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コアレスモータ対応鉄道模型用コントローラの開発~その9・PFM式~ [模型]

2017年5月20日の日記

先週,PFM式の鉄道模型コントローラを試運転しました。

残念ながら,かすかですが音がして,かなり甲高い音を出しますし,当然ですが,つまみを回していくとどんどん周波数が高くなります。チョッパ電車なら一定の音なのでそれほど気になりませんが,初期のインバータ電車みたいに音の周波数が変わるので非常に感じが悪いです。まぁ,機関車が走り出すと気にならないレベルですけど。

すっかり泥沼にはまってしまいました。これじゃ,ウクライナの湿地帯にはまってしまって身動きが取れなくなったドイツ軍,という感じです......orz。

しかたないので,なんとか冬将軍が来る前に無事撤退,という具合に行きたいものです。

先週は,スタート時点のスイッチング周波数を500Hzと想定して設計しました。やはりこれはダメで,もっと高い周波数にしておかないと耳に聞こえてします。

ただ,そうしなかったのは,先週も書いておきましたが,PFM式は当然,周波数がどんどん変わるので,最終的にはかなり高い周波数になってしまいます。実際,先週の測定では610Hz~63kHzというものでした。つまり,大体100倍くらいの周波数になります。

こうなってくると,仮に20kHzでスタートすると最終的に2MHzにもなることが予想されます。

そうなると使用しているタイマIC555の発振可能周波数がいくらまでか,と言うのが問題になります。

555の発振可能周波数は大体,500kHzというのが相場です。iruchanもそう思っていました。

でも,テキサスインスツルメンツが出しているNE555の規格表を見ると,もっと上まで出そうです。

NE555 free running frequency.jpg TI社NE555データシートから

たしかに,100kHzまでしか表示されていませんが,RA+2RB=1kΩの線を伸ばすと1MHz以上は出そうです。

ということで,C,Rをまた変更してテストしてみることにします。

まずはSpiceでのシミュレーションから。LTspiceは幸いなことに,NE555のモデルが標準でついています。

PFM controller (20kHz) simulation schematic.jpgシミュレーション回路

PFM controller (20kHz) waveform.jpg スタート時点の最低デューティ。

最低デューティは約1%で,周波数もほぼ20kHzとなっています。

PFM controller (20kHz) waveform-2.jpg 最終段階です。

最終的にはデューティ100%となる直前の状態です。初段の非安定マルチの出力は1.6MHzで,波形も崩れてきていますが,まだちゃんと出力しています。

ということで何とかなりそう.....,という雰囲気です。

それに,波形が崩れてきていますが,そもそもデューティが90%以上になっている段階でのことなので,ここで波形が崩れても,単にデューティが90何%かから100%に飛ぶだけのことで,問題ありませんね。

PWM式の場合,波形が崩れるのは第4回にも書いておきましたとおり,デューティが低いときです。

ここで波形が崩れてしまうと,低いデューティのパルスが出てこなくなり,ラピッドスタートになっちゃうので大問題ですが,PFM式は低デューティは大得意ですから,問題ありません。

ということで,ここまで来たら基板上の部品を取り替えてテストしてみます。

今回,555の発振周波数を決めるCとRのほか,2段目の単安定マルチの555の充放電コンデンサの放電用の2SA1015を1ランク上の2SA1020に取り替えました。Spiceのシミュレーションで120mAくらい流れることがわかったためです。

PFMコントローラ2.jpg 現時点での回路図です。

基板(20kHz).jpg プリント基板です。

ICは初段は通常の555ですが,2段目はあとでLMC555に変更しています。また,2段目の555の横にあるジャンパー線は試作時のもので,下記のパターン図は修正後のものです。

最低デューティ(10kHz).jpg 出力波形です。

▲のオシロの波形は最低デューティの時です。残念ながら周波数は11.5kHzと予想より低めですし,最低デューティも6.6%になっています。さんざん原因を考えたのですがよくわかりません。初段に使っている555のコンデンサが150pFと異常に小さいですし,セラミックコンデンサなので誤差も大きいからか,と考えていますがよくわかりません。まあ,これで動かなければOKなので,とりあえずテストしてみます。

最大デューティ(改良後)1.jpg ちなみに,最大デューティ時です。

試運転.jpg ただいまテスト中。

やはり驚き.......。

     [晴れ][晴れ] ものすごくスローで動くんです [晴れ][晴れ]

もちろん,常点灯にも対応し,停止した状態で前照灯が明るく点きます。6%くらいのデューティだと機関車は動き出しちゃうんですが,動かずに停止しています。ちょっとなんでだか説明できないんですけど。

それに,PFM式のよいところは最低デューティでも必ずパルスが出ているので,ボリウムを一杯に絞っても必ず前照灯が点灯します。

これはいいことなのか,悪いことなのか,どちらにも解釈できちゃうんですが,いい方としては,いちいち,今回作ったKC-1改PIC式のもののように,調光用のボリウムを調節しなくても前照灯が点灯するし,また,TL494を使った従来のPWM式のようにつまみが1個しかないタイプのものは機関車は動かないけど,前照灯は点灯する,という位置につまみを止めておかないといけませんが,コアレスモータ機はLEDが点灯するデューティと機関車が動き出すデューティの範囲が狭く,そういう状態で止めておくのはなかなか厳しいですが,今回のPFM式だと楽勝でした。それも単につまみを一番絞っておくだけでOK,というのは楽です。

まあ,逆に,前照灯を消したいときはコントローラをoffするしかない,と言う欠点もあるのですが.....。

また,前回,テストしたときに気づいたのと同様,PFM式は非常にスローで動きます。これはKC-1も真っ青と言っていいくらいです。なにより,さっきも書きましたとおり,常点灯する範囲が非常に広く,時計で言うと10時くらいまでは前照灯のみが点灯して,それ以後は機関車がゆっくり動き出す,という感じで,非常に鉄道模型のコントローラとして優秀だと思います。PWM式の場合,今回製作したものも含め,常点灯する範囲というのは非常に狭く,特に,コアレス機は厳しいのですが,今回,製作した一連のものでも常点灯の状態を保つのは非常にクリティカルなのに,PFM式は本当に楽勝,という感じです。

常点灯(20kHz).jpg もちろん,停車中です。

マニアの皆さんを機関区に集めて撮影会するにも楽で,これだと皆さんに喜んでいただけますね......(^^)。

と言う次第で,PFM式は大いに将来有望で,今後,研究していきたいと思います。

ソ連に侵攻したドイツ軍は1815年のナポレオン軍同様,冬将軍に負けちゃうわけですが,こうして無事にiruchanは泥沼から脱出し,キスカ奇跡の撤退ができました。


なお,PICマイコンを使ったソフトウェア方式のも開発しております。ご興味のある方はこちらをご覧ください。


2017年5月29日追記

プリント基板図のご要望がありましたので,upしておきます。まだiruchanはPFMコントローラは未完成と考えていますので,とりあえずの暫定版とお考えいただければ幸いです。

実験しましたが,2段目の555はC-MOSタイプのLMC555をお使いください。最低パルス幅は0.8μsで,最低デューティは1.4%となりました。2段目の単安定マルチバイブレータはより高速タイプのものが必要なようです。

ただ,残念ながら,初段の非安定マルチにLMC555を使用すると動作しませんでした。こちらは通常のTTLタイプの555をお使いください。

PFM controller(基板)1.jpg プリント基板(銅箔面)

PFM controller PCB(部品面)1.jpg プリント基板(部品面)

サイズは53×37mmです。 はジャンパ線です。


2017年8月3日追記

2SA1020が発熱して壊れた,というご報告がありました。正常に動作する場合は全く発熱しないはずです。そこで,Spiceで調べてみました。

2SA1020損失.jpg 正常に動作している場合

正常時はピーク電流こそ120mAくらいになりますが,平均電流はごくわずかです。コレクタ損失も230μWくらいですから,全く発熱しないはずです。

ただ,このTrをうっかり,逆向きにはんだづけしてエミッタとベースが逆に配線されているとすると......,

2SA1020逆接続.jpg 誤接続した場合

コレクタ損失は5Wを超えてしまい,すぐに2SA1020は壊れてしまうと思います。

ただ,念のため,出力を調べてみたら,この状態でもパルスは出力されるようです。おそらく,模型もしばらくの間は動くと思います。

という次第で,このTrの接続には十分お気を付けください。


2017年8月11日追記

回路を修正しました。

いくつか改良したのですが,まずは2段目の555のRAはもっと大きくしないと電流が大きいので,2.2kΩにしました。ここは時定数RA×Cでパルス幅を決めているのですが,パルス幅を小さくするにはこの時定数を小さくするとよいのですが,RAは電流が流れるため,あまり小さくできません。

次に,どうしても初段の555は普通のTrタイプの555じゃないとうまく動作しなかったので,やはりこちらも2段目同様,C-MOSの555LMC555CN)にしたいと思います。一般的にTrタイプの555は最高500kHzくらいまでですが,C-MOSだと1MHz以上発振できます。

