電子回路

2024年6月 6日 (木)

トランジスタ技術7月号 記事掲載のお知らせ

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6月10日発売のトランジスタ技術7月号別冊付録 「使えるはんだ付け 小型&チップ部品対応」 に私が書いたインタビュー記事が掲載されます(^-^)
これはトラ技ジュニア2018年5月号「宇宙に届け! 日本のはんだ付け技術 」の再掲です。

2018年に、NECスペーステクノロジー社の宇宙機器専門はんだ付け職人、斎藤克摩氏にご協力いただいて、宇宙機器のはんだ付け技術について取材し、記事を書かせていただきました。

NECスペーステクノロジー社はJR南武線西府駅からすぐの、NEC府中事業所内にある、人工衛星やロケットなどの宇宙機器を専門に扱う会社で、開発から販売まですべてのサービスを行っている会社です。


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記事はこんな感じです。

取材に行ったNECの事業所がある西府駅前には御嶽塚古墳があって、いきなり興味をそそられます。御嶽塚古墳の建設は6世紀前半と言われています。

取材に行った2018年からもう6年経って、ことしはH3ロケットの打ち上げが成功しましたね。トランジスタ技術本紙は「月面探査に学ぶ自律走行ロボット」を特集しています。

ぜひぜひお読みくださいね!!


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2024年6月 4日 (火)

ブログ表紙写真のナゾ

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写真1.これまで使っていた当ブログの表紙写真

写真1は、ついこのあいだまで使っていた当ブログの表紙写真だ。
ベランダから見える風景なのだが、色調がサイケな感じになっている。なぜこんな写真が撮れたのか?

2020年頃から、ESP32-CAMというESP32マイコンとOV2640カメラを一体化したモジュールを使って、WIFI接続できるカメラを試作してあれこれ実験していた。
どこにでも設置できる電池駆動のライブカメラが作れないかと思い試作したところ、18650リチウムイオン電池を1本使って、15分に一度写真を撮ってWIFI経由でFTPサーバーに写真を送るという仕様で、電池もちが5日程度確保できた。

マンション3階のベランダなので、人が通ることも猫が通ることもなく、ごくごくまれにハトやすずめが写る程度で、ふだんは何の変哲もないベランダが写るだけだ。でも長期運用していると、季節ごとの日の出日没の日射しの様子や天気、それにその時々にバラが咲いたり朝顔が咲いたりしているのが写るので、それなりに趣がある。

2022年頃に、ESP32-CAMに搭載しているOV2640を、広角レンズがついたものに交換した。このときレンズが長くなってケースに付けたレンズカバーに当たるようになってしまったので、ケースを設計し直して3Dプリントし、透明のレンズカバーも交換した。広角になったので画角が広がってベランダが広々と写るようになった。

ところが、翌日から色調が異常な感じになってしまった。早朝の夜明けから日が出てくるあたりまでは正常に写っているのだが、日の出後は色調が異常になる。夕方の日没後は正常に戻る。そしてこの現象は曇っている日は出にくい。
もしかしたら広角のOV2640は仕様が変わって初期設定を変更する必要があるのかと思い、いろいろ調べてみたが原因らしきものが見つからず、ずいぶん時間を費やしてしまった。写真1はそのときにテストで撮影したベランダからの風景だ。

しばらくあれこれ検討してみたがどうしても直せず途方に暮れていたときに、ふと、ケースを変更したときにケースに付けるレンズカバーを新しくしたことを思い出した。まさかとは思ったが、レンズカバーを外して撮影したところ正常に写るようになった(^-^;

もともと付けていたレンズカバーはCDケースの透明なふたの部分を切り抜いて作ったものだったが、広角レンズに変更したときに付けたのはアクリル板を切り抜いて作ったものだ。
「透明ならなんでもいいやー(^-^)」
と安易にアクリル板を使ったが、これが問題の始まりで、非常にアサハカだった(^-^;

念のため秋月でLTR390というadafruit製のUVセンサーを買ってきて、UVLEDを使って透過光を測定したところ、このアクリル板はUVを大幅にカットする性質があることがわかった。
つまり、昼間、太陽光にUVが多く含まれた入射光に対しUVのみをカットしてOV2640で写すと、自動色調がバグるらしい。

写真1はUVがカットされたためにOV2640の色調動作がおかしくなった状態で撮影されたものだったということだ。
ただ、この写真はサイケな感じがしておもしろかったので、ブログの表紙に採用したのだった。

さて、きのうから当ブログの表紙写真を変更した。
この写真は去年の8月31日に出張で行った高松からの帰りの飛行機から見た富士山だ。
この日は運良く、飛行コースや天気に恵まれてとても美しい富士山を見ることができた。かなり長い時間、夕暮れ時の富士山を見ることができた。これは何十枚か撮った写真のうちの一枚だ。日本に生まれてよかったなあ(^-^)


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2024年3月26日 (火)

パソコンSDカードスロットの接触不良修復

普段使いのノートPC、レノボG50-70のSDカードスロットが接触不良になってしまい、たいへん不便な状態が続いていた。

機会を見てレノボの裏蓋を開けて、SDカードスロットにアクセスできるようなら掃除しようと思っていたが、実際に開けてみるとどうやらSDカードスロットの接点にアクセスするのはほとんど不可能らしいことがわかった。SDカードの挿入口は狭いので、綿棒も入らないし、ヘタに接点をひっかけて曲げてしまったりしたらもうどうしようもないので、なにかよい方法はないか考えたが、少々力業的な方法でとりあえず使えるようになったので、紹介する。

