【電子工作 入門】LEDが点滅(Lチカ)する基板を設計・発注してみた（KiCad）

世の中にある数多くの電子機器にはプリント基板が使われています。プリント基板がなければ、電子部品間の配線はワイヤーで直接接続することになるので、大量生産や電子機器の小型は実現できなかったことでしょう。それほどプリント基板は電子機器には欠かせない技術の１つです。

プリント基板の設計はプロの技術がなければ作るのは難しい印象がありますが、最近では無料で利用できる基板設計用CADや小ロットでもプリント基板の製造ができる基板業者が増えてきているので、初心者の方でも作りやすい環境になっています。

今回は 非安定マルチバイブレータを使って LED が点滅するプリント基板を製作します。非安定マルチバイブレータはトランジスタを利用した発振回路です。トランジスタと抵抗、コンデンサーを組み合わせた回路で、プログラミング無しで LED を点滅させることができます。

初心者の方にも分かりやすいように、回路設計から基板設計、基板発注、部品実装、動作確認までの流れを紹介していますので、ぜひ最後まで読んでみてください。

非安定マルチバイブレータとは

非安定マルチバイブレータはトランジスタのスイッチングを応用した発振回路です。この回路はとても有名な回路で、電子回路の教科書などでも紹介されています。回路図は次の通りです。

トランジスタを２つ使用して、そのトランジスタの相互作用で、一定の間隔で「ON」と「OFF」を繰り返します。２つのトランジスタの状態が安定することなく自走することから、非安定のマルチバイブレータと呼ばれています。

非安定マルチバイブレータの仕組み

電解コンデンサ（C1、C2）と抵抗（R2、R3）で周波数と周期（LED の ON / OFF の間隔）が決まります。

抵抗（R2、R3）の値によって、電解コンデンサ（C1、C2）に流す電流量が変わります。

抵抗（R2、R3）の値を大きくすると、流れる電流量が小さくなるので電解コンデンサにはゆっくり電気が溜まり、抵抗（R2、R3）の値を小さくすると、流れる電流量が大きくなるので電解コンデンサには速く電気が溜まります。

また、電解コンデンサ（C1、C2）の値によって、蓄電量が変わります。

電解コンデンサ（C1、C2）の値を大きくすると、充電時間が長くなり、電解コンデンサ（C1、C2）の値の値を小さくすると、充電時間が短くなります。

非安定マルチバイブレータの動作フローは次の通りです。

プリント基板の回路・基板を設計する

次の写真はプリント基板に部品を実装した写真（今回作成する基板）です。電池ボックスはプリント基板へ 4.5 Vの電源を供給します。

非安定マルチバイブレータを使った回路で構成されており、トランジスタの ON / OFF によって LED が点滅します。

トランジスタ Q1 が ON 状態、トランジスタ Q2 が OFF 状態の時は赤色の LED が点灯し、トランジスタ Q2 が ON 状態、トランジスタ Q2 が OFF 状態の時は青色の LED が点灯します。

トランジスタQ1がON状態、トランジスタQ2がOFF状態

トランジスタQ1がOFF状態、トランジスタQ2がON状態

基板設計用CADをインストールする

プリント基板を業者に発注するには、基板設計用 CAD で基板製造用のデータ（ガーバーデータ）を用意する必要があります。

ここでは商用利用も含めて無償で利用できる KiCad を使って、回路・基板設計を行います。

まだインストールが終わっていない方は、次の記事を参考にして KiCad のインストーラーのダウンロードして、お使いの PC へインストールをしておきましょう。

プリント基板を設計する

ここからは実際にプリント基板の回路設計、基板設計を行っていきます。

次の記事では、より詳しく手順を紹介していますので合わせて確認していただくことをオススメします。

プリント基板を発注する

基板業者にガーバーデータを提出して、プリント基板を注文します。最近では小ロットでもプリント基板の製造ができる基板業者が増えてきているので、お手軽に注文ができるようになりました。