ただ,今まではどうしても初段だけ,C-MOSタイプにすると動かなかったので改良したいと思います。

原因はオシロを見てわかりました。初段のデューティが高すぎるんですね。初段はRAに可変抵抗を用いて,非安定マルチを作り,周波数可変の発振器として使っていますが,デューティが高すぎて発振はしているんですが,2段目の555にトリガをかけるほど,off期間が長くなっていないようでした。

そこで,初段の555周辺の定数もいじりました。

最低デューティ(最終版LMC555×2).jpg 最低デューティです。

パルス幅は1.4μs,最低デューティは3.5%となりました。少し最低デューティは大きいかもしれません。もし,模型が動いてしまう場合は先ほどの2段目の時定数をいじってください。

最大デューティ(最終版,LMC555×2).jpg 最大デューティです。

きちんと100%になります。直前のパルスの周波数は525kHzでした。

初段最高周波数(LMC555).jpg 初段LMC555の最高周波数

驚いたことに1.4MHzを超えています。まさか,555で1MHz以上の発振ができるとは思わなかったので感動です。ただ,ノーマルのTrタイプの555ではここまで出ません。もっとも,出力は1.4μs程度のパルスが隙間なく出力されるようになるとデューティ100%となるので,出力波形はこんな周波数になりません。

最大デューティ(最終版,555&LMC555).jpg Trタイプの555のとき

今回の定数で,今まで使っていた日立のHA17555の場合です。最大デューティは25%くらいにしかなりませんでした。やはり,発振周波数が低すぎて,100%になりません。今回の回路では初段の555もC-MOSタイプのLMC555をお使いください。

と言う次第で,最終的な回路図を示します。

PFMコントローラ3.jpg最終版の回路です。

なお,本機の最低デューティは3%くらいで設計していますが,最近購入したKATOのC12だと起動デューティが2.7%だったので,この定数だと動いてしまうかもしれません。

もし,つまみを0にしても機関車が動いてしまう場合には,初段の555のRBを100Ω,2段目のRAを3.9kΩにしてみてください。これでデューティが2%くらいになって止まるはずです。


2017年8月16日追記

2SA1020が過熱する,というご報告がありました。

いろいろ調べてみると,8月3日の追記にあるように,どうもピン配置が東芝のオリジナルと異なるものが紛れ込んでいるのでは,と思いました。

台湾・友順科技股份有限公司UTC(Unisonic Technologies, co. ltd.)のホームページを見て,ようやくわかりました。驚いたことに,確かにピン配置の異なるものがあるようです。最初はまさかと思いましたけど......。


iruchanも使ったのはUTCの2SA1020で,手持ちの10個ほどを確かめましたが,いずれも東芝の2SA1020と同じピン配置でした。しかし,秋葉などで売られているものには電極がECBじゃなく,EBCのものがあるようです。しかも,▲のデータシートを見ても,実物の表記からはどのピン配置か,わからないようですが,EBC配列のものはTO-92パッケージで,東芝2SA1015と同じパッケージのもののようです。オリジナルの東芝製2SA1020と同じパッケージ(TO-92NL。TO-92より長い)のものはピン配置も同じECBのようです。

UTC製のTO-92版2SA1020はピン配置が東芝のものと異なります。お気をつけください。


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Vivid

こんにちは。
PFM回路出来ましたね!
周波数が、最高で1MHz超えというと結構高周波ですが、ピーの音が聞こえなくて、常点灯して、超スロースタート可能と、三拍子そろって成功です。
お見事です。
機械がありましたら動画を公開していただければ幸いです。
私はアナログがさっぱりなので、PICで似たような周波数でPFMが出来ないかちょっと検討してみたいと思います。
by Vivid (2017-05-22 17:49) 

iruchan

どうもコメントありがとうございます。

まだ,最低デューティがおかしく,設計どおりじゃないので原因を調査中です。まだとりあえず,うまくいった,と言う程度ですね。

今後,改良したいと思います。

一応,You Tubeにupしました。汚い画像ですが,よろしければご覧ください。

https://www.youtube.com/watch?v=MGorMYSQcy8
by iruchan (2017-05-22 21:27) 

じいじ

このブログが「その12」まで進んでおり、コアレスモーター対応のコントローラが究極の姿で完成していることは感動ものですね。
先月「その3」のブログに質問させてもらいました。その節は愚問にお付き合いいただき有難うございました。
当方の知識・技量レベルでは、マイコン仕様はまだ手が出ませんが、感動物の超スロー運転をしてみたくなり、このブログ(「その9」)の内容でPFM式のコントローラを製作しようと思っております。ブログ中段にある回路図を修正したのが、追記のプリント基板図と理解をしております。この基版にDC電源や、ポリスイッチ、出力の切り替えスイッチをつけるべく研究をしておりましたら、次の疑問が出ました。(前回と同じような愚問でなければよいのですが)
プリント基板(部品面)を見ますと、LMC555の下部に回路図にはないコンデンサがあります(2個並んでいる左側の0.1μFです)これは、プリント基板の銅箔面を見るとLMC555の8番ピン(VCC)に結線されGNDされているように見えます。このコンデンサは必要でしょうか?ご教授のほど宜しくお願い致します。

by じいじ (2017-06-20 19:02) 

iruchan

じいじさん,どうもいつもご覧いただき,ありがとうございます。

件の0.1μFは大変失礼しました。これはVccのパスコンで,デジタルICやOPアンプなど,高周波のノイズで誤動作を防ぐためのもので,アナログ,デジタルにかかわらず,普通,Vccに入れておくものです。

回路図に記入せず,申し訳ありません。

特になくても動作しますので,入れなくてもよいです。

なお,本機はちゃんと保護回路(2SC1815と0.56Ω)が入っておりますので,ポリスイッチは不要です。Nゲージでしたら,0.56Ωの代わりに1Ωくらいでも結構です(この場合,過電流検知が0.6Aとなります。

また,555はブログにも書いておきましたが,1個は普通の555で,もう1個はC-MOSタイプが必要ですのでご注意ください。
by iruchan (2017-06-20 19:25) 

じいじ

早速の回答有難うございました。
0.1μFの件は不具合対策で入っていることは了解しました。
また保護回路の件は、説明の数字を見て「あれっ」と思い、過去のブログを読み返したところ、「その6」に記載がありました。(忘れていますね)
2種の555を使う件は了解しております。
これでPFM方式を製作してみたいと思います。(但し、プリント基板ではなく、通常基板方式ですが…。)
毎回、丁寧な回答有難うございます。引き続きブログを楽しみにしております。

by じいじ (2017-06-20 21:53) 

iruchan

じいじさん,とをありがとうございました。

パスコンの件,大変失礼しました。

このギョーカイ? では,OPアンプ回路など,パスコンを回路図から省略するのが普通になっています。実装するときは忘れずに追加する,というのが常識になっちゃってます。

といって,省略しても問題になることはあまりないと思いますが,念のため,入れておいた方がよいと思います。

どうも失礼しました。
by iruchan (2017-06-20 22:17) 

じいじ

いつもお世話になっております。
前回のご教授を受け、追記の基板図からPFMの回路図(基板図通りLMC555を2段目に使用)になおして、これに基づき部品を集めようとしております。
1段目のHA17555とダーリントンTRの2SD686が入手できそうもないため、代わりにNE555と2SD1415Aを使いたいのですが、周辺の抵抗やコンデンサーの値等の変更は必要でしょうか?
また前回ご教授いただいた「バイパスコンデンサー」ですが、NE555の「データシート」の「非安定動作」の回路図内のVCC付近に0.01μFが記載されていますが、これも入れたほうがよろしいでしょうか?
再度ご教授の程よろしくお願い致します。
by じいじ (2017-06-26 23:07) 

iruchan

じいじさん,どうもいつもご覧いただきありがとうございます。

555はシグネティクスが開発したNE555がオリジナルで,日立のHA17555は同等のセカンドソースです。NE555で問題ありません。

また,2SD686も失礼しました。古いTrなので見つからない場合は同じNPNでダーリントンのものなら何でもOKです。

どちらもほとんどデジタル回路なので定数の変更は必要ありません。

なお,パスコンは大体,0.01~0.1μFくらいです。規格表は各社が作っているのでパスコンの値はばらついていると思います。なくても問題ないくらいですが,スペース的に入るようでしたら,入れておく方が無難です。
by iruchan (2017-06-27 08:33) 

