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PICでTVリモコンを模擬した話 [電子工作]

2017年4月17日の日記

TVリモコン.jpg ダイソーのコレクションケースに入れました。

   TVの近くに置いておいてこれをタイマーにしてon/offします。 

このところ,PICで遊んでいます。道具をそろえるのが非常に面倒だし,また,ソフトを組むのもデバッグするのも本当に大変なんですが,自分でマイコンを使った機器を作れるようになるとなかなか便利です。

先日,子供用にタイマーつきのあんどんを作りました。今日はTVのリモコンを模擬したものを作ります。

そもそも,ちゃんとTVにはリモコンがついているのに,なんでわざわざPICでリモコンを作らなきゃなんないのか? って実はiruchanもそう思います。

ところが,こうしないといけなくなっちゃったんです。

実は,半年ほど前,某関西に本社があるP社(もちろん,"開拓者" のP社じゃありません)の大型液晶TVを職場で買いました。

といって,職場でTVを見るわけじゃなく,単にパソコンのモニター用として購入し,特定の画面を表示させておくためのものでした。

ところが.....。

ここに落とし穴がありました。パソコン専用のモニターとして使うなら,ちゃんとモニターを買うべきだったんです。

今は液晶TVはかならずHDMI端子がついていますから,そこにパソコンをつなげば大型モニタになるし,DVDやブルーレイも再生できる,プレゼンもできるので便利です。アナログのビデオ信号と違って1本のケーブルで音も出せるのは便利です。普段はTVとして使っていて,たまにパソコンからDVDを再生する,と言うこともできますね。

ただ,今回のように,パソコン接続専用,ということならちゃんとしたモニターを買うべきです。

なにがまずかったか,というと.....。

実はそのP社製の液晶TVは信号がoffの時は一応,省エネで電源をoffにできるのですが,次回,信号がonになっても起動しないんです!!!!

そんなの,パソコンの液晶モニターだったらそれこそWindows95の頃から,無信号時にはoffになり,パソコンをつけると自動的にモニターもonになる機能がついていて,わざわざ液晶モニター自身のスイッチをいじる必要はなかったのに,と思います。

ところが,あろうことか,そのP社の液晶TVはそんな簡単なことすらできないんです。

だから,夕方になって,退社するときにパソコンの電源を切るとか,スリープにすると,自動的に液晶TVもoffになるかスリープモードになって消費電力を減らし,朝,みんなが出勤する頃にパソコンが起動するかスリープから復帰すると自動的に液晶TVがonになって画面を表示させたいのですが,これができません。

まあ,一応は無信号時になるとoffにする機能はありますので,それを使えば,朝,誰かが液晶TVの電源を入れればいいだけの話なんですけど.....。

また,オンタイマーの機能はありますので,それを使おうと思いましたが,今度は肝心の時間情報がないのでこれすらできません。

と言う次第で,結局,どうしても地デジ放送をつながない限り,オンタイマーすら使えません。

どうせHDMIが着いているんだからパソコンから時間情報を取り込めばいいじゃん,と思うんですけどね....。あるいは初期設定画面で時刻を設定できればいいんですけど......。

とはいえ,そもそも無信号状態になったら自動的にoffにする機能くらい,簡単じゃないのか,と思います。 

一応,そのP社になんとか時刻設定ができないのか,webから問い合わせしました。

ところが....。

すぐに返事が返ってくるかと思ったら返事が来たのはなんと1週間も経ってからでした.....orz。おそらく,自社の製品に都合が悪いことだから,と放っておかれたのか,それとも上司の許可を待っていたのか,それにしてもお客様からの問い合わせに1週間もかかる,というのはいただけません。

もうおっ~~~~!!!!!!

とうとう頭にきたiruchanは本件,ネットにさらしておくことにしました。もとからこのP社のTVやレコーダは番組表に広告が出て見にくいったらありゃしないってんで頭にきてるんですけど,この対応もいただけません。もうP社の製品は買いません!!

という次第ですが,別件で同じ頃,親に掃除機を買ってあげようと,某H社に掃除機について同じくwebから問い合わせをしたことがありますが,返事は翌日かな,と思っていたらなんと,10分もかからずに届きました。実は,そのとき,P社のとどっちにしようか迷っていたんですけど,もちろん,買ったのはH社です。

さて,とうとう,ここまで来るとPICでリモコンを模擬してTVの近くに置いておき,一定の時間になると電源on/offの信号を出させるしかない,と思いました。ただ,さすがにPICは時間情報はもっていないので,○○○○にon/offする,というプログラムを作るには時計モジュールからI2Cバス経由で時間情報を取り込む必要がありますが,まあ,そこまでしなくても,という気がするので,単純に12時間ごとにon/offする,と言うプログラムにします。

一応,iruchanはPICが使えるようになったし,TVなどのリモコンは赤外線LEDを決められたコードに基づいて点滅させているだけなので,なんとかPICでできるはず,と思いました。すでに,ネットを見るといろんな方が試しておられますね。

今回はリモコンと言っても,電源スイッチの入切だけなので,電源ボタンを押したときの信号でLEDを点滅させればよいわけです。

一応,今回,いろいろと調べてみました。

TVなど,赤外線LEDを使ったリモコンは国内の電機メーカだと下記の3通りがあるようです。

☆家電協方式‥‥(財)家電製品協会に属する会社が使っているもの。P社,最近台湾系になったS社など。

☆NEC方式‥‥‥N社,H社,もうじきTV部門も売却のT社など

☆ソニー方式‥‥品川に本社があるS社

いずれもコード体系が異なるだけですからPICで作成可能だと思います。ここではP社が採用している家電協方式について説明します。

家電協リモコンのコードは次のようになっています。 

リモコン信号.jpg リモコンフォーマット

ややこしいのは,LEDが点滅してコードをTVに伝えますが,単純に1のときだけ点灯し,0のときは点灯しない,と言うようなパターンではありませんし,かつ,点灯しているときは連続点灯しているわけではなく,38kHzで点滅しています。

ビットが0の時にはずっと点灯しない,というパターンじゃないのは理由があり,CDの信号でもそうですけど,こうしちゃうとどこがビットの切れ目かわからなくなっちゃうからです。だから,0の時も1の時も必ずhighになる部分があり,そのあとのlowの時間の長さで0か1かを区別します。