PCBGOGOについて

今回は当ブログでオススメしている「PCBGOGO」で注文を行います。PCBGOGO は中国の広東省深圳市にある基板製造・基板実装会社です。基板製造時に発生するイニシャル費(初期費用)がかからず、比較的納期も短いです。

中国メーカーですが、日本語対応スタッフのサポートがあり、不明点などは気軽にお問い合わせができます。また、公式サイトも日本語で表示されているので、初心者の方も扱いやすいです。

＼ 画像をクリックしてPCBGOGOの公式サイトで特典を確認してみよう ／

PCBGOGO でプリント基板を発注するまでの手順は以下です。詳しい手順は次の記事を参考にして頂ければと思います。

自動見積もりで確認する

プリント基板を発注する前に、公式サイトにある「自動お見積もり」で見積りを確認します。

この見積り段階ではガーバーデータを提出する必要はなく、基板の板材や発注枚数などを選択することで、右側に見積り価格が表示されます。自動見積りなので、２４時間いつでも行えます。

ページ上部の右側にある[見積作成]ボタンをクリックすると、選択した内容に応じて見積り価格が表示されます。

63×37mm、5枚、面付けなし、両面、レジスト緑、無鉛はんだで見積もりした場合、次のようになりました。レジストの色を黒や赤に変更すると、リードタイムや基板単価が変わるので、短納期・低価格で発注したい場合は一般的なオプションを選択するといいかもしれません。

ガーバーデータを入稿する

PCBGOGO にログインして、カートに入れるとガーバーデータの入稿待ちになっています。

[＋ガーバーデータを入稿]ボタンをクリックして、プリント基板のガーバーデータを選択してアップロードします。

アップロードが正常に完了すると、ステータスが100%になります。[確認]ボタンをクリックして画面を閉じます。

注文する基板のステータスが「データ確認中」になります。ステータスが「お支払い待ち」になるまで待機します。データの確認は10時～24時の間に行われるので、時間外にガーバーデータを入稿した場合は気長に待ちましょう。

ステータスが「お支払い待ち」になったら、PayPal もしくは クレジットカードでお支払いをします。

基板到着

基板が製造開始されてから、7日後に基板が手元に届きました。PCBGOGO の基板製造は早いですが、気象状況の悪化などで物流に影響を与えた場合は、基板の到着が遅れる可能があるので余裕をもって発注をしましょう。

次の写真は届いた基板の部品面とはんだ面の写真です。心配していた基板の丸角部分も綺麗に仕上がっていました。

部品を実装する

電子部品をプリント基板にはんだ付けして部品を実装します。はんだ付けは「はんだこて」という工具を使って、はんだを先端で溶かして部品を接合します。

はんだ付けのコツとして、基本は背の低い部品から付けていきましょう。背の高い部品を先に付けてしまうと、その部品が邪魔になって背の低い部品を取り付けられなくなる可能性があるからです。

また、はんだ付けする際に基板や部品が動いてしまうと、はんだ付けがうまくできません。テープなどで基板や部品を固定することで、はんだ付けがしやすくなります。

部品実装が完了した実装済み基板が下図になります。

基板に電源を供給すると、LEDの赤色と青色が交互に点滅を繰り返します。点滅の間隔はおよそ1秒になっており、設計通りでした。

LEDの赤色が点灯、青色が消灯

1秒後にLEDの赤色が消灯、青色が点灯

まとめ

この記事ではトランジスタを使った非安定マルチバイブレータ回路で、LED が点滅するプリント基板の製作を紹介しました。

基板設計 CAD を活用することで、初心者の方でもプリント基板を製作することが可能です。

プリント基板の製造価格もお手頃になっており、サイズが小さい基板なら数千円で製作ができちゃいます。今回、基板の製造を依頼した PCBGOGO ではお得なキャンペーンも実施していますので、ぜひ覗いてみてください。

以上、最後まで読んでいただきありがとうございました。