じいじ

毎回、迅速かつ丁寧なご教授有難うございます。
先ほど、やっと2つのICの働きが判りかけました。2段目のICがON時間(1.1RC)を決め(=デューティサイクルの分子)、次のONまでの時間(周期)を1段目のICのRA,RBとCの関係(0.693(RA+2RB)C)が決め(=デューティサイクルの分母)るのですね。
VR1を最大値にしたときに、デューティサイクルが1パーセント位で、1段目の周波数が20KHZ位になり、VR1を最小値(=0)にしたときに、デューティサイクルが100パーセント以上で周波数が5MHZ位以下になる抵抗やコンデンサーの組み合わせを求めれば良いということですね。
変数に対して、方程式の数が少ないようなので、一義的な解は得られないようですね。
結果的に、追記の基板図の値に落ち着くと思いますが、もう少し抵抗とコンデンサーの値を検討してみます。
いづれにしましても、愚問にお付き合いをいただき有難うございました。

by じいじ (2017-06-27 23:59) 

iruchan

じいじさん,どうもコメントをありがとうございます。

PFM式は,初段の555がトリガ信号を作ります。電気的には非安定マルチバイブレータで,可変周波数の発振器です。

2段目の555は単安定マルチバイブレータで,初段からのトリガ信号に応じて,1発だけ,決められた幅のパルスを出力します。

次から次へと初段の555からトリガ信号がくるので,それに応じた一定パルス幅の信号が出るようになっています。

だったら初段で一発でこのようにできればいいのですが,555は周波数とパルス幅は自由に独立して決められないので,このようにしております。

周波数や周期などは555の規格表に記載してあります。日本語だと,新日本無線のNJM555の規格表がわかりやすいかと思います。
by iruchan (2017-06-28 08:12) 

ななし

結論:これ作るのを失敗しました。
できたーと思って、試運転したら、おーゆっくりうごく、でもボリューム0でも止まらないなぁと思って電源切って、しばらくしてからまた動かしたら、スイッチ入れた瞬間に常に全開、まったくコントロール不能。これは何がだめだったんでしょう?
・・・でもあきらめません。また挑戦しようと思います。
by ななし (2017-07-29 19:07) 

iruchan

ななしさん,それは困りましたね。

まず,出力のダーリントンTrが飛んでいないか,チェックしてください。C-E間の抵抗が0になっていると飛んでいます。この場合,出力は全開となります。

もし,Trが生きていたら,次はそのベース電圧のチェックです。ここがVR1,VR2ともに絞ったときに0Vになりますか?

次は2段目の555の#3ピンの電圧チェックです。ボリウムVR1を0にしても12Vくらいになっていたら555周辺の配線チェックをしてください。

あと,バイアス調整用のVR2の出力電圧が同様に12Vになっていませんでしょうか。ここはVR2を絞ると0Vになるはずです。

どちらにしても配線のはんだづけがテンプラになっていて導通してないとか,外れてしまっているというのが原因だと思います。

最低デューティの問題はこれらの原因を修正してからですが,オシロで最低デューティが2%以下になっていることを確認してください。
by iruchan (2017-07-30 09:36) 

k-1

いつも楽しく読ませていただいています。
私も作ってみましたが、電源入れたところ焦げ臭くなり555から煙が…
あちこち熱くなっており、短絡やテンプラを探してみましたが、見当たりませんでした。改良版が公開されましたら再挑戦します。

ところで、「最終的な基盤」画像で2段目の555と130Ω抵抗の間にジャンパ線が映っていますが、プリント基板の2枚の図には見当たりません。これは不要でしょうか。
by k-1 (2017-08-01 00:07) 

iruchan

k-1さん,555が火を噴いたのですか。555は大電力を扱うICじゃないので,よほどのことがない限り,火を噴くようなことはないと思うのですが。私は経験したことがありません。

また,ジャンパー線の件,大変失礼しました。写真の基板は試作時のもので,パターンミスに気がついてジャンパー線で修正したものです。パターン図のほうはそのミスを修正したものですので,パターン図にはジャンパー線がありません。

うっかり,2段目の555も1段目の非安定マルチと同じパターンで作ってしまい,#6ピンと#7ピンに抵抗が入るようになっていました。そこをショートするためのジャンパー線です。

どうも申し訳ありませんでした。
by iruchan (2017-08-01 08:13) 

k-1

ご説明ありがとうございます。

初段の555を交換して懲りずに電源入れてみましたが、A1020が触れないほど熱くなっていることが分かりました。保護回路付きのACアダプタをつないでいますが、シャットダウンしないんですよね…

by k-1 (2017-08-01 20:18) 

iruchan

k-1さん,状況はわかりました。

2SA1020は2段目の555のパルス幅を決めている0.047μFの放電をしているだけなので,瞬間的にパルス状に電流が流れているだけですし,定格的にも余裕があるので,熱くなるはずがありません。

おそらく,初段の555がうまく動作してなくて,2SA1020を常にonにしているのだと思います。

初段の555の#3ピンの波形を見てください。とりあえず電圧でもよいですが,0Vのままではないですか。#3ピンにLEDをつけていますが,点灯していますか?

このLEDはパイロットランプを最終的にさせるだけなのですが,初段の555が発振しているかどうかのモニター用でもあります(そのためにつけています)。これが点灯してないときは初段の555が動作していません。

ただ,仮に2SA1020がonしっぱなしでも熱くなるほどの電流は流れないのですが.....。少し電流が大きかったので2SA1020にしていますけど,本来は2SA1015でもよいくらいです。

あと,可能性としては2SA1020のコレクタとVccの間にちゃんと抵抗が入っていますでしょうか?コレクタとVccの間の抵抗を計って,100Ωになっていることを確認してください。

仮に0Ωだと,2SA1020でVccをショートしていることになりますから,当然熱くなります。

なお,ACアダプタは保護回路がついていますが,定格電流が1Aとか,2Aとかかなりの大電流なので,2SA1020が熱くなるくらいの電流と言っても0.2Aとか,それくらいだと思うので,保護回路は動作しないと思います。2SA1020はPC=0.9Wですから,熱くなる,ということは2Wくらいになっていると思います。
by iruchan (2017-08-01 22:57) 

k-1

お相手ありがとうございます。

発振確認用のLEDは点灯しています。
VCC-A1020間の抵抗ですが、ベース間で100Ωでしょうか?
コレクタ間だと570Ωを示しました。
念のためA1020を交換しましたが、変わらずです。
この状態で車両が速度制御できて走るんですよね…

も1回作ってみます。
by k-1 (2017-08-02 19:02) 

iruchan

LEDが点灯していれば,初段の555は動作しています。

2SA1020はエミッタと12Vの電源(Vcc)の間の抵抗値です。エミッタ~Vcc間が570Ωと言うことだったでしょうか。昨日,コレクタとVccの間に,と書いてしまいましたが,2SA1020のコレクタはGNDに接続されているのでエミッタの間違いです。どうもすみません。

回路図どおりに配線してあればエミッタ~Vcc間は100Ωとなるはずです。

なお,正常に動作していれば,2SA1020は全く熱くはなりません。もちろん,555も発熱しません。

また,おそらく,その状態では正常に走らないと思います。

どこかに配線ミスか,はんだづけ不良,隣のパターンとの接触があると思います。 また,可能性としては,2SA1020の逆挿しが考えられます。この場合,エミッタとベースを逆に接続してしまいます。
by iruchan (2017-08-02 20:30) 

ななし

私も555がかなり熱くなりました。
正常だと発熱しないのですか。
555お亡くなりになってますわ。
k-1さんと同じです。
555注文して、くるまでおやすみしてます。
失礼ですがK-1さんに質問です、K-1さんもブレッドボードパターンの基盤で作ってませんか?

by ななし (2017-08-02 20:52) 

iruchan

555は論理ICに近いものなので,電流はごくわずかです。発熱する,と言う話は聞いたことがありません。

555も2SA1020もほとんど発熱しないはずです。

どこか,配線ミスか,はんだづけのブリッジとか,ありませんか。
by iruchan (2017-08-02 21:33) 

ななし

すみません。上の段の2SA1020は2段目の555のパルス幅を決めている0.047μFの放電をしているだけなので,瞬間的にパルス状に電流が流れているだけですし,定格的にも余裕があるので,熱くなるはずがありません。
回路図の22pf 0.0022Ufのことでしょうか?
by ななし (2017-08-02 22:55) 

k-1

たびたびすいません

最終的には、回路図からの変更を考慮すると
VCC-ベース間が100Ω
VCC-エミッタ間が130Ω
となるのではないかと思いますが、測ってみたところその通りでした。
使っているA1020(UTCのTO92NL)のピンアサインが違うのかとも思いましたが、データシートではECBのようです(UTCはTO92だとEBCみたいです)。逆刺しも大丈夫だとは思いますが、やはりどこかミスってそうですね。

ななしさん
私はiruchanさんの版下からプリント基板を自作してみました。
コピー機トナーのアイロン転写方式です。
部品をつける前にテスターで短絡は調べたのですが、見落としあるかもしれませんね。
by k-1 (2017-08-02 23:26) 

iruchan

2SA1020のコレクタ電流および損失をSpiceで調べてみました。

詳しくはブログ本文の最後に載せましたが,電流はピーク値で130mAくらいになりますが,パルス状のため,平均電流はごくわずかです。実測してみましたが,7.2mAでした。損失もSpiceの結果では230μWでしたから,熱くはなりません。最大出力時でも300mWくらいです。

