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2010年8月1日日曜日

【HAM】micro TO keyer 2010 part 1

micro TO Keyer

スローフードとかスローライフと言った「Slow」が静かなブームになっている。今宵は少々スローでノスタルジックなロジックICを使ったキーヤーを紹介する。 とかく慌ただしい昨今、あくせくせずLow Bandでゆったり・ゆっくりの気持ちでオンエアは如何だろうか? hi

 micro TO KeyerはIC化されたKeyer(エレキー)としては最初期のものだ。K3CUWによって1967年8月号のQST誌(ARRLの機関誌)で紹介された。 写真は1972年版のARRLハンドブックに転載された製作記事である。半導体化されたキーヤーとして優れていたので以降数年間に渡ってARRL-Handbookにも掲載された。 登場したばかりのデジタルICは当初かなり高額であったが量産による効果で数年後には手軽に作れるキーヤーになった。

 エレクトリック・キーヤーの半導体化はJAでも古くからテーマになっており、既に1960年代のCQ誌にディスクリートで構成された高級なキーヤーが紹介されていた。このmicro TO Keyerも1971年ころのCQ誌上で紹介されたことがある。但し日本に於いてはRTL-ICの入手性は良くなかったからこのキーヤーはポピュラーにはなれなかった。

 自身、JA-CQ誌の記事は見た記憶もあるが、当時はSSBが殆どでCWで出るのは稀だった。必要性も感じなかったから縦振れ電鍵を愛用していた。 後になってエレキーの良さを実感することになるが、クセのあるハンドキーイングも個性的と思っていたのかも。(笑)


the TO Keyer
 microがある以上、マイクロではないキーヤーがあるはずだ。 図は、W9TO / Jim B Ricks ( in a Silent key : October 20,2001)によって開発されたオリジナルTO Keyerの回路だ。 W9TOのキーヤーは優れた設計だったので回路デザインと愛称の「TO Keyer」がハリクラフターズ社(米国通信機器メーカー)に買い取られていた。同社によってHA-1型として製品化され、愛称「the TO Keyer」としてかなり永く販売されていた。

 真空管の論理回路は難解だが、短点発生用の自走マルチバイブレータ(V1a,b)と長点用の双安定マルチ(V2a,b=Flip Flop)を使ったタイミング制御方式である。 ON-OFF回路用(デジタル回路用)の真空管を使い信頼性を上げ、電源電圧変動の影響をうけぬように定電圧放電管を2本使うなど安定動作に気を配っている。キーイングも高速でチャタリングのない水銀接点リレーを使うと言う完璧さだ。長短点とスペースの比が一定かつ安定している美しい符号の送出を追求した結果であろうか。たかがキーヤーがこれだけの回路になった訳だ。

 一瞬これを作るか中古のレストアでもと言う考えがよぎったが(馬鹿だねえ、まったく・笑)流石にやめておいた。今でも使えるとは思うがエコではないし、ここまで行くと古過ぎてノスタルジーを感じられない。(笑)


micro TO Keyer
 こちらがmicroな方である。PNP+NPNをUJT的に使ったクロック・ジェネレータとJK Flip-Flopを2回路使って長短比とスペースの関係を実現している。micro TO Keyerと称し、考え方は踏襲しているが上記TO Keyerの動作そのものを半導体で模した訳ではない。

 クロックをFlip-Flopで分周し短点とスペースの関係を1:1にすることで無調整化している。さらに短点パルスを次のFlip-Flopで分周し、1回遅れの短点と合成して(ORをとって)1:3の長点を得ている。のちのエレキーの基本となる回路だ。なおRTL-ICは負論理デバイスなので一見解り難い。

 今のエレキーから思えばシンプルこの上ない。 使用デバイスは現在ではとても珍しくなったRTL-ICだ。当時の米国HAMにはポピュラーで通販で容易に入手できたようだ。総額$25-以下で製作できるとある。

 これを見た当時、micro TO Keyerなら簡単そうだと思った。しかし新しもん好きな私はTTL-ICを使い長短点メモリ付きのスクイズ・キーヤーを作った。もう2世代くらい後のエレキーと言う訳だ。 十分満足できるキーヤーだったので、あえて旧式なmicro TO Keyerに戻ることなど考えられなかった。

micro TO Keyerを作る
 写真はFairchild社製のRTL-IC(8本足のもの)と同じ形をしたトランジスタである。RTL-ICはジャンクの整理で出て来たもの。 低速なRTL-ICなど利用価値もないから捨ててしまおうかと思ったのだが懐かしいmicro TO Keyerを思い出した次第。

