mAも流れることになります。システムの消費電流を考慮すると、なるべく消費電流を抑えるべきですので、もう少し抑えてマイクロアンペアレベルにした方が賢明です。さらに抵抗値は大きいほど、微調整しやすいので、今回は1MΩ程度の抵抗を使うことにします。

　そこで、電流制限抵抗を約1MΩにすると仮定して、次に分圧抵抗を計算してみましょう。

　まず＋141Vが印加された場合を考えます。

図4　抵抗分圧回路 （クリックで拡大）

　図4（a）の場合、GPIO端子とGNDにつながれた抵抗Rvdと電流制限抵抗Riで＋141Vを分圧して5VがGPIO端子に印加されるようする必要があります。Rvd：（Rvd＋Ri）＝5V：141Vの関係が成り立てば良いことになります。すなわちRvd：Ri＝5：136＝1：27.2の関係になります。実験室で約1MΩの抵抗値で、この関係を満たす抵抗器を探してみると、ちょうど33kΩと930kΩを見つけたので、Rvd＝33kΩ、Ri＝930kΩにします。この場合Rvd：Ri＝33：930＝1：28.1になります。

　次に−141Vが印加された場合（図4（b））にGPIO端子に約0Vが印加されるような分圧抵抗を計算する必要があります。一方で、AC0Vの点も考慮する必要があります。すなわち、印加電圧が＋141Vから−141Vに変化する途中に0Vを通過します。この時がAC電圧のちょうど半分になるので、GPIO端子に印加される電圧も、ちょうど半分にする必要があります。そこで−141Vを印加する場合の分圧抵抗Rvuも先ほどのRvdと同じ33kΩにしなくてはなりません。するとRvu＝33kΩとRi＝930kΩで5V＋141V＝146Vの電位差を分圧することになります。Vi＝146V×（33kΩ/（963＋33）kΩ）＝141Vとなって、GPIO端子の電圧は−141＋141V＝0Vになります。

　これらの結果として図1の回路が得られます。