という次第で,2SA1020は最大定格内ですし,発熱しないと思います。

ただ,試しに,エミッタとベースを入れ替えてみると損失は5Wを超え,おそらくチンチンに熱くなります。数分で壊れると思います。

困ったことに,この状態でもコントローラからはパルスがほぼ正常に出力されるようです。

ななしさんが,しばらく動いたけど,故障した,という状況に近いと思います。

おそらく,2SA1020の誤配線(逆接続)でしばらくは動いたのですが,すぐに555を道連れにして壊れたのではないかと考えています。

ひょっとして,UTC製のものにはピン配置が異なるものがあるのかもしれません。2SC1815互換をうたっていた,フェアチャイルドのKSC1815は途中でピン配置が変わっていますので,あり得る話かもしれません。

by iruchan (2017-08-03 20:29) 

iruchan

ななしさん,2SA1020は2段目の555の時定数である,0.0022μFの放電をしているだけです。本来は555が自分で放電するのですが,Spiceでシミュレーションしたらどうしても555の放電が遅いので,強制的に放電するように設置しています。これがないと1μsの狭いパルスが出力できません。

ただ,Spiceでシミュレーションすると,瞬間的に120mAくらい流れます。安全上,2SA1015から2SA1020に変更しています。

2SA1020は東芝のでもUTCのでも問題ありません。ピン配置も同じです。

また,22pFでなくて,82pFのことでしょうか。こちらのコンデンサではなく,2段目の0.0022μFを指しています。なお,0.0022μFは2200pFです。

また,アイロン転写基板は少し注意点があり,どうしても紙上のトナーを転写するため,微細な紙の繊維がパターンに残って,隣のランドとつながっていることがあります。特にDIPのICやTrのランドの周辺や2つのパターンが近接しているところは,必ず,事前にテスターでショートを確認してください。もし,ショートしていたらカッターで傷を入れれば切れます。

あと考えられるのは初段の555の#4~#8間のジャンパー線(うまくプリント基板を設計すれば不要だったのですが,どうしても必要でした)とか,555が初段はノーマルの555ですが,2段目はC-MOSタイプを使用していることにご注意ください。

明日から田舎に帰るのでしばらくコメントできません。ご了承ください。また,8月中に少々,回路を簡略化した改良版を発表したいと考えています。現在,Spiceでシミュレーション中です。
by iruchan (2017-08-03 21:30) 

ななし

おかげさまで出来ましたー!! 
2200pfでした、まちがえてかいちゃいました。
ただ、vr1を絞ってもとまらないのでVR1を500キロから1メガに変えました。
それで止まるようになりました。
それでも、スローが良いです。
EF66の首振りスカートですけどね。
ご迷惑かけてますが、これからもよろしくお願いします。

by ななし (2017-08-07 07:47) 

iruchan

ななしさん,どうもご連絡ありがとうございます。無事に動いたと聞いて安心しました。

また,VR1の件,大変失礼しました。

最低デューティが高すぎて動いちゃう場合は2段目の555の時定数を小さくすればよいです。RAの100Ωを小さくしてみるか,2200pFを小さくするとOKです。

なお,バイアス回路の電圧が高すぎて動くこともありますので,オシロをお持ちでない場合は,VR2は最低限,小さな値にしてください。
by iruchan (2017-08-07 08:23) 

じいじ

前回の質問から、久しぶりにブログの下まで読んで、皆さんがご苦労をされているのを知り驚いております。それでも皆さんクリアされているのはさすがですね。
ところで、回路中のダーリントンTr(先のご指導で2SD1415Aを使います)ですが、このTrのベースには、定電流回路からの信号(直流)とは別に、LMC555からのPFM波(パルス)が入力されますが、このTrはこのような周波数をもつベース入力にはどの位の範囲まで対応(追随?スイッチング?)できるのでしょうか?あるいは、当該Trのデータシートのどこを見ればよろしいでしょうか?
測定機器もシュミレータもないので、今回の周波数範囲20kHzから2MHzまで(私の計算ではパルス幅を2倍にして2%を20KHzからスタートさせれば1MHzまで)の作動を事前確認をしたいのですが…。またお手数をお掛けしますが、宜しくお願い致します。

by じいじ (2017-08-07 16:30) 

iruchan

じいじさん,どうもいつもご覧いただきありがとうございます。

Trのスイッチング特性は第5回http://iruchan.blog.so-net.ne.jp/2017-03-25に書きましたが,規格表ではt on, t off, t stgとして書いてあります。これを見れば追随特性がわかります。

Trはt on, t offは大体どれも同じで,0.5~1μs程度で,t stgが大体2μsくらいです。これがMOS-FETはないので高速です。

ところが,問題はダーリントンTrの場合,ほとんど書いていません。スイッチング用と称するTrのみ書いてあります。

と,思っていたのですが,2SD1415は書いてありますね。しかも, t stgが5.1μsと遅い!

ちなみに2SD686の規格表を見たら1.5μsでしたから速いです。また,2SD560は3.5μsです。

あまり書いていないと思っていたし,Trもt on, t offはほとんどどれも同じなのでt stgもほとんど同じと思っていたので申し訳ありません。

と言う次第ですが,PFM式はoffの時間でデューティを調整するので,素子自体のスピードはそれほど問題じゃありません。

最低デューティは2%くらい,最低パルス幅を3μsくらいにして最低スイッチング周波数が10kHz以上にできれば合格だと思っていますが,2SD1415Aの場合,t stgが5.1μsだともう,この時点で不合格です。ただ,2SD1415Aのスイッチング特性はIC=3Aというかなり大きな状態での速度のため,小電流の時はもっと速いと思います。

by iruchan (2017-08-08 00:24) 

iruchan

じいじさん,追加です。

残念ながら,Spiceのモデルに2SD1415Aがないのと,555の発振回路についても,Spiceの結果は周波数が規格表の計算式通りにならないのでなんともいえませんが,一応,EXCELで555の計算式からシミュレーションしてみると,

初段555:RA=500k(VR) ,RB=47Ω,C=150pFで
2段目555:RA=100Ω,RB=0Ω,C=0.01μF

で最低周波数20kHz,パルス幅1.1μs,最低デューティ2%となるようですが,実際には周波数は15kHzくらい,パルス幅2μsくらいではないかと思います。

2SD1415Aのt stg=5.1μsのままだとすると,このパルス幅は無理なんですが,小電流の場合は2μsくらいは出せるのでは,と考えています。2SD686や2SD409では楽勝で出していますが。
by iruchan (2017-08-08 11:05) 

じいじ

早速の回答と追加のシュミレーション有難うございました。

回答の意味されるところは、折角2個のICでうまく20KHzで1%(パルス幅0.5us)や2%(パルス幅1.0us)を作っても、ダーリントンTr(2SD1415)の反応特性が悪いため、いきなり10%(5us/0.5us)程度のデューティの出力となり、また90%((50-5)us/50us)くらいでもうフル出力となってしまうということでしょうか?
特性の5usはIC=3Aなので、実際はもっと速いとのことですが、10%が期待している数%までに改善されると良いのですが...。
入手可能な部品が限られるので、致し方ありませんね。以前のブログ「その5」や「その6」で使用されていたMOSFET方式も勉強してみます。
それから「追加」の下から2段落目に「実際には15KHzくらい、パルス幅2USくらい」とありますが、計算と実際は大分違うということでしょうか?
以上、今一度お付き合いいただければ幸いです。
by じいじ (2017-08-08 17:34) 

iruchan

じいじさん,どうもコメントありがとうございます。

ご指摘の通りで,今までブログにも書いてきましたとおり,せっかく,2個の555を作って,仮に1μsのパルスを作っても,出力段のTrのスイッチング速度が遅いと,2μsなどになってしまう,と言うことです。

ただ,このように出力されるパルス幅が広くなってしまうと,必要な最低デューティを確保するためにはスイッチング周波数が下がってしまい,耳に聞こえる,と言う状況になってしまいます。

高い方は問題ないと思います。仮に90%から100%になっても,気がつきはしません。模型も質量があるので,急加速したりするわけではありませんので。

MOS-FETを使う場合でも,MOS-FET自身は高速なのですが,入力容量が大きいため,その容量分が十分,高速で充電・放電されない限り,低速になってしまいます。それで,今回,プッシュプルドライバをMOS-FETに使ったりしています。

なお,バイポーラTrをほかの回路(PIC版PFM,KC-1改)でも使っていますが,十分合格するパルス幅なので,2SD1415Aでも大丈夫では,と思います。

とりあえず,先ほどのCR類の定数と2SD1415Aでテストしていただいて,その後,MOS-FETに交換されるとよいと思います。あるいはダーリントンTrを使わず,通常のTr(2SC,2SD)でも大丈夫だと思います。残念ながら昨日も書いたとおり,ほとんどのTrでt stgなどの記載がないので,事前に使えるかどうか判断できないのですが。

本機でMOS-FETを使う場合,本機は電流動作のため,MOS-FETにはそのままでは不適です。2個の1SS133のカソードが接続される位置に1kΩをはんだづけし,それをGNDに接続してください。できれば,反対側の1SS133のカソードとMOS-FETのゲート間に10Ωくらいの抵抗を入れてください。この場合,PPドライバは不要だと思います。

by iruchan (2017-08-08 20:08) 