まず状況としては、SDカードスロットにSDカードを挿しても反応しないか、反応しても書き込み、削除ができなかったり、読み出し中に認識しなくなったりする。SDカードの接点を掃除しても状況は改善せず、またべつのSDカードを挿しても現象は同じなので、スロット側の接点の問題だと思われる。
SDカード接点にエチルアルコールを付けて抜き差ししてみると、ほんの少しの間はなんとなくよくなったような気がしなくもなかったが、またすぐに元の状態に戻ってしまった。接点復活剤はどうかというと、油膜が残留するため、汚れを吸着してかえって悪化する恐れもあるので使わなかった。

考えられるのは、SDカードスロット側の接点の汚れか、接点圧がゆるくなったのかのどちらかだろう。接点圧低下ならお手上げだ。

SDカードスロットの接点の汚れだとしたら拭くか磨くかすればよさそうだが、なにしろアクセスができない。
そこで今回はmicroSDアダプタを改造して、クリーニングSDカードを作った。これはSDカードの金属接点の部分を紙やすりに換えて、挿入したときにSDカードスロットの接点を強引に磨く狙いだ。

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写真1.分解して金属接点を取り除いたmicroSDアダプタと、切り抜いて裏に両面テープを貼った紙やすり(左)


写真1に示すように、microSDカードアダプタを分解し、内部の金属接点を剥がして除去し、金属接点の場所に合うように紙やすり(#2000)を切り抜いて裏に両面テープを貼ったものを用意する。

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写真2.接点部分に紙やすりを貼ったところ

写真2のように従来金属接点があった部分に紙やすりを貼付ける。


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写真3.クリーニングSDカード


写真3に示すように、microSDカードアダプタのフタを付けなおしてクリーニングSDカード完成。
ただ、紙やすりの厚さ分、もとのmicroSDカードアダプタよりも若干厚くなってしまった。

これを問題のノートPCのSDカードスロットに差し込むのだが、少し厚さが増して、かなり渋くなってしまったので、無理に押し込むと抜けなくなる恐れがある。そこで、ラジオペンチでヘリをくわえて数回抜き差ししてみた。



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写真4.抜き差し後のクリーニングSDカードやすり面


数回抜き差しした結果、クリーニングSDカードのやすり面に摺動痕がついてきた(写真4)。どうやら接点は磨けているようだ。

デジカメのSDカードを入れてみると、はたして、接触不良は解消した\(^o^)/


言わずもがなですが自己責任でお願いします。
   
  

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2024年3月 2日 (土)

気圧変動と頭痛

ここ数年、一か月に数回程度の頭痛に悩まされている。
それより以前は、風邪とか二日酔いなど、なにか具体的な理由がない限り頭痛になったことはほとんどなかったが、体質の変化だろうか。
原因の究明と対応策を探っていたが、少しずつわかってきた。

ぼくの場合、どうやら頭痛の原因は大きく2つあって、ひとつは寝相の問題、そしてもうひとつは気圧の急激な変化のようだ。

寝相についてはあまりはっきりとした自覚がなかったのだが、以前は仰向けのまま寝ていたり、枕に頭を載せて横向きに寝ていることが多かったようなのだが、ここ数年は、眠りはじめは仰向け、そして夜中に寝返りを打って枕を外して横向きに丸くなって眠っていることが多かったようで、枕なしで横向きだと、肩の高さ分、首に負担がかかって、これによる首や肩のこりが頭痛の原因だったようだ。
これに気が付いてから、横向きの姿勢で眠る際も枕を使うように意識することで、頭痛の頻度が減ったように思える。

そしてもうひとつの原因である気圧の急変については一般的に言われていることで、なぜ気圧が急変すると頭痛が起こるのかネットで調べてみると、

①気圧の変化を感じると脳の血管が拡張し、神経を圧迫することで頭痛となる
②低気圧になるとセロトニンの分泌が不安定になり頭痛となる
③内耳の気圧センサの過剰反応により頭痛となる

だいたいこのようなことが原因として考えられているようだ。

ところで、このブログで以前WIFI気象計の製作を紹介したが、これをベランダに設置して、常時気象データを記録している。 
ここ最近、頭痛が起こったときの気象データを見てみると、頭痛の発生と気圧の変化が強く相関していることがわかった。
今年の2/12~3/2までの、ベランダの気圧変化のグラフを図1に示す。


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図1.ベランダ(中野区)の気圧変化


この一か月で強めの頭痛になったのは、2/16と3/1だった。気圧のグラフを見ると、頭痛が起こった日と気圧の急激な変化が見事に一致している。
図中に示したように2/16午前1時までの24時間で気圧が1018hPaから999hPaに急降下、3/1午前10:15までの24時間ではなんと1023hPaから997hPaの急降下をしている。
よって、気圧の急変が頭痛の発生に関係していることはほぼ間違いないと思われた。


さて、原因がわかったものの、重要なのはどう対策するかだ。常備の鎮痛薬にはバファリンとロキソニンがあるが、経験からすると自分にはどちらもいまひとつ。
ネットで調べると、カフェインの摂取が効果的だと書いてあった。カフェインには脳の血管を収縮させる働きがあるからだそうだ。つまり、気圧の変化によって脳の血管が拡張することで頭痛が起こるのなら、その逆になるようにすればよい。
実際、2/16と3/1の両日は朝から頭痛がしていたので、濃いめのコーヒーを2杯ずつ飲むことで、昼前にはだいぶ楽になった。