CDの信号も同じで,ずっと0が続くとピックアップの信号がずっと0となるため,サーボ回路が働かなくなってしまうためです。 

家電協方式のリモコンの場合はかならず,0.4msのhighとなる部分があり,その後,lowの部分が0.4msだと0,1.2msだと1を表すようになっています。 

また,信号の始まりを表すリード部分があり,その後,4バイトのカスタムコードおよび2バイトのデータコードがあり,最後にストップビットがあります。NEC方式だと信号の訂正のため,反転ビットを続けたりしていますが,家電協方式はありません。

カスタムコードは早い話,メーカの識別番号で,各メーカにより異なります。

データコードは電源やch.ボタン,ボリウムボタンなど,各種のボタンごとのコードです。

実際に,リモコンの出力波形をオシロで調べてみました。 

リモコン信号.jpg こんな信号です。

   信号全体を示しています。先頭の太い部分はリーダーコードです。 

リモコン信号1.jpg 拡大するとこんなです。

   やはり38kHzでスイッチングしていることがわかります。 

と,ここまで来たらあとはそのカスタムコードと,電源ボタンのデータコードがわかればいい,と言うことになります。

といって,こういうことを一般消費者がメーカに尋ねると今の時代,何の目的に使うのかと根掘り葉掘り聞かれたりして,結構,面倒なことになりそうです。 でも,技術者は必要な情報ですし,メーカごとにマニュアルがあり,サービス会社や販売店などには開示されているはずです。

幸いにも,秋月電子のPICマイコン赤外線リモコン学習キットの取説にP社のコードがでていました。

ということで,P社のTVリモコンの電源ボタンのコードは次の通りです。

40, 04, 01, 00, BC, BD  (16進)

最初の4つがカスタムコードで,あとの2つが電源ボタン操作時のコードです。メーカが異なる場合,同じ家電協のリモコンならカスタムコードが違うだけです。 

これが2進法だと

0100 0000 0000 0100 0000 0001 0000 0000 1011 1100 1011 1101

となるわけで,これの0と1を上記のパターンで38kHzで変調してLEDを点滅させればOKです。 

PICのプログラムは例によってGreat Cow Basicで作りました。

使用したPICはいつもの12F1822です。なんでか,というと12F1822はハードウェアPWMの機能がついていて,便利なんです。今回,38kHzでLEDを点滅させることが必要ですが,ハードウェアPWMの機能がついているとそのPWMの制御コマンドが1行で済んじゃうので簡単です。Great Cow Basicだと,単にHPWMというコマンドを使うだけです。

HPWM ch. freq duty

です。ch. は12F1822のPWM出力チャンネル(1822は1チャンネルのみなので1しかありません),freq は周波数(今回は38kHzなので38),duty はデューティです。Great Cow Basicは8ビットで表すので,最大は255です。

ソースファイルは次のようなものです。

TV power off(UTF8).txt

回路は簡単なもので,前回のあんどんみたいに単にタクトスイッチとLEDをつけただけ,という感じです。配線も万能基板です。タクトスイッチを軽く1回押すと信号がでます。3秒以上,長押しするとタイマーが起動し,12時間ごとに信号を出すようにしました。

TVリモコン回路.jpg回路です。 

LEDは赤色のものと赤外線の2つ使っています。

なんでか,というと単に赤外LEDだけにしちゃうと肉眼では見えないので,テストがやりにくいんです。そこで,普通の赤色LEDを使ってモニターします。

もっとも,赤外LEDは目に見えないと言っても,CCDには見えちゃうので,デジカメで見れば薄紫色に見えますので,点灯しているかどうか確認できます。

というのは前から知っていて,それを利用していましたが,スマホの一部では赤外線に反応しないものもあるようで,スマホのカメラだとこのように見えないものがあるのでご注意ください。

なお,さすがにメーカさんも単純な赤外LEDだと見えないので何かと不便,ということで可視領域にも若干,感度を残しておいて,赤く薄く光る赤外LEDというのもあります。こういうのを使うと便利だと思います。

TVリモコン模擬基板.jpg 基板です

  デジカメでは赤外LEDはうすく青 or 紫色に写りますが,肉眼では見えません。

ただ,最初,赤外LEDも,テスト用の赤色LED同様,PICの出力ポートに単純に100Ωの抵抗を介して取り付けたところ,やはり光量が不足なのか,TVの反応はいまいちでした。かなり近づかないとTVが反応しませんし,少しでもLEDを首を振ると反応しません。

実際,LEDに流れる電流を測定してみたら2.5mAでした。最近のLEDは高輝度なので,これくらいの電流でもものすごく明るいんですが,iruchanが使った赤外LEDは中古品だし,古いものなのでどうも光量が足りなかったようです。

それで,その電流制限抵抗を100Ωから33Ωにしたらおかしな現象が.....。

今度は赤色LEDも点灯しなくなってしまいました......orz。

てっきり,抵抗を替えたときにはんだづけをミスったか,といろいろ回路を調べてみますがダメ。

改めて12F1822の規格表を見てみると,出力電流は25mAまで,と言う記載があります。

でも,そこから先は何も書いてないんですが,それ以上の電流を取ろうとするとどうもPICが動作しないようです。ちゃんと保護機能が働くんですね。

しかたないので,1個,Trを使って電流を増幅することとしました。2SC1815のベースをon,offしてそのコレクタ電流で赤外LEDを点灯させることにしました。

これで75mAも流しました。さすがにかなりの大電流ですが,φ5mmのLEDは100mAくらいまでは流せるので大丈夫です。φ3mmのものだと25mAくらいまでですので,ご注意ください。やはり,LEDの電流制限抵抗を10Ωにしたのは小さすぎるようです。100Ωくらいがよいかと思っています。

こうやって結構,うまくいくようになりました。 3mくらい離れていてもP社のTVは無事にon/offできました。これで,12時間ごとに液晶TVをon/offできて省エネになりますね!!