じいじ

毎回迅速な回答有難うございます。

おっしゃる通り先ずIC周りの定数を変えて、2SD1415Aを試してみます。その上で駄目なようでしたら、ご教授いただいた注意点を踏まえてMOSFETで製作してみたいと思います。(次に発表予定の簡易版も気になりますが)

また質問をさせていただくかもしれませんが、その節は宜しくお願い致します。

by じいじ (2017-08-08 21:01) 

じいじ

何度も申し訳ありません。昨日の返信の続きとなります。本題の前に、昨日は5usを使ったいい加減な計算式での質問をうまくかわして、意を汲んだ的確な回答をいただき有難うございました。

実は2SD1415Aが不可の場合の「二の矢」の件です。
スイッチング時間を少々勉強しましたところ、データーシートに記載の時間以外に「そもそもの入力値の幅(今回は0.5usまたは1.0us)」もプラスされることが判り、2SD1415Aではますます厳しいなと思っております。また、私にとってMOSFETへの変更はハードルが高いことからも、スムーズな製作のために、可能であれば他のダーリントンTrの事前選定をしておきたいと思った次第です。
いろいろネットを見てみますと、「マルツ」さんのHPで「トランジスタ」から「NPN-ダーリントン」を選択すると200件以上出てきました。そこからいくつかのTrの「データーシート」を見てみますと、意外と「スイッチング時間」の記載があることが判りました。(数値の記載の無いものもありますし、あっても数値のバラつきは当然あります。2SD1415Aが特別悪い訳でもありませんでした。逆に2SD686が良すぎるかもしれません)
そこでまたまたお願いですが、今回の場合のダーリントンTrの選定基準をご指導いただけないでしょうか。

ディレーティング(最近勉強しました)を考慮すると、絶対定格としてVceoは20V位以上、同じくIc(DC)は3A位以上(保護回路が1Aちょっとなので大きすぎるかもしれませんが)、そして今回の目玉であるスイッチング時間は3種類ほどありますが、単純トータル時間で2SD686の2.3us(Ic=3A計測)に近いものかそれ以下と思っております。またhFEはダーリントンなら問題ない(先にいただいた回答にも「通常のTrでも」との記載もありましたので)と思っております。
今「マルツ」さんのHPの中で一つこれはと思っていますのは、2SD1164です。スイッチング時間は単純合計で2.5usと短いのですが、Ic=1Aでの計測値です。(これ以上短くなりにくい?)また絶対定格のIc(DC)が±1.5Aとちょっと小さすぎる気がします。
また今まで2SD型を調べていましたが、2SC型でもよろしいでしょうか?

長くなりましたが、念のため「二の矢」までは検討をしておき必要部品を揃えてから製作に入りたいと思っております。
暑い中恐縮ですが、ご指導宜しくお願い致します。
by じいじ (2017-08-09 16:22) 

iruchan

じいじさん,たくさんのご質問で答えに窮してしまいますが,とりあえず,2SD1415Aをお持ちでしたらそれでお試しください。

Trのスイッチング速度は第5回に書きましたが,t on, t stg, t offの和です。ただ,t onとt offは立ち上がり,立ち下がりの部分で0.5~1μsです。t on,t offは速度よりもむしろ,損失で問題になると思います。t stgはシングルの素子は若干短めで,1.5~3μsでしょうか。ダーリントンだと若干長くなるようで,2.5μsでも高速と規格表に書いてあるものがあります。

MOS-FETのCissが最近は大きいのと同様,どうも最近のダーリントンTrはt stgが長いようです。

2SD1415Aは5.1μsで,ちょっとびっくりしましたが,ほかは6μsなんてのも多いようです。

ただ,先日も書きましたように,これは大電流を流した場合で,省電流の場合は短いのでは,と思います。実際,ダーリントンTrを使っていても1.5μsくらいのパルス幅が出ています。

iruchanも半導体の専門家じゃないので詳しくはわかりませんが,ベース近傍の正孔と電子の中和領域が大電流の時は大きいですが,省電流の時は小さく,この部分が速やかに小さくなるため,と考えています。

MOS-FETを代用する場合は昨日の回答の通りで,1kΩと10Ωを追加するだけです。

なお,新たにMOS-FETを買ってテストするよりは,とりあえず,お手持ちの2SD1415Aでテストしていただけませんか。正解はオシロがない限り,判断ができません。

あるいは,昨日も書きましたように,お手持ちでNPNのパワーTrがありませんか。最大定格としてはVCEO>35V,Ic>3Aくらいが目安です。

ダーリントンでないとダメ,と言うことはないと思いますが,hFEが小さくなるため,ベース電流が増えます。555がドライブできるかどうか微妙なためです。ともかく,2SD1415A同様,テストしてから,と言うことになると思います。電子回路は机上で検討したとおりにはなりませんので。Spiceのシミュレーションも同様で,Spiceで動かない回路が実際に作って動く,と言うことは絶対にありませんが,逆は大いにあり得ますので。

なお,今は2SCだろうと2SDだろうと,ほとんど意味がありません。確かに,2SCが高周波用,2SDが低周波用と区分されてはいますけど,それはAMラジオ時代の話で,いまやMHzオーダーでも低周波扱い? といっていい時代ですから。2SCにするか,2SDにするかはメーカがどちらにしたら売れるか,と言うくらいの話だと思います。

by iruchan (2017-08-09 21:32) 

じいじ

質問攻めで申し訳ありませんでした。
大手さんを除き多くの通販会社さんが明後日から夏季休業に入るため、しばらくの間新規の部品調達もままならないことに気づきました。
「二の矢」は封印して、2SD1415A他現在の手持ち部品を使ってブレッドボードに組んでテストをしてみたいと思います。
お付き合いをいただき有難うございました。
by じいじ (2017-08-09 23:20) 

ななし

なんどもすみません。
2個目を作ったら、そおかRAを小さくしてみようと思って、47オームにして動かしたら動くけど、止まらんなぁと思ってたら、
抵抗が燃えました(笑)
真っ黒でカラーコード読めないです(笑)
2200Pfも熱いです。
で、100オームに変えたら、動きました、止まりません、抵抗も燃えそうなくらい熱いです。
これまた2200pfも熱いです。
何がだめなんだろう。
by ななし (2017-08-10 04:33) 

iruchan

じいじさん,近くに部品屋さんがないところだと通販しかありませんので,大変ですね。

Spiceのシミュレーションは万能じゃないし,また,電子回路というものは想定外の動作をするものなので,試行錯誤の繰り返しです。いくら事前に調査しても動かないのはしょっちゅうですし,テストしてから設計のやり直し,と言うのが普通ですので,とりあえず,試してからまた次をお試しください。

なお,残念ながら,2SD1164はiruchanは採用しません。

理由はパッケージです。TO-252というパッケージは表面実装用です。マルツの写真を見るとリード線が長いので,スルーホール基板にも使えるようになっていますが,このパッケージだと放熱器をつけられません。

バイポーラTrは損失が多く,原因はhttp://iruchan.blog.so-net.ne.jp/2017-01-02でも書いたとおり,VCEsatが大きいためです。シングルTrなら1V,ダーリントンなら2V程度です。VCEsat×Icが損失になるので,2SD1164は1A流すと損失は2Wで,これは放熱器が必要です。

もっとも,2SD1164はVCEsatが小さいようで,1Aでも1Vくらいのようですから,1A時でも損失は1Wくらいで,放熱器は不要かもしれません。ただ,このパッケージは基板に銅箔面を設け,それにコレクタをはんだづけして放熱する構造なので,やはり本来は放熱器が必要だと思います。通常のTO-220のパッケージをおすすめします。こちらの方はもともと放熱器の使用が前提で,自動車会社からの要求でフルモールドパッケージが増えていますが,これは絶縁用のマイカを省略するためです。2SD1164がこれらと違って昔のような金属コレクタとなっているのは,上記のようにはんだづけするためです。

ななしさん,大変申し訳ありませんでした。2段目の555のRAは100Ωでも50mA程度の電流が流れることがわかりました。これなら熱くなります。従って,これ以下の値にするとまずいので,先日のコメントは訂正します。

なお,これと2SA1020が燃えるのは原因が異なります。こちらは50mAくらいじゃ燃えませんし,タイミングが異なるので,この50mAが2SA1020に流れるわけじゃありませんので。こちらはやはりベースとエミッタが逆になっていたのではないかと思います。

2200pFも燃えるわけがありません。そもそもコンデンサなので,電流が流れないわけですから,発熱のしようがありません。交流の場合は電流が流れますが,それだって,力率0となるので,原理的に発熱しませんので。

よくあるのは電解コンデンサを耐圧オーバーで使用したり,経年劣化で内部の直列抵抗分が増えて発火する(数年前の扇風機の火災事故がそうです)というのがありますが,ここは積層セラミックとかフィルムでしょうから燃えるわけがありません。

なお,2段目のRAを流れる電流が大きい点については,今度の休みにテストして修正した回路を追記させていただきます。
by iruchan (2017-08-10 20:41) 

ななし

フィルムコンデンサー 2200pF50V(ルビコンF2D)
燃えないですけど、熱いです。
なんでだろう?