 このICはデジタルICでありながら、Dual In-lineに入っておらず8本足の丸形パッケージだ。 ステム(台座)にICチップを載せ配線のあと、黒い樹脂を滴下して封じている。ポッティングと言うパッケージング方法だ。CanパッケージよりLow Costだったのだろう。同社のトランジスタで量産に使っていた方法をICにも応用したものだ。

 写真のRTL-ICはジャンクの基板から調達したもので、取り外して何かに使おうと思っているうちに陳腐化したものだ。 登場したころの輝きはすっかり褪せてしまったICだが、部品は回路に使ってこそ活きるものだから最後の活躍の場を作ってやりたい。

μL914のカタログ
 今は良い時代である。45年前のデータシートが手に入った。 これは2入力のNOR/NANDゲート、μL914のデータシートである。(おそらく1965年の初版)

 下方の左側がその内部回路である。NPNトランジスタ4個、抵抗器6個が集積されただけの簡単な回路だ。 Resistor Transistor Logicと言う名称の所以がわかろうと言うものだ。  この通りディスクリートで作っても同じように動作する。 数個使う程度ではIC化の有り難味をあまり感じない集積規模だが、最初期のICとはこんなものだった。



μL923のカタログ
 micro TO Keyerの心臓部は何と言ってもこのICなのではないかと思う。 JK Flip-FlopのIC化はメリットが大きかった部分だ。 図中段右の真理値表のような動作が可能なので、エレキーのようなシーケンス回路を実現するにはうってつけのデバイスである。

 当時調べたら上記のμL914よりもずっと高価だったが具体的に幾らだったかすっかり忘れてしまった。 何分40年も前のことなのでご容赦を。(笑)




μL923のカタログ(裏面)
 RTL-ICの説明のようだが、内部はNPNトランジスタ15個と抵抗器17本からなっている。 これをディスクリートで組むのは大変で、このくらいの回路規模になるとIC化のメリットが出てくる。

 こうしたRTL-ICが急速に廃れた原因は欠点が多いからだ。最たるものはクロック速度と消費電力の問題にある。

 各トランジスタのベースに入っている抵抗器は誤動作の原因となる「カレント・ホッギング現象」の防止に不可欠だが、速度アップには有害なものだ。ON時においてはベース・エミッタ間容量とローパス・フィルタを形成することになって立ち上がり速度が上がらないのだ。またOFF時においてはベースに残ったキャリヤを抜き取る邪魔になり遅れが出る。結局クロックは2MHzくらいが上限であった。
 コレクタの負荷が抵抗器と言うのも良くない。 各抵抗値を下げれば多少速度は上がるが消費電流が増えてしまう。 またICの中の抵抗器は面積を必要とするのでたくさん作り込むのはチップが大きくなって損なのである。 抵抗器は発熱する存在だからたくさん集積すれば過熱してしまう。こうした欠点を克服すべくDTL-ICやTTL-ICが開発されて行ったのがデジタルICの歴史だ。

 下段の図は端子の負荷係数を示す図でファンアウト/ファンインの関係を示している。今ではC-MOS化であまり気にしなくなったがTTLを含めバイポーラ・ロジックICでは設計時の確認ポイントであった。

 エレキーくらいなら速度はまったく問題ないからRTL-ICでも立派に動作する。但し、消費電流は大きくて、C-MOSと比べたらそれこそ鯨飲馬食だ。(笑)

micro TO Keyer /2010
 ジャンクの復活とRTL-IC時代を振り返るノスタルジーから製作してみた。
 同じ形状のFairchild製トランジスタを使ったので7個ICがあるように見える。ここまで拘る必要もなかったが折角なので揃えてみた。各トランジスタは2SC1815と2SA1015で十分だが興味のあるお方には差し上げる。(笑)

 左側がクロック・ジェネレータで、引き出し線の先には100kΩのVRが付いている。スピード調整に使うものだ。 右端の下側が出力トランジスタである。ICのうち、赤くペイントされたものがμL923 Flip-Flopである。組立てメーカーが識別のためにペイントしたのであろう。右上にLEDを付けたのが今風な所か? ICは直接ハンダ付けしたので、劣化が心配だったが無事に旨く動作してくれた。低集積度なので思ったよりも信頼性は高いのかも知れない?