キャンドルICの使い方~PIC編~ [電子工作]

2017年4月8日の日記

6年前,キャンドルICを使ってあんどんを作りました。当時はタイマIC555を使って数分後に切れる,と言う風にしました。

そろそろうちの子(11歳♂)も1人で寝るようになり,親としてはひと安心ですけど,やはり夜寝られない,というので,またそのあんどんを持ち出してきて,夜寝るときに点けておくように,と言おうと思いました。

ところが,久しぶりに取り出してみると故障中。なぜかLEDが点灯しません。ありゃ。

面倒だな~,と思っていたんですが,PICでタイマを構成して作り直そう,と思いつきました。PICだと何より回路が簡単,と言うこともありますが,きわめて消費電力が小さいので,LEDを点灯するくらいなら半年くらいは電池を交換しなくても済みそうです。

ということで,PIC式に作り替えることにしました。

キャンドル回路(PIC).jpg 回路です。

単にタクトスイッチとLED,キャンドルICをつけただけの簡単なものです。555を使うと,やはり回路は面倒です。パスコンの10μFと0.1μFはなくてもOKです。

タクトスイッチを押すと,#6ピンをプルダウンします。PICは普通,弱いプルアップというんですが,基本的にプルアップされているので,最初,33kΩは入れなかったのですが,これはダメらしく,電池をつないだとたん,LEDが点灯してしまいました。テスターで電圧を測って原因がわかりました。#6ピンは0.6Vくらいで,これじゃプルアップされていません。最初からスタートする状態ですね。しかたないので33kΩを入れて明示的にプルアップしたら無事に動作しました。

使ったLEDは秋月で売っている,φ5mmの電球色のものです。台湾OptoSupply社のもので,OSM54K5111Aといいます。If=20mAで35cdという明るいものです。 

前回同様,常時点灯するLEDと,キャンドルICを使ってLEDがろうそくみたいにチラチラと点滅するものの2個を使いました。こちらの方が実感的だと思います。

PICは12F629を使います。定番のPICですね!

ソフトは簡単なもので,コメント行はありますが,実質8行です。これをhexファイルにコンパイルして12F629に書き込めば完了です。タクトスイッチで#6ピンをプルダウン(low)にすると,GPIOポートの4番(#3ピン)がonして3Vを出力します。これでLEDをドライブするだけです。

15分たったら自動的にそのポートをoffにするようにしました。 

candle software.jpg ソフト

いつもどおり,PIC用のフリーのGreat Cow BASICを使いました。 ソフトは▼です。これを全部コピーしてメモ帳に貼りつけ,それを.hexという拡張子で保存して書き込めばOKです。

candle.txt  

PIC版基板.jpg 基板です。

   簡単な回路なので万能基板で作りました。 

あんどん(PIC).jpg こんな感じです。 

さて,これを愚息にあげたら結構,喜びました。夜,寝る前にスイッチを押して,あんどんを点灯させ,それで寝ているようです。"寝られない" とか言っていましたけど,割にこれをあげたらよく眠れるようです。

とはいえ,昔から,意外に,寝る,と言うことに関しては手のかからない子でした。赤ん坊の頃,夜泣きをしたことはほとんどなく,朝まで寝ているし,風呂上がりにとりあえず,おむつをはかせて掛け布団の上に寝かせておき,3歳上の姉ちゃんにパジャマを着せ,さて,次は坊主,と思って振り向いたらもうすやすやと寝ている,というような赤ん坊でした。 

34-1.jpg 

      なんで子供らだけで寝てんだ~!!

でも,大好きな "アナと雪の女王" (まだはまってます)の冒頭のエルサとアナの幼い姉妹が,彼らだけで寝ているシーンはかわいいけど,ちょっと違和感ありますね~。まあ,ディズニーだから,アメリカの価値観で描いているんでしょうけどね。

アメリカじゃ,子供が2歳くらいになると泣こうがわめこうが,何しようがテディベアでも与えておいて,子供部屋に閉じ込めて強制的に寝させる,なんてことは普通ですね。子供が寝たら大人の時間,というわけです。まあ,彼らにしてみれば,子供の自立心を養うため,なんて言うんですが,それはやはり親の勝手じゃない,と思います。

アナ雪はノルウェー? あたりの北欧が舞台なので,欧州の王侯貴族がこのような子育てをしていたのか,というのもよくわからないのですけど,少なくとも,皇后が一緒に寝られなくても乳母か,信頼する侍従が一緒に寝ていたでしょう。この点でも,なにか違うような気がします。 

さる高名な教育学者の先生が,米国で青少年の犯罪が多いのは子供の頃,一人で寝かせるのが原因とラジオで話しておられましたけど,同感です。やはり子供は日本人みたいに川の字になって寝るのがよいと思います。

まあ,とは言っても,そろそろ思春期だし,うちの坊主も一人で寝ないといけないので,自立したのが少し寂しい,オヤジではありますけど.....。 

故障箇所.jpg あ"っ~~!!

もとの基板を調べていて,気がつきました。なんと,電池のホルダの端子部分が折れて外れています。これじゃ,点灯せんわけだな~。簡単な故障でした......orz。 

修理後.jpg 修理完了。中国製の006Pで動かしてます。

スナップ端子を交換して無事に修理完了。また何かで使うことにします。 


LED調光器のパワーアップ [電子工作]

2017年1月2日の日記

皆様,どうも明けましておめでとうございます。本年もどうぞよろしくお願いします。

さて,今日は正月休みなので少し工作をします。

実は,以前,LED照明を購入して自作の調光器でワークベンチで使っています。とてもサイズがコンパクトで,磁石でくっつくし,明るいし,何より電球色というのも気に入って愛用しています。

使っているのはAmazonで購入したイルミカ東京さんが発売している,TK-12-600WWという照明で,全長600mmのものです。本来はショーウィンドウなど,店舗内の照明に使われるものですが,非常にスリムでコンパクトなのでワークベンチで使っています。 

ただ,もちろん,パソコン作業や読書には十分すぎる明るさなんですが,すでに老眼が進んでいるiruchanがアンプを作ったりすると少し手元が暗く,もう少し明るくしたい,と思っていました。