まとめると、頭痛対策は、寝相の改善(人によっては枕の改善 )と、気圧性の頭痛が起こったときにはコーヒーがいいらしいということ。

ただ、カフェインは習慣的に摂取するとカフェイン依存になる可能性があり、カフェイン依存の症状として頭痛があり、こうなると本末転倒なので気をつけたい。


ふだんから頭痛に悩まされることが多い人は試してみてくださいね。 
 

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2024年2月18日 (日)

IH用電磁加熱回路(ZVS)の起動不良(20240219、20240221追記)

だいぶ前にAliexpressに注文して忘れていた誘導加熱(IH)用のZVS基板(写真1)が届いたので、実験してみた。

Zvs00   
写真1.AliexpressのZVS基板
とても安いが、送料が335円だったのでトータルで700円弱だ。Amazonでも購入できるが若干高い。


【20240221追記その2】
センタータップ方式の回路が気になるので実験してみた。回路を図Eに示す。

Centertap_sch
図E.センタータップ付きZVS回路

基板はもとの購入品で、FETは交換品のM3004D(最大定格NG)。
誘導コイルは中間点のエナメル被覆を削って、0.65mmスズメッキ線2本撚りをはんだ付けしてセンタータップとした。
もともとついていた2つのトロイダルコイルのうち一方からセンタータップに接続し、もう一方のトロイダルコイルの接続端は開放とした。
写真Aに基板の様子、写真Bにセンタータップ引き出しの様子をそれぞれ示す。

Centertap1
写真A.基板改造の様子

Centertap2  
写真B.センタータップをはんだ付けしたところ(しばらく通電実験をしていると溶けて外れてしまった。)


動作はセンタータップ無しのものと変わらず、発振周波数やコイル端の電圧波形、それにFETのドレイン電圧も、ほとんど元のものと変わらなかった。
電源電圧0Vから少しずつ電圧を上げていく起動では、3V手前で電流が2Aを越えてひやひやしたが、そのまま上げていくと発振を開始する。起動安定性は向上したように感じられた(ただし使用部品や他の部品の定数などによってちがう可能性があるので、100%だいじょうぶかはわからない)。
また、センタータップははんだ付けしていたが、しばらく通電していたら溶けて外れてしまった。長時間使用するにははんだ付けでは無理のようだ。 


【20240219追記その1】
下の元記事を書いたあと、もう少し安定して起動できないかあれこれ実験していたが、FETをいくつか飛ばしてしまい、部品箱に入っていたM3004D(30V55A、RON=11mΩ(VGS=4.5V))というものに付け替えた。ただ、後述するが、このZVS回路で電源12Vのとき、FETのVdsは実測で37.6Vに達するので、このFETではNGである。やはり60V程度はほしいところ。 
元記事で、LTSPICEで発振を開始するために、片方のFETのゲート初期値を0Vとしたが、実際の回路でもこれをやったら起動が安定しないかと実験してみた。図Aに実験回路を示す。

Zvs10
図A.検証回路 M3による遅延回路を追加した


結論を言うと、安定起動に効果があったかというとよくわからなかった(^-^;
12V印加でONすると、もともとそれほど失敗しないのだが、この回路でも失敗はしなかった。でも100%失敗しないかというとよくわからない。
やはり実用的には誘導コイルにセンタータップがついた回路にするべきだということだろう。センタータップ付きの回路では、起動が安定する上にエネルギー効率も改善するらしい。

元記事ではうっかりしていて評価回路の波形や動作の様子を観測しなかったので、次の通り図Aの回路での波形を示す。
図Bは無負荷時のL1両端の波形、図Cは負荷としてカッター刃を赤熱しているときのL1両端波形、図Dは駆動FET M1(=M2)のVds波形。
発振周波数はLTSPICEによるシミュレーションの88kHzよりも大幅に高い200kHz74Vpp、負荷にカッター刃を入れた場合は185kHz72Vppだった。
FETのVdsは37.6Vだったので60V程度のFETが必要。


No_load
図B.無負荷時のL1両端電圧 200kHz74Vpp(電源12V2.3A)


Load
図C.カッター刃を挿入中のL1両端電圧 185kHz72Vpp(電源12V5~8A)


Vds      
図D.FET M1(=M2)のVds 37.6V0-p


【20240218元記事】
いきなり電源をフルに入れるのは怖いので、電源装置で0Vから少しずつあげていった。
すると電流も徐々に上がっていき、10A程度まで達したあと実装されていたMOSFETからのろしが上がってしまった(^-^;
どうやら壊してしまったようだ。
調べてみるとこれはZVS基板あるあるで、電源電圧を0Vからじわじわ上げるのはNGで、いきなり電源電圧を印加しないとダメらしい。

気を取り直して、FETを交換してこんどはいきなり12V印加すると、また電流は10A程度を表示したのですぐにスイッチを切って、もう一度通電したところ、こんどは電流が2A程度になったので、コイルの中に使い古しのカッターの刃をラジオペンチでつまんで入れると、3秒ほどで赤熱した。なんとなくロマンがある(なんでだろう?)。
どうやら、発振開始が不確実で、発振しない場合はFETが定常的にON状態となり、直流電流がどかっと流れて昇天してしまう。
もともとついていて壊してしまったFETは24N6Gという型番で、60V35A、RON=30mΩ(VGS=4.5V)というスペックだったが、これを部品箱に入っていた同サイズのNP52N06SLG(60V52A、RON=25mΩ(VGS=4.5V))に交換した。