修正した回路で、また作ります。
修正した回路楽しみです。


by ななし (2017-08-11 02:24) 

じいじ

今日付けの新しい回路図を拝見させていただきました。
LMC555のデータシートに記載の計算式からの値と実際のオシロスコープの値は随分違うのですね。最低デューティの周波数が計算値の7割程度となるのには驚きました。
また、この時のパルス幅が1.44usということは、2段目のLMC555が計算では0.94usのパルス幅を作るはずなので、2SD686のスイッチングにより0.5usしかプラスされていないのは、先のご指導でIcが小電流の場合スイッチング時間はデーターシートよりもっと速くなるとおっしゃっていた通りでした。2SD1415Aにも期待が持てそうです。
現在手持ち部品が限られていますので、この回路図通りには出来ませんが、設計意図を変えない程度に定数を変え「パスコン」を入れた形で製作を頑張ってみたいと思います。(まずブレッドボードでと思いましたが、ICには使えないので諦め、ユニバーサル基板への部品配置を考えていたところでした。この時点での変更は大丈夫です。)
by じいじ (2017-08-11 15:18) 

iruchan

じいじさん,どうもコメントをありがとうございます。

残念ながら,やはりSpiceの結果や,規格表の計算式とは異なります。実際に動作させてみて,また元に戻って,というプロセスが欠かせません。

周波数は計算上は35kHz~2.4MHzでしたが,実測24.6kHz~1.45MHzでした。パルス幅はLMC555の出力でSpiceの結果28.95kHz,1.03μsでしたが,実測24.5kHz,1.19μsと言う具合です。やはり計算やシミュレーションはまだ確度が低いです。

また,このパルスが2SD686のベースに加わって出力のパルス幅1.44μsですので,やはり幅は広くなりますが,2SD686のt stgよりも小さいです。やはり負荷が小さいときは幅が狭くなると思います。

なお,簡略版を8月中に報告,と書いていましたが,実質的に本機とほとんど変わらないので取りやめます。後日,MOS-FET出力段とした場合の回路を発表します。
by iruchan (2017-08-11 21:24) 

じいじ

今回の回路での計算値と実測値を列挙していただいて、大変参考になりました。計測手段を持ち合わせていないものですから、実際に定数等を変えた場合の影響度合いが推定できます。
また、敷居が高いと敬遠してしまっているMOSFET方式も発表されるのですか。それであれば、今回のダーリントン方式とよく比較して、それぞれの特徴をよく理解してからどちらかの製作にしたいと思います。(その後よく見ましたら、プリント基板図と比べて新回路のバイアス調整用のVR2値やCVのコンデンサ値が変わっているため部品無く製作中断としました)
それまで、ご迷惑をお掛けしないようもう少し電子回路の勉強をしておきます。(年なのでもう無理かもしれませんが…)
次回の発表を楽しみに待たせていただきますとともに、これからも宜しくお願い致します。
by じいじ (2017-08-11 23:27) 

iruchan

じいじさん,MOS-FET形式のものは設計はとうに終わっているのですが,Spiceでテストしただけなので発表は控えています。必ず,実際に作ってちゃんと動くことを確認してから発表しているので,今回もそのようにしたいと思います。
なお,バイアス回路は低周波のときにモータからスイッチング音を防ぐ目的で入れています。可聴帯域以上の周波数でスイッチングする場合は不要です。最終版では不要です。
by iruchan (2017-08-12 21:18) 

じいじ

MOSFET方式の件はそのようにしていただけると助かります。(わがままを言わせていただくと、現在手に入る部品であるとものすごく助かりますが....。でもこれは貴兄の主義に反しますね。)
バイアス回路の件は確かにそうですね。気が付きませんでした。するとVr2、E452、1SS133×2の3種4点の部品が不要になりますでしょうか。
更には、2段目のLMC555のパルス幅を決めるコンデンサですが、プリント基板の回路と比較してその容量が2割以下の390pFになりますが、まだ2SA1012はあったほうがよろしいでしょうか?
またまた質問攻めになりそうで恐縮ですが、ご指導宜しくお願い致します。
by じいじ (2017-08-12 23:57) 

iruchan

じいじさん,MOS-FETはできるだけCissの小さなものを選ぶ必要があります。先日,コメントに記載した回路はドライバ回路を使わないので,Cissの影響が大きいためです。
バイアス回路はもとはスイッチング周波数300Hzで考えていたため必要だったのですが,20kHz以上ならつけなくてもよいと思います。
プリント基板の図は修正していないので,本ブログ初稿時の定数です。最終版とは異なります。
なお,2SA1020は必要です。本来は555でコンデンサを放電させるので不要なはずですが,Spiceでシミュレーションするとどうしても1%程度のデューティのパルスを発生できなかったため,そのコンデンサを急速放電させるために考案しました。これがないと5μsくらいのパルスしか出力されませんのでご注意ください。
by iruchan (2017-08-13 09:18) 

k-1

改良版中止ということで、基板から作り直してみました。
Trを2SD686に、1段目の555もCMOSタイプにするなどしましたが、
前作ほどではないにせよ2SA1020が熱くなりました。
前作にも同様の変更を加えましたが、やはり1020が熱くなりますので、
工作上の問題ではないと判断、諦めかけましたが、ふと手持ちのA1015に替えてみたところ発熱しません、UTCの1020はピンアサインが違う??。
ただ、急加速すると途中で一瞬息継ぎしますので、C3851にしたところスムーズに速度変化しました、が、今度はボリウム絞っても止まりません(笑)。もう少しいじってみます。


by k-1 (2017-08-13 16:37) 

iruchan

k-1さん,それにしてもその2SA1020はおかしいですね。2SA1015でも大丈夫だと思います。一応,安全を見て2SA1020にパワーアップした,と言うのが本音です。
もし,2SA1015で正常に動作するようなら,やはりUTCの2SA1020のピンアサインを疑うしかなさそうです。試しにUTCの2SA1020を10本ほど持っていたのでテストしましたが,正常なピンアサインでした。左からBCEになっているかもしれません。もし,テスターにダイオードチェックモードがあったら,Bに赤のリードを当て,残りのピンに黒のリードを当てて順方向電圧を調べてみてください。0.6Vになっていたら,赤いリードがベースです。
そのほか,最終版の回路を本文最後に載せました。定数の変更をお願いします。
なお,動くとのことですが,模型の形式は何でしょうか。
また,改良版は本機の最終版の出力段をMOS-FETにするくらいのものですので,ほとんど変わりません。いずれ発表したいとは思っています。
by iruchan (2017-08-13 20:37) 

じいじ

速報です。ブレッドボード上(試作)での組み立てですが、無事C57(Tomix製)が「常点灯」で「非常にゆっくり」しかも「音もなく」スタートしました。コアレス機ではないので、現在の定数では、VR1を相当回さないとスタートしませんが...。
しかし、問題が発生しております。それは、K-1さんと同じく2SA1020(UTC製)が発熱しております。手で触れない程ではないのですが、暫く触っていると熱いので手を放したくなります。本体の足側の方が熱いですね。
今現在、VR1を時計方向にマックス回した状態(VR1=0Ω、高速モード)で1時間程様子を見ていますが、どんどん温度が上がっているわけではなさそうなので取り合えずホットしております。
念のため、2SA1020のピンアサインは、型番が書いてある平らな面に向かって左からECBですよね。また、試作した2段目のLMC555の定数は、手持ち部品の関係で3.9KΩと220pFです。またテスターも普通のタイプですのでベースの確認が出来ません。
関係は判りませんが、1段目のLMC555の定数はRaは1.5KΩと可変500KΩ(B)、Rbは3.0KΩ、コンデンサは変更なしの82pFです。さらに両555には0.1uFのパスコンを付けました。また、ノーカットオフ回路関係の3種4部品は付けませんでした。
今一度配線等点検をしてみますが、何か判りましたらご指導をお願いいたします。

by じいじ (2017-08-15 18:31) 

iruchan

じいじさん,申し訳ありませんが,回路としては間違っていませんし,Spiceのシミュレーションでも,また,実測してみても2SA1020のPCはそれほど大きくなく,問題ありません。iruchanの基板のもまったく発熱しません。

念のため,2段目の555のRAの3.9kΩの抵抗の消費電流はいくらになっていますでしょうか。

また,2SA1020のコレクタ電圧はいくらになっていますか。

触れないほど発熱する,というのは異常です。おそらく,数Wの熱を出していると思います。

ひょっとして,UTCの2SA1020の一部にピンアサインがおかしなものが紛れているのではないかと思います。正規品は左からECBですが,BCEになっているものがあるのでは,と思います。

ちなみにiruchanのもUTCのを使っていますし,先日,手持ちの10本ほどをチェックしましたが,ECBの順番でした。

K-1さん同様,一度,正規の東芝製に代えていただくか,2SA1015など,他のPNPのTrに交換してみてください。特に,2SA1020や2SA1015である必要はなく,PNPのTO-92タイプのものなら何でもよいと思います。