これは連結して使えるようになっていて,どんどんつないで長~く使えるようになっているので,もう1つ接続したら明るくなるはずです。

ところが,困ったことに前回製作した調光器が意外に発熱して,このまま2つ連結すると結構厳しそう,という感じです。

これは,前回の回路にあるとおり,原因はスイッチング用の制御素子にバイポーラTrを使っているためです。

残念ながら,このような電力制御に今,バイポーラTrを使うことはほとんどないと思います。鉄道模型のコントローラもMOS-FETを使うのが普通でしょう。

理由は簡単。断然MOS-FETの方が性能がよいし,値段も安いからです。

MOS-FETの方がスイッチング速度は10~100倍くらい速いし,また,損失の点でもバイポーラTrの1/10~1/100くらいと非常に小さいので,バイポーラを使う理由なんてありません。おまけにMOS-FETは電圧制御なので,Trよりドライブ回路が簡単です。そのほか,温度補償の点や2次破壊がないなど,メリットは多いです。昔だと,MOS-FETが高かったのでバイポーラを使う理由になりましたけど,今じゃ,MOS-FETの方が安いくらいで,あえてMOS-FETを使わない理由なんてないと思います。

iruchanはそれこそ中学の頃からはんだごて握っていますけど,その頃はまだMOS-FETが出たばかりで,非常に高くてとても中学生の小遣いじゃ買えなかったし,その上,静電気で壊れやすいとか,発振しやすいとか,いろいろあって素人には使いにくく,その辺が今でも気になって敬遠しちゃいます。

アンプに使っても,どうしてもMOS-FETは眠い音がするし,今でもあまり好きじゃありません。それに,何よりiruchanは何でも古いものが好きなので......。 やっぱ,電車といえば475系,機関車はEF81だし,アンプはもちろん,真空管。それも452A3のようなのが好きなので。半導体だとTO-3型の2SA627D188とか,V-FETの2SJ18K60がお気に入りですね!!!!

と言う次第で,いつも半導体や鉄道模型のコントローラを作るときはバイポーラTrを愛用しています。

ただ,今回は発熱を減らすのが目的なので,もはやバイポーラTrの出番じゃありません。

バイポーラTrはエミッタ~コレクタ間飽和電圧VCEsatが0.2~1.5V程度あります。アンプの設計だと1Vで計算したりします。このVCEsat×コレクタ電流が損失になるわけですし,今回のように1Aくらい流れる回路だと1W以上,熱が発生します。厄介なことに,VCEsatはコレクタ電流が増えるほど大きくなるので,損失がどんどん増えちゃいます。

また,PWM式コントローラを使うと,方形波のパルスを出力して理想的には損失は0なのですが,スイッチング速度が遅い,と言うことは,その立ち上がり,立ち下がりに時間がかかるので,その間,損失が出ます。

この点,MOS-FETだとスイッチング速度がきわめて高速なのでスイッチング損失は小さいし,また,飽和状態だとオン抵抗×ドレイン電流2 が損失になりますけど,オン抵抗は普通,mΩ単位なので非常に小さいです。

ちょっとシミュレーションして確かめてみませう。負荷電流は0.5Aとなるようにしました。スイッチング周波数は約20kHz,デューティ50%でシミュレーションしてみます。

PWM調光器(バイポーラTr).jpg 

       バイポーラTrのシミュレーション回路

PWM調光器(2sk442).jpg 

      MOS-FETのシミュレーション回路

結果はこうなりました。

PWM調光器(バイポーラTr)損失.jpg バイポーラTr

PWM調光器(2SK442)損失.jpg MOS-FET

やはり損失はMOS-FETはバイポーラTrの約1/16です。ヒゲのように立ち上がりと立ち下がりで損失が出るのはどちらもスイッチング速度のせいです。Spiceは平均損失も簡単に表示してくれますが,バイポーラTrだと484mWになっていますけど,これはデューティがほぼ50%だからで,もし,100%だと平均損失で約1Wと言うことになっちゃいます。なんでこうか,というと,やはりVCEsatのせいで,素子がONのときにもバイポーラだとこうやって損失が発生しちゃいます。一方,MOS-FETだとこの間の損失がほぼ0です。2SK442だと少し,出てますけどね。もっと最新のMOS-FETだと無視できるくらい小さくなります。 やはり問題はPWMのON状態のときです。

と言う次第で,今回,出力の素子をMOS-FETに変更しました。

なお,素子は手元にたくさんある,東芝の2SK442を考えたのですが,やはり最新の同じ東芝製TK34E10N1を使いました。なんか,もう2SK○○○というJIS型番じゃないのに驚いちゃいますけどね。 とうとうディスクリート半導体なんて儲からなくなって,EIAJに登録するのも面倒くさくなっちゃったんでしょうか。おまけに,最近のTO-220パッケージはフルモールドといってコレクタやドレインが金属で露出してないものが多いんですけど,これは昔ながらのやつ。これだと絶縁のマイカやデンカシートが必要ですが,これがあると取付がめんどくさいため,自動車屋さんからクレームがついて最近はフルモールドばかりになったんじゃなかったでしょうか......。

VDS(V) ID(A)  PD(W) VDSon(V) オン抵抗(mΩ) 

2SK442  70 10  30 1.4    記載なし

TK34E10N1  100 75 103 0.2    7.9

TK34E10N1 & 2SK442.jpg TK34E10N1(左)と2SK442(右)

2SK442は1980年代の製造だと思いますけど,それに比べると,なんか,あまりに技術が進歩しているのに驚いちゃいますね。同じTO-220なのに,TK34E10N1はドレイン損失が100Wを超えています。昔だったらTO-3型のパッケージになるんですけどね。

おまけにドレイン~ソース間飽和電圧が非常に小さく,わずか0.2Vです。ここに2SK442を使うとバイポーラ並みかそれ以上の損失を発生しちゃいます。

と言う次第で,やはり最新のTK34E10N1を使います。値段もせいぜい100円程度で,非常に安いです。 

PWM式LED調光器回路3.jpg 今回の回路

出力のTK34E10N1のソースに入っている0.47Ωは保護抵抗です。これを入れない人が多いですが,これを入れておくと過電流の時にTK34E10N1がカットオフするようになっていますので,入れておく方がよいと思います。 

12Vの出力なので逆転SWをつければもちろん,鉄道模型のPWM式コントローラとしても使えます.......(^^;)。

さて,実際に組み上がったら点灯してみます。

ダブル照明.jpg 

やっぱ,非常に明るい~~!!