動作がどうなっているのかLTSPICEで検証してみた。回路を図1に示す。
かっこ内の部品型番は後述の実験で実際に使用した部品。

Zvs03
図1.シミュレーション回路
初期条件としてMOSFET(M2)のゲート電圧(v(n003) =0)を与えないとシミュレーションでも発振を開始しない。


初期値を何も設定しないで走らせると、発振せず、MOSFET M1,M2に90AのDC電流が流れる。これではFETは当然壊れる。
そこでMOSFET M2のゲートに初期値0Vを与えてやると発振を開始した。初期値は”.IC v(n003)=0” として与えている。このときの誘導コイルL1の電流波形を図2に示す。

Zvs04
図2.L1の電流波形 発振周波数は約88kHz。

さて、何かきっかけ(初期値)を与えてやらないと発振開始しにくい回路らしいので、念のため部品を替えて同じ回路で組み立てて検証してみた。
組み立てた回路は図1と同じ回路だが、部品はかっこ内に示したものを使用した。MOSFET IRFW540Aは以前秋月の福袋に大量に入っていたもので、佃煮にして食べるほどある。スペックは100V28A52mΩ(10V)。ゲートのツエナーダイオードは部品箱に入っていた7.5V品(型番不明)、L2,L3は秋月で入手したトロイダルコイル150μH9Aを使用した。誘導コイルに並列の共振用0.66μFコンデンサC1は、IH用としてAmazonで購入した0.33μF1200Vを2個並列とした。誘導コイルは今回Aliexpressで購入したZVSについてきたもので、Φ2線材をΦ20で10回巻いたもの。空中配線した回路を写真2に示す。

Zvs01        
写真2.空中配線で試作したZVS回路  右の方に誘導コイルがある。   

同じように電源電圧を12Vにセットして、いきなりONしてみたが、現象は同じで、10A流れてしまう場合はすぐに電源を切り、ONし直して電流が2A程度となれば起動成功だ。

誘導コイルに使い古しのカッターの刃をくぐらせて赤熱した状態を写真3に示す。


Zvs02   
写真3.カッターの刃が赤熱している様子

このとき電源は12V5A程度を出力している。この試作では、FETの放熱はしておらず空中配線したワイヤーに多少熱が逃げる程度だが、
この駆動条件でFETは指でさわれる程度の発熱で、このレベルであれば放熱しなくてもなんとかなるレベルのようだ。 

誘導コイルにカッターの刃を入れて、2~3秒で赤熱するので、すごい加熱力だ(@_@)
これで急な焼き入れにも対応できる。(ってそんな機会があるかーい!!)

冗談はさておき、小型のリフロー用ホットプレートを作ったら便利なのではなかろうか。


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2024年2月 6日 (火)

マウスの修理

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写真1.マウスのホイール用のロータリーエンコーダ(分解)

使い慣れたマウスのスクロールホイールの動作がおかしくなってしまった。
これは接触式のロータリーエンコーダーを使ったものではいずれ必ず発生する不具合で、エンコーダーの摺動子が接触する本体の接触面がすり減って、徐々に接触がわるくなることで発生する。

写真1はそのマウスから外したロータリーエンコーダーを分解したもの。  
右上は本体カバー、左上はクリック感を出すためのパーツで、接触不良とは関係がない。
左下が摺動子が付いたロータリー部、右下は摺動子を受ける接触面が付いた本体だ。

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写真2.摺動子と本体接触面の拡大写真


写真2は摺動子と本体の接触面を拡大したもので、本体の接触面には摺動子が走ったところがワダチになっているのがわかる。


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写真3.ワダチの拡大写真

写真3は接触面のワダチの拡大写真で、接触面の銅箔がすり減って、明らかに低くなってしまっている。
もしかしたら、摺動子を少しめくりあげて接触圧をあげてやれば直るかもしれないが、銅箔が摩耗してなくなってしまうのも時間の問題なので、手持ちのロータリーエンコーダーに交換することにした。

Encorder4      
写真4.交換用のロータリーエンコーダー

写真4は、摩耗したロータリーエンコーダーと、部品箱に入っていた新品のロータリーエンコーダー。
右の新品は、フレームと足を切り詰めれば元のものと同サイズなので、フレームと足を切って交換した。 

今回交換したロータリーエンコーダーは以前Amazonで買ったもので、高さ別に数種類あるようだが、今回は基板直付けではなくリード線で接続するタイプだったのでフレームと足を切って使用した。写真5はAmazonで販売しているロータリーエンコーダー。

Encorder5
写真5.Amazonで売っているロータリーエンコーダー


結果、マウスは元通り快適に使えるようになりました(^-^)

 

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2023年12月10日 (日)

アナログ回路で磁気浮上

動画1.磁気浮上実験の様子(PCBWayの案件ではありませんのでご安心ください←一度言ってみたかった!!)