 電源回路、サイドトーン・モニター発振器、キーイング・リレーは別基板に搭載する。リレーも当時のようにメカニカルなものではなくPhoto-MOS Relayを使う予定である。 電源電圧は3.6V、消費電流は約80mAであった。(乾電池ではとても持たないなあ・・・)

                ☆ ☆ ☆ ☆ ☆

 優れたデバイスが氾濫しているから製作記事として意味をなさないBlogだったと思う。今どきのキーヤーはマイコン式(←リンク)が常識だ。(笑) もちろん、どのICもディスコンだが、あえて作ってみたい人には、Transistor Museumと言うサイトでNOSのμL923が手に入る。 2個で$10-だそうだ。 あいにくμL914はないようなのでディスクリートで作っても良いが、中古で良ければ多少余剰があるから差し上げる。
 製作は部品を揃えて2〜3時間だろう。プリント基板化すれば格好良いかも知れない。 検索してみたら同じような製作がK8CUのサイトにもあった。参照したバージョンが違うようで少し回路は異なっている。上記1972 ARRL-HB版は誤動作対策された最終版の回路だ。 K8CUは2007年に作ったようで古いデジタルICにノスタルジー(IC萌え?)を感じる人もあるようだ。hi

                * * * * *

 長単点ともにメモリなし、スクイズ・キーヤーでもない。使いにくいが良く「訓練」すれば実用になると思う。(シンプルな道具を使いこなすには人間の側を合わせる訳だ・笑) ケースに収納し1970年代のリグと組み合わせて楽しんでみたい。 もしもオンエアで符号に余分な(足らない)単点や長点が聞こえたならこのキーヤーの仕業だと思って欲しい(爆)

video
動画のアップが何とか旨く行ったので、試験的に追加してみた。 micro TO Keyerの動作中動画である。 ピンセットでDotとDash端子をショートしてモニタLEDの点滅(右上)を見ている。 まあ、ほんの参考程度だが。一応動作してる証拠と言うことで。(笑)

基板製作編に続くパート2でケースに入れて完成へ; ==> 続き

(つづく)

16 件のコメント:

jn3xby@岩永 さんのコメント...

TTT/加藤さん、こんばんは。
最新版のBASCOMとAVRaspの次は、ノスタルジックなエレキーですね!
高校生の時に作ったメモリー無しのもので使いこなせなくて、エレキーはだめだと言っていた頃を思い出しました。
ご指摘のようにマイコンでメモリー付きですぐ作れますから、最近はマイコンエレキーを愛用していますが。

真空管式のQRPリグでのんびりOnAirするのに組み合わせると何か満足感が得られるような気もしますが、そちらまで作る時間は取れそうにもありませんし(笑)

ご紹介いただいた前記事のAVRaspを実験しようとしたら、手元にaspライターが無いことに気づきました。基板ご希望がありお送りした局長さんでどうしても動かない方にお送りしてしまっていました。
改めて作ることになりそうです。
来週の夏休みにできればいいのですが:-)

TTT/hiro さんのコメント...

JN3XBY 岩永さん、こんばんは。

さっそくのコメント有難うございます。
> ノスタルジックなエレキーですね!
そうなんですよ。(笑) TO Keyerはとても有名なので前から知っていたのですが、製作経験はありませんでした。それがやっと実現した訳です。hi

> 真空管式のQRPリグでのんびりOnAirするのに・・・
ゆったりオンエアにはもうちょっとパワーがあって実用的なFT-401とかTS-510あたりで使ってみたいと思います。 ブロッキング・バイアス・キーイングなので耐圧が必要ですからPhoto-MOSを使うつもりです。hi hi

> どうしても動かない方にお送りしてしまって・・・
配線間違えさえしなければ、100%確実だろうと思うのですが、そう言うこともあるのですねえ・・・。 あらためて製作されて下さい。 前よりも随分便利に使えますよ。

お忙しいようですが、夏休みくらいゆっくりされて下さい。お元気でご活躍を!

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

こんばんは~

エレキーはTTLやCMOSで作ったことはありますが、
さすがにここまでノスタルジックなのは見たこともないです。Hi
初期のデジタルICもCANタイプのOPアンプの様な形状だったのですね。

10年ぐらい前にCMOS デジタルIC3個で作ったエレキーが最後で、それ以降はマイコンになりました。

JJ3CMV 酒井 さんのコメント...