それと,驚いたのは発熱。ほとんど発熱しません。一応,TO-220用の小型放熱器をつけてあるんですけど,ダブルで照明を点灯させてもほとんど熱くなりません。よく使われるTO-220型用の放熱器の熱抵抗は大体,20℃/Wなので,使えるのは2Wくらいまででしょう。前回の回路だと,照明1本でも結構熱くなりました。 これだと安心です。

と言う次第で,ワークベンチも明るくなったので,また真空管アンプでも組み立てることにしませう。 

調光器.jpg 調光器

調光器もネオジム磁石で棚にくっつくようにしてあります。 


Spiceによる真空管のシミュレーション [電子工作]

2016年11月8日の日記

最近はiruchanはなんとかLTspiceの使い方を覚えて,アンプやラジオのほか,電子回路の設計に活用させていただいています。 実際に基板を作って回路を作らなくてもシミュレーションができるし,何か不具合があってもSpiceで検証できるのでとても助かっています。

そこで,以前から思っていたことを実行しよう,と思いました。

実は,Spiceは半導体だけじゃなく,真空管もシミュレーションできるのです。

もちろん,リニアテクノロジー社が提供しているフリーのLTspiceや,本格的なSynopsis社のHSpiceなど,有料のものでも真空管はモデルとして含まれていません。まあ,今どき,プロで真空管をSpiceで設計し,製品を販売する会社も人もいませんしね。

でも,Spice自体は1973年に米カリフォルニア大バークレー校で開発されたもので,世界中のエンジニアやマニアたちが開発に携わっていますし,中には凝った人もいて,すでに1990年代に私が読んでいた米誌 "Glass Audio" にも真空管のシミュレーション記事が載っていたので,いつかやってみたいと思っていました。でも当時はLTspiceのようなフリーのものはなく,まだとてもシミュレーションできる状態ではありませんでした。

ただ,今でもSpiceで真空管をシミュレーションするのはなにやら難しそうで,LTspiceを使い始めたのに,まだ取り組んでいませんでした。

一応,LTspiceにはtriodeというモデルがあり,呼び出すことができます。

triode.jpg おっ!?

  一応,3極管のモデルはあるのですけど......。 

ただ,これはtriode.asyというファイルなんですが,単なるシンボルだけで,シミュレーションをするための内部のサブサーキットは含まれていません。ですから,このモデルを回路図に貼りつけて配線しても,シミュレーション実行をするとエラーが出てシミュレーションできません。

unknown subcircuit error.jpg 何じゃ,これ!?

これは,回路計算をするためのサブサーキットが入っていないと言う意味で,単なる図形のデータしか入っていないから計算できません,と言う意味です。

と言う次第で,問題はやはり,真空管のモデリングです。以下は,真空管式ギターアンプ製作センターに載っている方法を使わせていただきました。とてもわかりやすく解説してあり,本当にどうもありがとうございます。あわせてご参照ください。

真空管のSpiceモデル化はしかし,大変です。要は特性曲線を数式化してすべて記述しておけばいいのですが,そもそも特性曲線はメーカが数式化しているわけじゃなく,単に図表として発表しているだけなのでこれを読み取って数式化する必要があります。

ちょっとこれは大変。とても自力でやろうとは思いません。

でも,世の中,とても奇特な方がいて,全世界の真空管をモデル化し,ネット上で発表している方がいます。Ayumiさんという方のAyumi's labというページで,そこで真空管のモデルをダウンロードできます。

これはもう,驚いちゃいます。2A3にはじまって3C33(まあ,特性的には2A3×2と言うような球ですけど),6BQ5などの出力管から5AR4などの整流管も含まれています。 出力管も3C33がそうですけど,ポジティブグリッドの6AC5や欧州管のPX4などの珍しい出力管も含まれています。おまけに6G-A46R-A8などの純国産真空管も含まれているのはとても驚きます。

と言う次第で,ありがたくこのAyumiさんのお仕事を使わせていただきます。残念ながらコメント欄なんかでリンクの連絡ができませんでしたので,勝手にリンクを貼らせていただいています。

では,このモデルファイルを使ってLTspiceで真空管のシミュレーションをしていきましょう。もちろん,LTspiceをインストールしないといけませんが,ここでダウンロードできます。

まずはAyumiさんのファイルを少し,改造します。

おそらくはAyumiさんはプロの電子回路設計者なのでSpiceもLTspiceのようなフリーのものじゃなく,HSpiceなどの有料版をお使いなのだと思いますが,そのため,少し文法がLTspiceと異なるのです。

と言っても大したことじゃなく,累乗の演算子 ^ ** となっているくらいのものです。

まずは12AU7をモデルとしてインポートします。

AyumiさんのWEBからモデルファイルをダウンロードして,12AU7.incファイルを開きます。

単なるテキストファイルなんでメモ帳でいいのですが,一応,Windowsに標準でついているワードパッドで開く方が便利です。なんでかというと,ワードパッドだと文字列の置換ができるからです.....っと思ったのですが,メモ帳で置換機能がなかったのはWindows98まででした。古っ~~!! 

と言う次第で,別にワードパッドじゃなくてもメモ帳でOKです。 

上記の通り,演算子の ^ ** に置換しておきます。

12AU7.inc書き換え.jpg ^ を ** に書き換えます。

それにしても^1.5と言うのがよく出てきますが,これはラングミュアの法則ですね!!