最近、オーディオサークルでスピーカー用のフローティングフットの研究をしている人がいたので、それならいっそのことスピーカーを宙に浮かせたらウケるかも!!と考えて、その実験をしてみた。

当初、重さ約2kgのAuratone 5Cを宙に浮かせてデモをしたらウケるだろうなあ……

と安易な妄想をし、磁気浮上の実験を開始したのだが、現在のところ浮上に成功したのは磁石込みで14.4gの精密ドライバーを約5mm浮かせるにとどまった。Auratoneを浮かすには修行が足らない(^-^;

話の発端となったスピーカー用のフローティングフットとは、オーディオ用のスピーカーボックスを台に設置する際の足の部分を、細いワイヤーでスピーカーボックス重量を吊して支える構造にして、スピーカーボックスと台が相互に振動を伝えないようにする仕掛けである。たとえばこんな感じのもの
オーディオ再生でスピーカーは重要な位置を占めるが、スピーカーの設置方法もまた重要で、たとえばスピーカーの台に対してスピーカーがぴったり置けていないと、ビリビリと振動による鳴きが聞こえてしまったりして、こんなのは論外だ。スピーカーボックスそのものがまったく振動しないように作れれば理想だが、それは難しいので、せめてスピーカーボックスの振動が、設置している台に伝わらないようにしたい。そうすると台を剛体にして、そこにたとえばナットとビー玉や、ベーゴマをひっくり返したものを足に使って、3点支持にするということはよく行なわれる。3点支持で支点は決まるので少なくとも鳴きは発生しないが、台へ振動が伝わるので、これを嫌って足の下に防振ゲルを挟んだりする場合もある。上で紹介したフローティングフットは、細いワイヤーで支持することで、振動を極力伝えないようにするものだ。

さて、それならば、スピーカーボックスを完全に空中に浮かせてしまえばいいんじゃね??

ということになるのだが、じつはそのような製品はすでにある(写真1)。

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写真1.宙に浮くスピーカー

すでに製品があるということは技術的に可能だということだ。
それならば、どんなスピーカーでも浮かせることができるシステムが作れれば、スピーカー設置に関する悩みがひとつ解決するだろう。

磁気浮上の製作記事は、ネット検索するといくつも出てくるが、多くはマイコンを使って電磁石をON/OFF制御するやりかただ。
オーディオに使うことを考えると、パルスノイズを発生するものはあまり使いたくないので、今回はアナログ回路で検討することにした。

遠い昔、ぼくが光磁気ディスク装置の開発部隊に配属された頃、光ディスクに対して光ピックアップのレンズを追従させるサーボ技術を学んだ。
光ディスク装置は、光ピックアップからレーザー光を照射し、ディスクに反射して帰ってきた光を光検出器で受けて信号を読み込む。その際に、まずレーザー光のパワーを一定に保つALPC、スピンドルモーターを狙った回転数で回転させるスピンドルサーボ、回転してブレるディスク盤面にピントを合わせて追従するフォーカスサーボ、ディスクのトラックの真ん中を追従するトラッキングサーボ、任意のディスクの位置に光ピックアップを運ぶラジアルサーボなど、光ディスク装置はサーボ(自動制御)のかたまりだ。
これらは高々2次遅れ系(ばねと粘性減衰)のサーボで、周波数応答法で設計されていた。つまり、想定される外乱の影響を、信号読み込みに必要な偏差まで抑えるために、オープンループゲインがいくら必要か検討し、また、その際にゲインのゼロ点で位相が180度回ると発振するので、これを回避するため最適な位相進み遅れ補償を施すなどして、最適設計を行うものだ。

今回作ろうとしている磁気浮上は、距離の2乗に反比例して磁力が働くので、伝達関数は分母がs^3となる3次遅れ系になることが想像できる。そういえば、最近あちこちで見かける倒立振子も3次遅れ系だったような……

3次遅れ系自動制御の設計は経験がないので、どういうやり方があるのか調べてみると、どうやらPID制御が最近の流行らしい。
PID制御は、とにかく目標値とセンサ値の誤差と、その積分と微分を適当にミックスして帰還制御すれば、だいたい動くんじゃね??という、わりとお気楽な自動制御法らしい。

なるほどと思い、Aliexpressで入手したDC12Vで吸着力8kgの電磁石、ダイソーで買ったネオジウムマグネット、秋月で入手したホール素子HG-166A-2Uとオペアンプとトランジスタその他を使って作ってみた。

回路図はこちら。
ダウンロード - magnefloat_sch.pdf

一見複雑そうに見えるが、オペアンプU2A,U2Bで構成している積分回路、オペアンプU2C,U2Dで構成している微分回路は、はっきりした効果が見いだせず、無くても動作するし、目標値設定のバッファのU3Aも省いてしまえば、残りのオペアンプはU1の4回路だけなので、4回路入りのオペアンプなら1個で作ることができる。
駆動段は単電源で構成したかったのでNPNとPNPのパワートランジスタを2組使ってBTLとした。今回使ったトランジスタは部品箱に入っていたテキトーなもので、コンプリメンタリペアではなく他人同士だ。ICが5Aもあれば十分で、テキトーな組み合わせでOKだ。

使用した電磁石を図1に、ホール素子装着の様子を図2に示す。

Emag
図1.使用した電磁石 DC12V、吸着力8kg仕様のもの

Hall
図2.ホール素子装着
表面実装のホール素子を1.6mmの基板に実装し、基板を介して両面テープで電磁石コアに貼付け。
ホール素子実装面は、浮上対象物の接触によるショートを防止するため、セロテープでシールド。

実際に物体を磁気浮上する様子は上の動画1に示したとおりで、このときの条件は次のとおり。

・浮上しているマグネットとドライバの総重量は14.4g
・浮上距離はおよそ5mm
・駆動電流は80~90mA(12V)

PID制御をするため、エラー信号に、その積分と微分のそれぞれをmixして電磁石を駆動するが、実際にやってみると微分も積分もない、いわばP制御が可能で、積分信号を追加してもとくに安定するでもなく、微分信号を追加すると発振気味になるようで、逆効果だった。微分回路有り無しのエラー信号の様子を図3、図4に示す。