バイアス回路やほかの回路の部分は特に関係ないと思います
by iruchan (2017-08-15 22:16) 

ななし

修正された回路図が載ってる。ありがとうございます。
でも、抵抗とコンデンサとc-mos555がないので、おあずけです。
しかし、考えてみるとIRUCHAN設計PWM2台と、自動加減速装置2台、KC-1改1台、前設計のPFM2台。
ArduinoでモータからVVF音が出る白くまパワーパックの1台。
カトーのスタンダードs2台、カトーの古いの2台。
あれ? 気づいたらパワーパックが、なぜかうちに12台もある。
それでもコンデンサと抵抗と555を買って作ります。
iruchan製が7台、多分新たに2台は作るから9台。
・・・あらためて、お世話になってます。いつもありがとうございます。

by ななし (2017-08-15 22:41) 

じいじ

ご指示承りました。本日は撤収してしまいましたが、明日時間が取れますので測定を致します。確認ですが、抵抗の電流測定は解りますが、コレクタ電圧というのはどことコレクタ間の電圧でしょうか?
また大きな問題は無いと思いますが、逆差しも試してみます。尚、手持ちにはこのTRしか無いため、他のTRを試すことが出来ません。
素人発想ですが、TRをブレッドボードに差し込む時に、穴に合わせるため手で両端の足の間隔を広げましたが、この時に内部が破損したという可能性はありませんでしょうか?そんなに華奢ではないとは思いますが…。
結果はまたご報告します。
by じいじ (2017-08-15 23:41) 

iruchan

じいじさん,どうも失礼しました。

コレクタ電圧は対GNDです。半導体にしろ,真空管にしろ,単に電極の電圧という場合は対GNDのことを指しています。

なお,逆差しを試すのは危険です。できれば,ほかのPNP Trでお試しいただきたいのですが。

ほかに試せる方法として,2SA1020のベースに1kΩくらいの抵抗を挿入してみてください。ベースに過大な電流が流れるのを防ぐ方法です。

なお,脚を広げたからと言って壊れることはないでしょう。

ななしさん,どうもいつもありがとうございます。

残念ながら,最終版ではC-MOSの555が必須です。これがないとうまく動きません。
by iruchan (2017-08-16 06:39) 

k-1

先ずは10周年おめでとうございます。
電子工作に限らず楽しませていただいています、今後ともよろしくお願いいたします。

さて、2SA1020にテスターを当ててみたところ、データシート上”E”の足は”B”でした。諸先輩が国産部品を好まれる理由はこんなところにもあるのでしょうか…
最終版の定数にして、いろいろ車両を替えて走らせてみました。
コアレス車はよりスムーズに走りますね、驚きました。ただ私の環境だとVR2を絞っても止まりません。惜しい。
通常モーター車は、じいじさんおっしゃる様に2~3時のボリウム位置から動き始めます。ボリウムをごく少しづつ回していった場合は問題ないのですが、いつもの感覚で回すと失速したり、止まったり、動いて止まってを繰り返すといった挙動が出ます。特にカトーのGM5モーター車とは相性が悪いようです。パルスは難しいですね。


by k-1 (2017-08-16 19:24) 

じいじ

遅くなりました。測定結果です。
①2段目の555のRa(3.9KΩ)の電流値ですが、10Aから測りましたが表示は0.00のままでした。
②コレクタ電圧は6.5Vでした。
③2段目の555のトリガーと1020のベースの間に1KΩの抵抗を入れたら熱くなりませんでした。
取りあえず結果を報告いたします。
by じいじ (2017-08-16 20:48) 

iruchan

じいじさん,どうも測定ありがとうございました。

3.9kΩが0.00ということはSpiceのシミュレーションどおりだと思います。5mAくらいのはずです。なお,もっと低いレンジで測ってみてください。

それと,電流を測る場合,テスターの電流レンジではなく,電圧レンジにして,ターゲットの抵抗の両端の電圧を測ってオームの法則で計算します。

電流測定だと直列に入れないといけないし,うっかりリードが外れて回路に電流が流れなくなり,故障する原因にもなりますので。

コレクタ電圧も正常だと思います。

以上の数値だとほとんど発熱しないはずです。

なお,ベースに入れた抵抗はベース電流を制限するものです。Spiceでシミュレーションした結果では不要なはずなのですが,念のため,お願いしました。
by iruchan (2017-08-16 21:21) 

iruchan

k-1さん,どうもこちらこそよろしくお願いします。

UTCの2SA1020はiruchanが持っていたものは東芝とピン配置が同じでしたが,どうもご指摘のように,k-1さんがお持ちのものは違うようです。

普通は左からECBですが,k-1さんのはBCEですね。

普通はセカンドソース品は必ずピン配置は同じにして特性も同じにするものなのですが.....。

2SC1815互換を謳っていたフェアチャイルドのKSC1815も最初はECBだったようですが,途中からBCEになっているようです。欧米ではこの配置が多いので,途中でめんどくさくなってしまったのでしょうか。本来,あってはならないことだと思います。

止まらない件,大変失礼しました。iruchanも最近のKATO C12で止まらない,と言う現象を確認しました。最低デューティを2.4%以下にしないと止まらないようです。

本機の場合,初段の555のRBを100Ω,2段目のRAを3.9kΩにしてみてください。これでデューティが2%くらいになって止まるはずです。

ちなみにテストされたコアレスモータ搭載機は何でしょうか。

通常のコアつきモータ機の場合は,やはりデューティの変化が緩やかのため,起動位置は遅くなります。その後はスムーズに走るはずなのですが。

by iruchan (2017-08-16 21:24) 

じいじ

K-1さんのコメントを読み、「ままよ」と禁じ手の逆差しをしてみました。なんと発熱しません。「やった」と思いきや、今度はVR1での制御不能です。VR1を絞ってもフルスピードで走り出します。
電源を切り落ち着いて考えます。取りあえずご報告まで。

by じいじ (2017-08-16 21:34) 

じいじ

追加のご報告です。
電流の計測は、電圧から算出するのですか。知りませんでした。因みに今回は10.95Vでしたので、3mAほどになります。
さらにテスターで2SA1020の順方向電圧を計測する件ですが、テスターの盤面をよく見ますと、音が広がるマークとダイオードのマークのレンジがありましたので、先にご説明のあった計測方法で計測しましたところ、基本的に表示は「1」なのですが、データシートの記載のBとEが入れ違った場合だけ「738」を示します。取り扱い説明書が見つからないものですからこれが何を意味するのかが不明です。テスターはkaise社のKU-1188です。
何かの参考になりますでしょうか。

by じいじ (2017-08-16 22:52) 

k-1

すいません、2SC3851Aに替えていたのを2SD686に戻したところ止まりました。スイッチング速度の違いが出たのでしょうか。

テスト機は手持ちのコアレス車一通りで、カトーC11,12,59,62とD51、GMの京王8000です。

有鉄心モーター車ですが、カトーの飯田線旧国シリーズでは問題が出ないのですが、同じモーターの781系だとだめですね。

1020の逆刺し、私もやったのですがやはり全開になりました。
BCEでもないのでしょうか…
by k-1 (2017-08-17 00:39) 

iruchan

じいじさん,テスターで電流を測るのは実は危険で,普通は抵抗の両端の電圧を測ります。マイコンなどが電流を測定するときも同様で,電流センサ(実は単なる抵抗です)の電圧をA/D変換しています。

なお,kaiseのテスターはよくわかりませんが,下記に説明書が出ています。

http://www.kaise.com/instruction/j_instruction_ku1188.pdf

普通,ダイオードのチェックモードは順方向電圧を表示するもので,iruchanのもそれです。ただ,kaiseのは抵抗値を表示するようですね。しかし,その数値が何を意味しているのか,書いていません。

とりあえず,赤→黒の方向に電流が流れるようですから,やはりUTCの2SA1020は正規のものとは電極が異なるようです。PNPのTrの場合,ベースに黒,コレクタ,エミッタに赤のリードをつけた場合のみ,導通するはずです。

k-1さん,2SD686でOKで,2SC3851Aでダメ,と言うのはよくわかりません。D686の方が鈍足なのでパルス幅が広がるはずで,こうなるとむしろ最低デューティが上昇するので動いちゃうんですけどね。

機関車の件,了解しました。iruchanもD51だとOKでしたが,C12だと動いちゃう,という現象があり,最低デューティを変更しました。

PICだと簡単なんですけどね.....。iruchanも1時間で最低デューティを修正しました。

PFM式は有鉄芯でも問題ないはずですが,よくわかりません。

なお,PFM式は起動デューティがコアレスが3%前後なのに対し,コアつきモータが30%以上なので,当然,起動位置(つまみ)が異なります。

別の記事のPIC式のPFMコントローラはPWM&PFMとフルPFMモードをつけていますが,この対応のためです。ハードウェア式でもこのようなことができないか,検討してみたいと思います。