3極管のプレート電流は電圧の3/2乗に比例します。iP=G・VP^(3/2)です。ここで比例定数Gはパービアンスと呼ばれますが,昔習ったよな~と思い出しました。もちろん,私が電子工学を勉強していた頃にはとうに真空管は姿を消していましたけど,大学の実験では真空管をやりました。 

そうやって変換した12AU7.incをLTspice所定のモデルファイルの場所にコピーしておきます。LTspiceをデフォルトのまま,インストールするホルダを変更していなければ,C:\Program Files\LTC\LTspice**\lib\sub です。**の部分はLTspiceのバージョンです。 

inc.ファイルコピー場所.jpg 真空管モデルのコピー先です。

ただ,このファイルは内部の特性を記述しただけのものなので,今度は図形としてのシンボルファイルを作っておきます。

次は先ほどの,troiode.asyと言うシンボルファイルをコピーして12AU7.asyという風に名前を変えておきます。 場所はC:\Program Files\LTC\LTspice**\lib\sym\Misc です。 

triode_asy.jpg 

ただ,これだけじゃもちろんダメで,サブサーキットとして先ほど作った.incファイルを読込むよう,指示しないといけないのでファイルの中身を書き換えます。

単にダブルクリックしちゃうと違う画面になって編集できないので,"プログラムから開く" → "メモ帳" で開きます(今回はワードパッドじゃなくても大丈夫です)。  

triode.asy普通にダブルクリック.jpg ダブルクリックするとこうなっちゃいます。

これは図形データの編集画面で,今回,いじるのはこれじゃありません。メモ帳で開くと, 

12AU7.asy.jpg 書き換え箇所です。

こうなります。ここで, SYMATTR Value triode とあるところを書き換えて 12AU7 とし,さらに,次の1行を追加しておきます。

  SYMATTR ModelFile 12AU7.inc   ※ "ModelFile" はこの通りででないとエラーになります。

さて,これでようやくシミュレーションができるようになります。

まずは普通に半導体を使ったLTspiceのシミュレーション同様,回路図を描いてきます。

12AU7 test circuit.jpgこんな回路をシミュレーションします。

12AU7 f特.jpg f特です。

まずはごく普通にAC解析を行います。▲のようなf特が得られます。

これだけでまずは感動しちゃいます。スゲェ~~!!

でもよく見ると変。フラットになっている部分は20dBくらいなので,12AU7のごく標準的なゲインだと思いますけど,f特は-3dBで16Hz~5.4MHzとなっています。ほんなアホ な!!!

最初,ミラー効果がシミュレーションされていないのだ,と思っちゃいましたが,12AU7.incファイルを見るとちゃんとCg-pが記述されていますので,そうではないようです。

実は,実際の回路に含まれる浮遊容量を考慮していないためです。実際にはCg-pのほか,真空管の入力部にはソケットや配線の容量があり,20~50pFくらいはありますので,もっと入力の容量が大きく,高周波の特性は悪くなります。この辺はこの記事をご参照ください。

それに,入力の信号源も出力インピーダンス0Ωの理想音源で,これでは入力容量によるハイパスフィルタ効果がありません。 

だから,この結果はあくまでも理想状態の結果です。それにしても,もし,そうだったら真空管ってこんな広帯域なのか,と思いました。実際には12AU7のシングル増幅器だと上限はせいぜい50~70kHzくらいのものです。

実際には,各配線に数十pFの浮遊容量がありますから,▼こんなものでしょう。

12AU7 f特1.jpg 

さて,お次は最大出力電圧とひずみ。いったい,クリップする電圧は何Vなのか,ということと,ひずみ率がどうなるか,と言うことに興味が出てきます。

SpiceはFFTの機能がありますが,意外にひずみ率を出すのは面倒なことになります。 

iruchanもFFTがあるのは知っていましたし,単純に各高調波を全部合計するとOKなんですけれど,各高調波は単位がdBなので和の計算をするのはチョ~面倒で,暗澹としていましたが,flipflopさんのHPで一発で表示させる方法を知りました。ありがとうございました。 

ひずみの算出はAC解析ではなく,過渡応答解析(transient analysis)となります。1kHzで解析しますが,この場合,1秒とか,長い時間を計算する必要はなく,せいぜい10msec.くらいで結構です。フーリエ変換を用いて計算するので,10波程度,計測時間に入るようにstop timeを設定します。

また,フーリエ変換をさせるためのコマンドをシミュレーションに記述しておきます。

Edit simulation command.jpg シミュレーション条件

.Four 1k v(n***) がフーリエ変換のコマンドです。これを書いておかないと,▼のログファイルに出力されません。 n*** はデータを出力するノード番号です。テキストボックスの中に手で入力します。改行はctrl+ENTER です。 

入力にある,電圧源V1の出力電圧を1mVくらいから変化させて出力の波形を見ていきます。

12AU7 1kHz, 1Vp.jpg 入力1Vの時です。

きちんと入力と出力の位相が反転していることがわかります.....。当たり前ですけどね.....。 

12AU7 1kHz, 10Vp.jpg 10Vになるとひずみます。

さすがに,入力電圧が10Vともなると出力波形はクリップ近くなり,上下非対称の波形となります。奇数次の高調波がすごく増えてきているんですね。 

出力波形のひずみ率については,ログファイルに記載されています。ctrl+L で表示されます。 

Fourier result.jpg

各高調波ごとのパーセンテージが表示され,最後に全高調波ひずみ率が表示されます。 

ついでに,FFTの波形を見ることもできます。viewコマンド中にFFTというのがあります。 特にひずみ率を調べたいだけなら表示する必要はありません。

view→FFT.jpg FFTコマンドです。

12AU7 1kHz, 1Vp FFT.jpg 入力1Vの時の出力FFT結果

12AU7 1kHz, 10Vp FFT.jpg 入力10Vの時の出力FFT結果

さて,こうやって求めた出力電圧とひずみ率をExcelでグラフにするとこうなりました。

12AU7入出力特性1.jpg12AU7のシングルアンプ特性

う~~ん,と思わずうなっちゃいました。こんなことができちゃうんですね~~。 これ,実験データじゃないんですからね!!!!