2023121030khz
図3.エラー信号のみでの浮上時のホール素子出力(30kHzで振動)


2023121065khz
図4.エラー信号に微分をmixした場合のホール素子出力(6.5kHzで振動)


以上のように、今回の実験では積分信号、微分信号ともにはっきりした効果は見られず、
エラー信号のみでも浮上動作が可能という結果だった。

積分信号と微分信号を帰還することの意味は、積分は低域ゲインを増加させて定常特性(保持力)を確保し、
位置信号の微分は速度帰還となることから、ダンパー(粘性抵抗)と等価な防振効果が期待できる。

上述の光ディスク装置開発の仕事をしていた当時、リニアモーターを任意の速度で動かす駆動装置を作るという仕事があって、
駆動速度が高速になるほど、止めるのが難しくなる。たとえば矩形波状の速度プロファイルに沿って動かそうとすると、
高速運動から急に止めようとしても、びよよよよーんと振動してしまい、きれいに止まってくれない。
そういう場合は速度帰還をかければよい、と技術書に書いてあったので、位置信号を微分して帰還してみた。ためしに駆動信号を与えずに微分信号の帰還だけをした状態で、リニアモーターを手で動かしてみると、まるで濃厚なオイルダンパーを付けたような、ネトーっとした抵抗が加わっていた。速度帰還をかけるというのはこういうことだったのか!!と身をもって体験できたのだった……

今回は積分も微分も効果を見いだせなかったし、エラー信号は振動していて、自動制御としては不完全のように思える。
高次の伝達関数の自動制御についてまだまだ研究の余地がありそうだ。

【参考サイト】
こんとろラボ
自動制御の基礎から学べます。

ロバスト制御入門
このプレゼン資料に、磁気浮上の伝達関数が説明されています。

半日で作る磁気浮遊オブジェ
PICマイコンで磁気浮上を実現しています。ソースコードもあります。

知恵の楽しい実験
Arduinoマイコンで磁気浮上を実現しています。ソースコードあり。

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2023年11月15日 (水)

超低消費電流 LED 点滅回路

少し前に、こんな開発案件があった。
それは電池で駆動する装置で、できる限り電池もちをよくしたいという。

①通常は休止状態(sleep)で、人が操作すると動作状態に移行する
②操作が終わったら再び休止状態(sleep)に入る

とてもシンプルだが、ひとつだけ注文があった。それは、

◎操作の内容によっては、その後のsleep中にLEDを点灯(または点滅)させておきたい

というもの。
この装置はマイコンにESP32を使って設計したので、sleep中の消費電流は5μA程度まで抑えられる。
ところが、sleep中にLEDを点灯しておくとなると、LEDの消費電流が支配的となり、せっかくの低消費設計が活きなくなってしまう。
最近のLEDは効率がとても高く、少ない電流でもかなり明るい。高輝度タイプなら200~300μAで十分というものもある。
たとえば200μAのLEDをデューティ50%で点滅させると平均100μA。マイコンのsleep電流と比較すると、100μAでも大きすぎる。

さて、どうしたものか。
考えられるのはLED点滅のデューティを可能な限り小さくするくらいしかない。
汎用ロジックICを使えばできそうだが、もう少しシンプルにできないものだろうか……

そういえばむかーし、LED(当時は赤か黄色か緑しかなかった)を1.5V乾電池で点滅させるLM3909というICがあったっけ。ああいうのがあれば良いのだが……
と思い、ちょっと調べてみると、動作電流は0.6mA程度と書いてある。つまり600μAだ。話にならなかった……

何日か考えていたが、ふと、そういえばかなり昔に、2階建ての変わった形をした発振回路を見た記憶がある。たしか超低消費電流が特徴だったはず。
そう思い本棚を探すと、はたして記憶の奥底にあった回路が出てきた!
「トランジスタ進学教室」昭和50年発行 橋本順次著(図1)。これに掲載されていた”トラスコードオシレータ”(図2)がまさにそれだ!!

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図1.「トランジスタ進学教室」

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図2.トラスコード・オシレータの著述

まずはLTspiceでシミュレーションしてみた。
シミュレーションした回路を図3に、シミュレーション結果を図4に示す。

Trascode_sch0 Trascode_sim
図3.シミュレーション回路              図4.シミュレーション結果

図4に示すとおり、きわめて細いデューティで発振している。

さっそくバラックで回路を組んで実験してみた。
LEDをどこに入れるかが考えどころで、2通りの入れ方を試してみた。

Trascode_sch1
図5.実験回路1

まずは図5の実験回路1のように下側のPNPトランジスタのコレクタに直列に入れるパターン。
LEDは秋月で購入した純緑色の超高輝度LED、OSG58A3133A-1MA(VF=2.8V)。
電流パターンは図6に示すようになった。

Trascode1
図6.実験回路1の電流パターン

電流値がきわめて小さいので、あまり正確に測定できていないが、これは回路に1kの電流検出抵抗を入れて、5μAの定常電流はアナログテスタで、1.6msのLED駆動部分はオシロで観測した。
最低動作電圧は3.0V、平均電流は5.66μAなので、たいへんよろしい\(^o^)/
実際に点滅している動画は次のとおり。

動画1.実験回路1によるLED点滅


次に、図7に示す実験回路2を検証した。電流パターンを図8に示す。

Trascode_sch2
図7.実験回路2


Trascode2
図8.実験回路2の電流パターン

この回路では、デューティは回路1の1/5程度と短くなったが、駆動電流が11.5mAと大幅に増えていて、平均電流は17.24μA。最低動作電圧は2.5V。
消費電流は回路1の3倍程度あるが、これでも十分低消費電流だ。点滅動画は次のとおり。