純粋なPFM式はコアレスモータ専用と考えた方がよいかもしれません。

by iruchan (2017-08-17 05:34) 

じいじ

追加のご報告です。その前にテスターの取り扱い説明書のリンク有難うございました。
取り扱い説明書によると、こちらのテスターで「ダイオードのテスト」ができ、3桁の数字が表示されるときは「順方向接続」で、数字の1のときは「逆方向接続」とのことでした。
手持ちの2SA1020は10個ありますが、すべて以下の同じ測定結果でした。
Trの平らな面に向かって、「左ピンに赤リードと右ピンに黒リード」および「中央ピンに赤リードと右ピンに黒リード」の時のみ順方向接続で、リードの当て方の残りの組み合わせはすべて逆方向接続でした。
これは、右ピンがベースのPNPなのでは、となりますが…。
ということは、ベースのピンアサインはデータシート通りということになります…。
それでもトラブルのは、まさかEとCが逆???
そんなことがありますでしょうか?
以上測定結果のご報告と私のおかしな考察でした。
by じいじ (2017-08-17 14:20) 

iruchan

じいじさん,どうもテストをありがとうございます。

正規の2SA1020の場合は左からECBですし,半導体で言えば,PPNの順に並んでいることになります。

ということは,P(赤)→N(黒)の方向に電流が流れるようにテストするときだけ,導通が出るはずで,ご指摘の状況では正規品と同じです。

ちょっとコメントの内容がわかりにくいですが,下記の組み合わせなら,正規品です。

左ピン:赤,右ピン:黒
中央ピン:赤,右ピン:黒

この組み合わせの時だけ,導通します。それ以外の組み合わせは不導通です。

なお,台湾UTCのホームページを見て謎が解けました。一部に,EBCの組み合わせの2SA1020が存在するようです。

ただし,パッケージが東芝の正規品と同じパッケージのものは東芝のピン配置と同じですが,EBCとなっているものは,ひとつ小型の2SA1015と同じパッケージののようです。

秋葉では前者のタイプ(東芝の正規品と同じ)ものしか流通していないと思います。秋月さんにも確認しましたが,秋月さんのは東芝のと同じピン配置とのこと(iruchanが確認した10本も同じでした)でした。
by iruchan (2017-08-17 14:46) 

じいじ

表現が判り難く申し訳ありませんでした。
測定結果からは、左のピンからppnの順番になったことになります。
データシートでは、ECBなのでPPNなのですが、トラブルが続くということは、もう一つの順番の組み合わせのCEBなのではというとんでもない考察でした。
このピン配置で、順差しの発熱と逆差しのVr1の制御不能の説明がつくのか判りませんが…。
素人の発想で申し訳ありません。
このままだとウクライナの湿地帯にはまったドイツ軍の二の舞になりそうです(笑い)。
by じいじ (2017-08-17 15:49) 

iruchan

じいじさん,どうもコメントをありがとうございます。

残念ながら,Trの電極チェックは,ベースはすぐにわかるのですが,コレクタとエミッタは区別がつきません。確か,昔何かの本に書いてあった気がしますが,おぼえていません。普通はこんなことは必要ないですしね(規格表見れば済む話ですので)。

iruchanは以前,ブログに書いた中国製のTrテスターでチェックしました。

http://iruchan.blog.so-net.ne.jp/2016-08-14

これを使うと,不明なTrでも電極がわかります。

なお,Trは歴史的な経緯があり,日本のTO-92型は大体,ECBで,これは米国のメーカにならっています。ただ,三菱電機だけは提携先のWestinghouseの流儀でBCEになっているものが多いです。

蛇足ですが,あくまでもこれは大体,と言った程度のもので,iruchanも新しいTrを使うときはかならず規格表を確認することにしています。

ただ,Philipsなど欧州系はEBCとなっているものが多く,台湾UTCはOEM主体のメーカなので,EBCで作ったものが多いのだと思います。特性の似たのを2SA1020として売っているのでしょうが,EBCで作ったものまで2SA1020と称しているのはいただけません。

とりあえず,やはり半導体は信頼の置ける国内メーカ製を使うのがよいと思いました。今回,iruchanもUTCの2SA1020を使っているのですが,これは買ってから台湾製と気がついたもので,捨ててしまうのももったいないので使っています。オーディオ回路だったら使わないんですけどね。
by iruchan (2017-08-17 16:06) 

じいじ

いろいろとお付き合いをいただき有難うございました。
素人には信頼のおけるメーカーが良いなとつくづく思いました。先のご説明でパッケージのお話がありましたが、今回の製造会社のデータシートには寸法の記載がありませんでした。同じ1020といっても実物は、胴体の長さは東芝の1020並み、足の長さは東芝の1015並みです。
通販会社さんも夏季休業が明けましたので、今回の経験を踏まえ調達方針の変更です。
その前にMOSFET方式を宜しくお願い致します。(こんなことに付き合わせていては、次の製作に支障を来しますよね。申し訳ありませんでした。)

by じいじ (2017-08-17 17:23) 

iruchan

じいじさん,どうもコメントをありがとうございます。

半導体のパッケージは日本は米国にならっていて,Trの場合はTO-**という名称で,同じ名称なら大体,各社同じサイズです。

と言うことでUTCは書いていないのでしょう。ただ,普通は書くものなんですけどね。また,微妙に各社,サイズが異なります。

なお,UTCの2SA1020については,東芝のと同じ大きなサイズのものはピンも互換です。

ただ,2SA1015と同じ小さなサイズのものもあるようで,それはEBC配置になっているようですが,日本で流通しているとは思えないのですが。

こちらも夏休みが終わってしまうので,MOS-FET版はもっと先になります。よろしくお願いします。
by iruchan (2017-08-18 17:45) 

k-1

お世話になっております

通販でpicライターを買うついでにトランジスタチェッカーも買ってみました。
お騒がせの?UTC製2SA1020(TO-92NLパッケージ 秋月で購入)を調べたところ、「ECB」でした…ピンアサインに問題が無いとなると、あの発熱は?

次はPFM+PWMパックを作ってみますが、千石に東芝のA1020、C2655があるみたいなので、そちらを使ってみます。




by k-1 (2017-08-23 21:37) 

iruchan

k-1さん,どうもコメントありがとうございます。

秋月さんの2SA1020はすべて東芝の互換品です。ピン配置も同じです。

iruchanもMtesterで確認しました。お店からもそのように回答いただいております。

PICライターは最近,Amazonで中国製の互換品を1,000円ほどで買って使っています。何の問題もありません。さすがにPICkit3も6,000円もするのは異常です。
by iruchan (2017-08-24 08:10) 

じいじ

ご報告です。
部品が届きましたので、再々度組み立て直しました。(ノーカットオフ回路部分を除き8月11日付け追記の「最終回路図」版です。)
問題の2SA1020を東芝製にしましたところ発熱はしませんでした。(ホッとしました。)ところが何故かUTC製に戻すと発熱です。相性が悪いのですかね。(尚、UTC製の1020のピンアサインはネットの裏技の計測方法によりデータシート通りのECBでした。また、VR1が0Ωの時は発熱は無く、500KΩの時に発熱します。)
これで一件落着かと思いきや、新たな問題が発覚しました。
それは、VR1を回すとそれに伴い緑のLEDの明るさが変化しますが、CWとCCWの時の明るさの変化が逆パターンではないのです。CWの時は放物線カーブのようなイメージで明るさが増し(=後半急激に明るくなる)ますが、CCWの時は明るさがあまり減少せずに、VR1をだいぶ回してから急に明るさが落ちます。2SA1020が東芝製ですと明るさの大きな減少が2回位あります。UTC製ですとたまにCCW一杯に戻しても明るさが全く減少しないこともあります。いろいろ試しているうちに、2段目のLMC555の8番ピンそばのパスコン(データシート記載の0.1μF=104、最終回路図には記載なし)を外しましたところ、この不具合が解消し、CCWも明るさがスムーズに減少しました。
今現在、LMC555のパスコンは2つとも付けずに、2SA1020は東芝製で落ち着いております。ブレッドボード上ですが、やっと完成しました。いろいろご指導有難うございました。
by じいじ (2017-08-25 18:01) 

iruchan

じいじさん,どうもご報告をありがとうございました。

ただ,それにしても不思議な現象ばかりですね。

UTCの2SA1020はiruchanも使っているのですが,発熱したりしませんし,ご指摘のようなヒステリシスのような現象は出ません。低速からスムーズにデューティは変化しますし,ヒステリシスもありません。

また,パスコンは逆に取り付けないとおかしな現象が出るもので,つけたからと言っておかしな現象は出ません。

おそらく,やはりブレッドボード上なので,回路の浮遊容量がおおきく,いろいろといたずらをする可能性が大きいと思います。UTCの2SA1020についても,何か特性が東芝のものとは違っていて,特に高周波での特性が悪くてPFMとは相性が悪いのだと思います。iruchanと違う現象なのは配線条件(プリント基板orブレッドボード)のせいか,と思います。
by iruchan (2017-08-26 04:28) 

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