シミュレーションなんだから,ジグザグと誤差を含んだあやしげなグラフになってもよさそうですけど,まるで実測したみたいなきれいなグラフとなりました。

■ はNECのC-R結合増幅データにあるデータです。出力電圧はほぼデータどおりですが,ひずみは3倍くらい違います。まあ,これは実測の方が正しいと思います。当時のひずみ率計が真空管式で性能が悪くて雑音が多い,と言うことも考えられますけどね。 

結果として,最大95Vでクリップします。そのとき,ひずみ率は8%を超えちゃいますが,パワーアンプだと入力は最大で1Vですから,そのときのひずみ率は0.1%くらいです。やはり12AU7は優秀なんですね。

実はiruchanは真空管マニアだけれど,真空管アンプが音がよいなんて話はウソっぱちで,人間の耳は1%以下のひずみは検知できないし,半導体のアンプの方が音はよいと思っています。2%くらいになると明らかにわかりますけどね。

だから,真空管アンプが音がよいって言うのはいつも音楽を聴くレベルで人間の耳にひずみが感じられるかどうかのギリギリのあたりにひずみ率が来て,真空管によってひずみが検知できたり,できなかったりする微妙なあたりのひずみ率になるからだ,と思っています。また,ひずみ率によっては1%とか,2%とか,音がよいと思われるくらいの微妙なひずみ率があって,その辺で音のいい球,と言うのが決まるんじゃないかと思います。 

さて,これで無事にLTspiceで真空管のシミュレーションができるようになりました。今後,真空管アンプの設計にも使ってみたいと思います。 

 

2016年11月12日追記 ~整流管のシミュレーション~

AyumiさんのSpiceモデル集を見ていて,気がつきました。5Y35AR4などの整流管も載っています。 さっそく,実験してみます。

ただ,LTspiceは3極管triodeや5極管pentodeのモデル(と言っても単なるシンボルだけですけどね)がありますが,2極管diodeは出ていません。

と言う次第で,モデルのサブサーキット部分はAyumiさんのモデルが使えますが,LTspice上で使うにはシンボルデータの書き換えが必要となります。

まずは5Y3GTのモデルを作っていきませう。 

Ayumiさんの真空管モデル集から5Y3.incというファイルをメモ帳で開き,

5Y3.inc.jpg 5Y3.incの書き換え

例によって演算子の書き換えをします。** の部分です。2極管は特性曲線が1本だけなのでファイルは簡単です。 

次にシンボルデータの書き換えです。今度はシンボルデータtriode.asyをメモ帳で開き, 

triode→5Y3asy.jpg triode.asyのテキスト書き換え

12AU7.asyの時と同様,▲のように書き換えます。SYMATTR ModelFile 5Y3.inc を追加するのも同じです。

また,整流管は2極管なので,当然,グリッドは不要なので最後の部分でgridについての記述は削除し,PINATTR SpiceOrder3 とあるのを SpiceOder2 に書き換えます。最後に 5Y3.asy という名前で保存します。

つぎに,シンボルデータを書き換えます。 次は同じ5Y3.asyをダブルクリックして開くと,

triode.asy書き換え.jpg シンボルデータの書き換え

はさみのアイコンでグリッドを削除しておきます。

こうやるといよいよシミュレーションができるようになります。

6G-A4電源部(5Y3GT).jpg 

 この前作った6G-A4シングルアンプ電源部のシミュレーション結果。

なんと,本当にちょっと恐ろしいくらい,簡単にシミュレーションができちゃいます。なんて素晴らしいんでしょ!!

AC○○Vを両波整流し,コンデンサ○○μFに突っ込んだら出力のDC電圧は○○Vで,リップル率は○○%になるか,というのはとても難しい問題なのです。 といって,これ,いろんなところで必要だし,きわめて重要な問題なのですけどね。

コンデンサインプット整流の場合の直流出力電圧とリップル電圧については図表があり,負荷電圧/負荷電流で求めた負荷抵抗と入力電圧のほか,コンデンサの容量,トランスの直列抵抗の関数で求めることができます。でも面倒だし,実際やってみると違う,なんてことも多く,多くの場合,実際に組み上がってから調整,なんてなことになると思いますが,こうやると簡単にシミュレーションできちゃいます。 

まずはコンデンサインプットの出力電圧が出力が291Vでリップルが8.8VP-P,なんてことがすぐにわかっちゃいます。これ,ホントにめんどくさい話なんですけどね~~。 

さらに,Spiceだとリップルフィルタの出力が271Vで,リップル電圧が13.2mVP-Pなんてことがすぐにわかっちゃいます。それにしてもリップルフィルタの効果にも驚きます。リップル低減率実に-56.5dBですね!

また,5AR4を使ってみると出力が320Vくらいになって,大幅upなんてこともわかりました。実験でやると結構大変ですが,実際の通りの結果になって驚いちゃいます。実測データはこの記事をご覧ください。

なお,本モデルは整流管の立ち上がり時間までは考慮していません。シリコンDiみたいにインスタントONですのでご注意ください。▲のグラフで電圧の立ち上がりが遅いのはリップルフィルタのせいです。 

と言う次第で,整流管までシミュレーションできちゃうなんて本当に素晴らしいです。


はんだの買いだめ [電子工作]

2016年10月29日の日記

今年の夏,とうとうはんだを1巻,使い切っちゃいました。

使っていたはんだは米Kester社の#44というはんだ。1巻1ポンド(約450g)の重量があります。

Kester #44 solder.jpg パッケージが変わっちゃいました。

なぜかよくわかりませんが,電線やはんだを巻で買う場合,長さではなく,重量で売られています。だから何mなのか,わかんなくて結構困っちゃうんですが,昔からの商習慣なんでしょうね。

使い切ったからと言って,大体,iruchanは10年で1巻くらいのペースなので,また実家に帰って1巻,持って帰ってきました。10年ほど前,3巻まとめ買いしてあるのです。

ご存じの通り,Kesterの#44というのは米国製の真空管アンプなどでよく使われていて,日本でもよく知られたはんだです。開発されてから40年以上経っているようですが,ずっと製造が続けられています。確かに,iruchanも社会人になってから米国のAntique Electronic Supplyで買ってからいつもこれを使っています。溶けやすいし,はんだの "濡れ" がよく,とても使いやすいはんだだと思います。 

ちなみに#44というのは内部に含まれているフラックスの番号で,Kesterのカタログを見ると,An outstanding performance feature of this flux is the “instant-action” wetting behavior. と謳っていますから,特に, "濡れ" がよいようです。

はんだというのはやはり速やかに溶けて必要な範囲に広がり,固まったら長期間にわたって安定して固まって亀裂などを生じない,と言うのが優秀なはんだだと思います。特に,この#44というのはその後の文章で,機器の製造工程で高信頼である旨,記載されていますから,信頼性も高いようです。おそらく,真空管マニアの間で人気が高いのはウェスタン・エレクトリックが採用していたからなのではないか,と思います。

