タイマーIC「LM555」は何でもこなす――サーモスタットを実現：Design Ideas アナログ機能回路

今回は汎用性の高いタイマーIC「LM555」を、その通常の役割であるアナログ発振器やタイマーとはかなり異なる回路へと変化させるアイデアだ。ここでは、NTCサーミスターと抵抗を組み合わせ、抵抗で設定するON／OFFサーモスタットを構成している。

[Stephen Woodward，EDN Japan]

　もしあなたのお気に入りの道具がハンマーであれば、あらゆる問題がクギに見えるだろう^※）――アブラハム・マズロー

　アナログタイマーIC「LM555」および「LMC555」をいじることが多い筆者にとって、マズローはこの有名な警句をまさに私のために書いたのかもしれない。そして今回もまた、そうなった。Bang-Bang制御（オンオフ制御）だ。

※）一般的には「If you only have a hammer, you tend to see every problem as a nail.（訳：ハンマーしか持っていなければ、全てがクギに見える）」とされるが、本稿では筆者の表現をそのまま用いています。

　図1の回路は、汎用性の高い555を、その通常の役割であるアナログ発振器やタイマーとはかなり異なる回路へと変化させている。ここでは、NTCサーミスターと、1本（あるいはオプションで2本）の抵抗を組み合わせ、抵抗で設定するON／OFFサーモスタットを構成している。加熱用にも冷却用にも容易に構成できる。

図1：基本的なBang-Bang制御の加熱構成。設定温度におけるサーミスター抵抗はRb/2だ。オプションのRhは所望の温度ヒステリシスを設定する。出力は最大15V、300mA（4.5W）【クリックで拡大】

　その動作は次の通りだ。

　555の機能の1つでありながら（少なくとも十分に文書化されていない）特性として、図1のようにThreshold（ピン6）をVddに接続した場合の挙動がある。このときTrigger（ピン7）は反転アナログコンパレーター入力として機能し、Trigger＜Vdd/3であればOutput（ピン3）とDischarge（ピン7）をハイに、Trigger＞Vdd/3であればローに駆動する。

　この動作を図のようにNTCサーミスターとバイアス抵抗Rbと組み合わせると、簡単で実用的なサーモスタットが得られる。サーミスターの温度が設定値より低い（サーミスター抵抗＞Rb/2）場合、負荷（例えば抵抗ヒーター）への電力供給がONになる。温度が高い場合（サーミスター＜Rb/2）は電力がOFFになる。

　さらに重要な点がある。サーモスタットの精度は絶対電圧ではなく抵抗比のみに依存するため、電源V+は安定化されている必要がない。実際、負荷がリップルの影響を受けない場合（例えば抵抗ヒーターは問題としない）、フィルタリングすら不要である。

　さらに、図2のようにサーミスターと抵抗の位置を入れ替え、冷却ファン（あるいはペルチェクーラー）を接続すると、温度制御の極性が反転する。これによって最低温度ではなく最大温度を一定に保つようになる。出力負荷が誘導性（例えばファンモーター）であっても、誘導性サージの心配は不要だ。LM555の出力ピンにはキックバック保護が内蔵されている。

図2：冷却構成。設定温度におけるサーミスター抵抗は2Rbだ【クリックで拡大】

　ヒステリシス（dT）が必要な場合、典型的なNTCの温度係数（約4％/℃）に対して、簡便（ただし近似的）な目安としてRh＝680k/dT℃とすれば良い。

図3：設定温度50℃における代表的な構成。加熱（左）、冷却（右）で、ヒステリシスは約1℃【クリックで拡大】

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