動画2.実験回路2によるLED点滅


以上により、トラスコードオシレータによるLED点滅回路では超低消費電流でのLED駆動が可能だ。
開発案件では実験回路1を採用した。
マイコンのsleep電流5μAに対して、LED点滅に要する電流が5.66μAなので、
かなりいい線なのではなかろうか(^-^)


今回参考にした「トランジスタ進学教室」という本は昭和50年11月20日発行となっている。ということはぼくが10歳か11歳の時に親に買ってもらった本だ。トランジスタの成り立ちから応用回路、それにCDSやホトトランジスタ、LED、サイリスタ、FETなどの説明もあり、驚くことにはこれは小学生向けに書かれている。小学生向けにしてはかなり高度で、当時のぼくにはまったく読みこなせていなかった。それどころか50年近く経った今になってお世話になっている。
今回実験したトラスコード・オシレータという回路は、この本の著者の橋本順次さんの発明だそうだ。念のため特許を検索してみたが出てこなかった。インターネットで検索しても出てこないので、忘れられてしまった回路なのか、あるいは何か別の名前になっているのかもしれない。

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2023年11月13日 (月)

トランジスタ技術の圧縮

先日、フジテレビ『世にも奇妙な物語』で、「トランジスタ技術の圧縮」が放映されましたね(^-^)
この物語は、今年CQ出版社の月刊誌「トランジスタ技術」通巻700号記念企画で掲載された、宮内悠介さんの短編小説です。
電子回路技術者なら、ああ、やったやった!!ぼくもやったよ!!!と納得するネタですし、電子技術に縁のない人にはちんぷんかんぷんな内容だったと思います。

まず、「トランジスタ技術」とは、古くから日本にある電子技術の月刊専門雑誌で、電子回路技術者でこれを知らないといったらたぶんその人はモグリじゃないかという位の、その筋では超メジャーな雑誌です。毎号最新の技術情報が掲載されるので、貴重な情報源として大事にとっておくような性質の雑誌です。
トランジスタ技術はたしか80年代から90年代にかけて厚さが最大になり、ピーク時にはおそらく4センチ以上あったんじゃないかと思います。なぜそんなに厚いかというと、広告が多かったからです。おそらく広告が全体の60%程度を占めていたんじゃないかと思います。
毎号大事にとっておくと、どんどん本棚が塞がっていき、そのうち床に平積みになり、平積みの山が増えて行き……という恐ろしいことになります。そこで、広告部分だけ取りのぞいて捨て、薄く製本してとっておくわけです。これがトランジスタ技術の「圧縮」です。

当時ぼくは高校の無線部に在籍していて、無線部では同じCQ出版社の「月刊CQ」を定期購読していました。思い出してみると、当時の月刊CQはトランジスタ技術よりさらに厚かったような気がします。
これは余談ですが(というか全部余談ですが)、ある日無線部室で届いた月刊CQを読んでいたら、広告ページの”サンハヤト”(基板メーカー名)が”サンハトヤ”に誤植されていて爆笑したおぼえがあります。
当時トランジスタ技術の内容は、高校生にとってはかなり敷居が高く、父が購読していたトランジスタ技術を時々めくる程度でした。父はその遙か前よりトランジスタ技術の読者で、物置には未圧縮のトランジスタ技術のバックナンバーがぎっしり入っていました。

ところが、おそらく2000年を過ぎたあたりからトランジスタ技術はだんだんと薄くなり始め、いまでは全盛期の1/2か、ヘタをすれば1/3近くまで薄くなってしまいました。これはなぜかというと、業者が広告を出さなくなったからです。インターネットの普及によって、広告の方法が大きく変わったことが原因です。そうなると広告収入に頼る雑誌は存亡の危機になりかねません。やはり古くからある「無線と実験」は、今年いっぱいをもって季刊化するとのことですし、ラジオ技術も読者の高齢化が進んでいて、いつどうなるかわかりません。
それでもいまある雑誌はここまで生き残ってきた強い種なのです。ぼくが子供のころから親しんできた「模型とラジオ」、「子供の科学」、「初歩のラジオ」、「ラジオの製作」などはどれもだいぶ前になくなってしまったし、マイコン(パソコン)黎明期に夢中になった月刊I/O(現在同名の雑誌あり)もなくなってしまいました。
トランジスタ技術はいまも技術者にとって最新情報を知るためになくてはならない雑誌です。日本の電子産業を支えている要素のひとつといっても過言ではないと思います。いつまでも存続してほしいと思っています。

ところで、テレビの「トランジスタ技術の圧縮」のラストは、ジローラモ氏が登場し、雑誌「レオン」を手に「パーティーはこれからだ」というオチがついていました。これは原作にはありません。
これはたしかに、テレビ的にはオチを付けたい気持ちはよくわかるのですが、レオンはちょっと違うんじゃないかなあ……
いや、ジローラモ氏が登場して意表を突いてておもしろいんだけど、雑誌の性質が違いすぎるんじゃないかと。
ファッション誌は、1冊丸ごと広告のような性質があるので、圧縮できないんじゃないかという気がします。
じゃあ、レオンのかわりに何かあるか?といわれたら、月刊CQじゃあんまりだし、月刊JR時刻表じゃあ、あまり圧縮できなさそうだし、ほとんど思いつきません(^-^;
やっぱり「トランジスタ技術」は特別な雑誌なんだ!という気がします。