TTT/hiroさん、こんばんは。

 RTL-ICを初めて見ました。こんな形をしたICが活躍した時代もあったのですね。DIPの74xx(LSでもSでもない)が、私が小学生低学年時代に読んだ雑誌に出ていました。私の本棚には1975年のTTL-IC規格表があります。(7歳の少年がICの規格表をねだるなんて変ですね。)

 エレキーは、開局当時、CQ誌に載っていたTTL-IC数個で構成されたものを自作しました。クロックは555だったと思います。メモリー機能もなく、パドルもなかったので、私にはCW時代がありません。(だから今頃CW-QSOに憧れています。)

*USBaspの動作が不安定でしたが、BASCOMをバージョンアップしたら旨くいきました。

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/3 高橋さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> 初期のデジタルICもCANタイプのOPアンプの様な形状・・
Dual In-Line型のパッケージは他のメーカーが発明したパッケージだったと思います。 初期のICはこうした丸形かフラットパッケージ(今のとはだいぶ違いますが)でした。

> それ以降はマイコンになりました。
エレキーはそれが普通の製作になリましたね。(笑)

TTT/hiro さんのコメント...

JJ3CMV 酒井さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> こんな形をしたICが活躍した時代も・・・
NECや東芝もCANパッケージ入りのデジタルICを作った時代がありました。 デジタルICと言えば黒いムカデが当たり前になったのはTTL時代からでしょうか。(JAではDTL時代は短かったので・・・)

> 7歳の少年がICの規格表を・・・
私が7歳のころ・・・やっぱりマンガ本が欲しかったです。平凡なガキでしたねえ。(爆)

> BASCOMをバージョンアップしたら旨く・・・
USBaspをサポート始めたばかりのバージョンは不安定だった可能性がありますね。 あとのバージョンで不具合を取り除いたのでしょう。 旨く行って良かったですね。

JG6DFK さんのコメント...

こんばんは。

RTLの現物は初めて拝見しました。よく残っていましたね。Hi.

エレキーを作ったのは後にも先にもFUJIYAMA用だけで、ハードロジックで組んだ経験はありません。というより、もともとデジタル回路はチンプンカンプンなもので、ご紹介のものも含め、エレキーの回路を見てもよく理解できなかったりします。Hi Hi.

私が初めていじったロジックICは74シリーズTTLですが、当時はうまく動かせずに苦労しました。きちんと動かせるようになったのはC-MOSからでしょうか。今思うと、TTLでうまくいかなかったのは電源電圧の管理がいい加減だったからかもしれません。

Fairchildといえば、味見用にMouserから仕入れたFETの大半がFairchild製です。一番安かったので。Hi.

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK/1 児玉さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> よく残っていましたね。Hi.
半導体は小さいのでジャンク箱に昔のまま残っておりました。(笑)

> TTLでうまくいかなかったのは電源電圧の管理・・・
5V±5%ですから結構シビアですね。小規模な回路なら4〜6Vくらいでも何とか動くようでした。hi

> FETの大半がFairchild製です。
いまのFairchildは、名前こそ同じですが過去はすっかり忘れてしまった会社だそうです。(要するに別の会社と同じようなものだそうです) ディスクリート部品を海外工場を駆使し安価に製造しているようで自作には有難いですね。

jr7han さんのコメント...

懐かしい話題です。
大学生の時にクラブ局で、先輩が作ったこの手の(かな?)キーヤー使ってました。
ロジックICは、TTLじゃなくてDTL使った方が回り込みに強いのでいいよ、ってことだったのですが、自分で作ろうと思ったとき(3年生の頃だから1976年頃か?)には、DTLは既に地方では入手困難でしたね。

TTT/hiro さんのコメント...

JR7HAN/1 花野さん、こんばんは。

コメント有難うございます。
> 懐かしい話題です。
ロジックICを並べてエレキーを作ることも無くなりましたから、それ自体が懐かしいでしょうね。hi hi

> DTL使った方が回り込みに強いのでいいよ・・・
TTLは高速がうたい文句でしたので、RFの回り込み対策には遅いDTLの採用も手でしたね。 ハイパワー局は少なからずエレキーの回り込み対策が必要でした。 バグキーなら誤動作は絶対ありませんけど。

> DTLは既に地方では入手困難でしたね。
DTLはTTLの登場であっという間に廃れました。特にデジタルICの採用が遅かったJAでは殆ど使われなかったように思います。 DTLはRTLと同じくらい珍しい存在かもしれませんね。

箱に入れて完成したらQRP懇親会にでも持参します。見てやって下さい。(笑)

JE6LVE/Takahashi さんのコメント...