テレビの進行役はタモリさんでしたね。タモリさんはアマチュア無線家なので、月刊CQは当然ご存じでしょうから、おそらくトランジスタ技術も知っているでしょう。そこまで考えるとなかなか妙ですね。

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2023年11月 7日 (火)

SSDAC128 and デジタルRIAAイコライザ デュアル基板(基板頒布あり)

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前回の記事で、SSDAC128_I2S基板に装着するデジタルRIAAフォノイコライザ・サブ基板を発表しました。

これは従来のSSDAC128_I2S基板のFPGA回路を、デジタルRIAAフォノイコライザに書き換えることで実現しました。
従来通りAmaneroCombo384からのUSB入力で信号再生可能ですが、AmaneroCombo384の代わりにデジタルRIAAフォノイコライザ・サブ基板DPEQ000を装着することにより、レコードプレイヤーから直接入力ができ、リアルタイムでの再生が可能です。
ただし、デジタルRIAAフォノイコライザとして使用するためにFPGAの書き換えが必要で、再びSSDACとして使用するには再度FPGAをSSDACに書き換える必要がありました。

今回は、SSDAC128_I2S基板で使用するFPGAを、10M08SCE144C8Gから10M08SAE144C8Gに変更することで、SSDACとデジタルRIAAフォノイコライザ回路の両方を実装し、電源投入時のDIPスイッチの設定で選択できるようにしました。生基板は従来と共通のSSDAC128_I2S基板です。

レコードファンにとってはかなり便利になったと思います。
また、デジタルRIAAフォノイコライザ・サブ基板DPEQ000にはカートリッジ出力をプリアンプで増幅した信号がRCAで出力されているので、レコードの生音をパソコンでリッピングするときに便利で、レコードの生音を使ったソフトウェアフォノイコライザの検証などに役立ちます。

この記事の下の方にすべての資料とFPGAのオブジェクトファイルを公開します。自力で製作したい方は次の手順で行ってください。

①回路を組む
回路図を参照して、回路を組んでください。
ユニバーサル基板でもできると思いますが、回路規模を考えると、生基板を購入されることをお勧めします。
FPGAは10M08SAE144C8Gです。従来の10M08SCE144C8Gではないので購入時に間違えないように注意してください。
SSDAC128_I2S基板は、従来と比較してジャンパ配線が一箇所、LEDと抵抗をそれぞれ3個ずつ追加となります。資料を参照してジャンパ線と部品の追加を行ってください。

②FPGAにオブジェクトファイルを書き込む

PCと製作した基板をダウンロードケーブル(USB-Blaster)で接続し、FPGAにSSDACとRIAAイコライザのデュアルブートが可能なオブジェクトファイル(SS_RIAA.pof)を書き込みます。このオブジェクトファイルはデュアル・コンフィギュレーションのオブジェクトなので、QuartusPrime Programmerで図1のように、CFM0,CFM1の2つにチェックを入れて書き込みます。


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図1.QuartusPrime Programmerによる書き込み
     CFM0とCFM1にチェックを入れて書き込みます。


これで、電源投入時のDIP SWの設定によってSSDACとRIAAフォノイコライザが選択できる基板の完成です(^-^)

詳しい仕様は、以下の資料をご参照ください。

製作マニュアル(SSDAC128_I2SDual)
図表(SSDAC128_I2SDual)
取扱説明書(SSDAC128_I2SDual)
電気学会論文

製作マニュアル(DPEQ000)
図表(DPEQ000)
取扱説明書(DPEQ000Dual)

FPGAオブジェクトファイル(10M08SAE144C8G用)


次の5種類を頒布します。(すべて税、送料込み)

①全部品実装基板セット(SSDAC128_I2SDualとDPEQ000のセット) 77000円
・全部品を実装し、動作確認済みの基板セットです。
・AK4490にはAK4490REQを使用しています。
・Amanero COMBO384は含まれません。
・すべて手実装です。
・DPEQ000のOPAMPはNJM4556AD。
・納期:2週間程度(受注生産)

②全部品実装基板(SSDAC128_I2SDualのみ) 72000円
・全部品を実装し、動作確認済みの基板です。
・すべて手実装です。
・納期:1週間~10日程度(受注生産)

③書き込み済みFPGA実装基板SSDAC128_I2SDual 27000円
・書き込み済みFPGAのみ搭載した基板です。
・すべて手実装です。

・納期:1週間程度(受注生産)

④全部品実装基板セット(動作確認済み)、AmaneroCOMBO384、電源トランスセット 98000円
・全部品を実装したSSDAC128_I2S基板、DPEQ000基板およびAmaneroと電源トランスのセットです。
・すべて手実装です。
・AC電源ケーブルおよび電源スイッチ、ヒューズ等はご用意ください。
・納期:2~3週間程度(受注生産)

⑤生基板セット 4700円
・AK4490EQおよびAK4490REQに対応したSSDAC128_I2SとDPEQ000の生基板セットです。
・生基板のみの販売です。FPGA用pofファイルをダウンロードしてお使いいただけます。
・納期:3~5日程度


購入ご希望の方は表題に「SSDAC_RIAA基板頒布希望」とお書きのうえ、
dj_higo_officialアットhigon.sakura.ne.jp(アットを@に換えて)までメールにて
お申し込みください。
※ご希望のセット番号と、お名前、ご住所、電話番号をお書きください。
折り返し、代金振込先等のご案内をお送りします。

製造・頒布はSLDJ合同会社が行います。

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