こんばんは~
Blog初の動画ですね。

メモリ、スクイズ無しは使いこなすのも大変そうですね。
ある意味、長短バグキー?Hi

レトロな無線機と組み合わせると味がありそうです。^^

TTT/hiro さんのコメント...

JE6LVE/3 高橋さん、こんばんは。 今夜も寝苦しい暑さです。(エアコン付けて寝る予定・hi)

コメント有難うございます。
> Blog初の動画ですね。
動画は何となく面倒そうなので避けて来たんです。
露出がアンダーで手持ちなのでブレてますがご勘弁を。次回はもう少しマシなのをアップしたいですね。

> ある意味、長短バグキー?Hi
まさしくそう言うことですね。hi hi

> レトロな無線機と組み合わせると味が・・・
今のリグはキーヤー内蔵が当たり前ですよね。 FT-101とかTS-820のようなレトロなリグかな? 使いにくいと思うので数局のQSOでお蔵入りかもしれませんね。hi

JG6DFK さんのコメント...

おはようございます。

当たり前でしょうが、立派に働いていますね。素晴らしいです。消費電力はかなり大きいようですが、RTLって大飯食いだったのですね。

すっかり忘れていましたが、私も今年に入って74HC00の「バグキーもどき」を作ったのでした。というより、たまたま出来上がってしまった、というのが正解なのですが… Hi.

連続とDOTしか出ませんが、メモリ、スクイーズなしならDASHを出すのもそう難しくなさそうですね。もっとも、そんな「C-MOS」エレキーなんて誰も見向きしないでしょうが… Hi Hi.

TTT/hiro さんのコメント...

JG6DFK/1 児玉さん、こんにちは。

コメント有難うございます。
> 立派に働いていますね。
単純な回路ですから部品が悪くなければ動いて当たり前なのかもしれませんね。hi hi

> RTLって大飯食いだったのですね。
そうなんです。 Vcc=3.6Vと言う中途半端に低い規格と、電流がかなり多い関係で電源回路が厄介でした。 まだ3端子レギュレータなんて影も形のありませんでしたし。(笑)

今時はランダムロジックでデジタル回路を作る時代ではないのでしょうね。 消費電力や寸法サイズ以外に、変更への融通性があるFPGAやマイコンが優位なのは当然だと思います。

JO1LZX 河内 さんのコメント...

こんばんは。JO1LZX 河内です。

紹介された回路を私が初めて目にしたのはアマハンの1969年版でした。当時は成る程と思っただけで何もしませんでしたが。

後年になってキーヤーに興味を持ち始めて有名なWB4VVFの回路をHJ誌で読んでTTLで組んだのが最初でした。

もっともこの回路には欠点があり当初は原因が判らず使うのをやめました。

それはブレークインの実験で最初の短点が短くなる問題で 後年には解消する改造記事がQST誌に載った記憶があります。

最近ではN9BQ方式やキットのSuper Cmos Keyer を愛用しています。

しかし 最近のソフトで符号を作成する方式は当方には向いてない気がします。
ロジック回路の良い点は組んだら即動作するのと故障修理が簡単と言う事ではないでしょうか。

以上 駄文でした。

TTT/hiro さんのコメント...

JO1LZX 河内さん、おはようございます。

コメント有難うございます。
> 初めて目にしたのはアマハンの1969年版でした。
すぐにアマハンにも転載されたようですね。当時としては良いKeyerだったと言うことなのでしょう。

> 有名なWB4VVFの回路をHJ誌で読んでTTLで・・
これはFBなKeyerでしたね。 ACCU-Keyerと言ったと思います。 その改良版(?)もたくさん登場したものです。

> ロジック回路の良い点は組んだら即動作する・・・
そうですね。 ソフトなしのデジタル回路はそれが良い所です。hi hi

C-MOSを使ったキーヤーはマイコン式よりも消費電流が少なくできるので乾電池で長期間動作するのでFBだと思います。電池式は電波の回り込みにも強いですし。