ただ,ご存じの通り,昔のはんだは当然,鉛入りです。スズ60,鉛40%と言うのがはんだの定番です。もちろん,このKesterのもこの比率ですが,カタログを見ると63:37とか,50:50とかいうのもあります。

昨今は鉛による公害を恐れて無鉛はんだ(鉛フリーはんだ)が販売されるようになりました。例の欧州連合によるRoHS指令が原因だと思います。はんだが野外などに不法投棄され,土壌汚染をすることを恐れたためのようです。

ただ,アマチュアが使うんだったら有鉛はんだの方がよい,と思います。

無鉛はんだは鉛の代わりに銀や銅,ビスマス,インジウムなどを用いたものですが, 何より無鉛はんだの問題点は融点。

有鉛はんだは183℃ですが,無鉛はんだは大体,200~220℃といったところで,かなり高いのです。 

だから,無鉛はんだを使う場合は専用のハンダゴテが必要です。有鉛はんだ用の昔のこては使えないわけじゃありませんが,長時間にわたってこてを押しつけないと溶けないし,溶けたと思ってもすぐに固まってしまうので,能率がよくない上,はんだづけ不良になりやすく,使えません。

無鉛はんだ用のこては温度調節用のダイヤルがついているものが1万円くらいまでで売られていて,買おうかと思っていますが,どれも大型のものばかりでプリント基板用には使いにくいし,といって,iruchanの経験ではこれらのハンダゴテではまだ不十分で,無鉛はんだにはこて先に熱電対が入っていて,コントローラで制御するタイプでないとダメ,という気がします。

でも,このようなはんだステーションというのは確かに,こて先の温度をデジタルで表示して制御する優れものですが,何より高くて最低でも3万円はしますし,ステーションが邪魔でこんなの持ち歩けない,と思います。いちいちステーションまで持ち歩くわけにはいきませんしね。

それに,鉛を使わないはんだというのは昔からあって,オーディオ用と称して銀入りのはんだが売られていました。一度,iruchanも使ったことがあるのですが,仕上がりが悪く,どうにもつやのない汚い仕上がりで嫌になって1回でやめた記憶があります。そもそもオーディオ用なんて称するものにはロクなものがない,と思っているんですけどいかがでしょうか。 

と言う次第でiruchanはもう,一生,趣味は有鉛はんだで行こうと考えています。これだとどんなこてでも使えますし,どこへ行ったってはんだごて1本で食っていけますからね......(^^;)。

それで,また新たにKesterの#44はんだを買いだめしました。

でも,先のAESなど,正規のお店じゃ高いんですよね。AESでは$31.95です。日本で買うと,5,000円くらいするようです。 米国からの送料を考えるとまあこんなものか,という気がします。何せ1ポンドもの重量がありますしね。

と言うことでiruchanはeBayで4巻まとめて$60で買いました。送料込みで$95でした。1巻あたり2,600円というところですね。

pack-1.jpg こんな箱でやって来ました。

Kester #44 solder-1.jpg

なぜか,今回買ったものは白いパッケージに変わっちゃってます。前回買ったもの(左)は今でも入手可能ですが,製造はD.O.M 02/09/06と書いてありますから,ちょっとややこしいんですけど,米国は月/日/年の順で書くはずなので,2006年2月9日の製造のようです。 もちろん,D.O.M.はDate of Manufactureの略です。

ちなみに英国だと日/月/年の順で書く習慣ですので,このような表記は紛らわしいです。

そういや,JRの切符なんかは28.10.29とか書いてありますけど,これじゃ外国の人は何の日付だかわかりませんね。いい加減,こんな表記はやめて,せめて2016.10.29と書くべきだと思います。 

Kester社も改めたのか,今年買ったものはMay/06/16と書いてありますから,今年,5月6日の製造です。  

Kester #44 solder-2.jpg 太さの比較。0.050インチ(奥)と0.031インチ(手前)

なお,線径は何種類もありますので,ご注意ください。大体,真空管アンプだと0.050インチ(1.27mm),プリント基板用ならもう2つ下の0.031インチ(0.8mm)のものがよいと思います。途中に0.040インチ(1mm) と言うのもあるようですが,見たことがありません。メートル法の欧州向けの製品じゃないでしょうか。どちらか1種類,と言うなら0.031インチを勧めます。

leaded solder.jpg 有鉛はんだなのでPbの記号があります。

もちろん,鉛は英語でleadですけど,リードじゃなく,レッドと発音しますので,娘(中2)に教えておきました......(^^;)。

Kester社は有鉛はんだの製造中止をアナウンスしていませんし,今回,iruchanが買ったものも今年の製造だったのでまだ製造されているようです。世界的にも有鉛はんだの製造取りやめを宣言したメーカはないし,おそらく今後も有鉛はんだは製造は続けられるものと思いますが,念のため,買いだめしておきました。 

これで0.050インチがあと2巻,0.031インチが4巻ありますので,一生分,買ったことになるでしょう。あまったらどうするんだって? 棺桶に入れてくれ~~。あ,これやると欧州連合から叱られるな~。 でも,たぶん,私が死ぬまでに欧州連合は崩壊しているだらうな.......。


アイロン転写式プリント基板製作法 [電子工作]

2015年10月17日の日記

私は工作マニアなので,中学の頃からプリント基板を作ってきました。

最初はハンダが載る,ランドの部分だけインレタになったものを使い,途中の線はマジックで書いていました。

ただ,これじゃあまりきれいなものは作れませんし,複雑なものも無理ですけど,この方法で半導体のA級パワーアンプやプリアンプを作ったりしました。

でも,やはり複雑なものだと感光基板じゃないとダメです。

ところが,もう皆さん体験済だと思いますけど,感光基板ほど難しいものはありません。"初歩のラジオ" とか,初心者向けの工作マニュアルにも作り方は載っていますが,まずうまくいった試しがありません。

うまくいかない理由はまずは露光不足にあり,十分な紫外線をムラなく当てられないためです。よく,こういった本に太陽光で30分なんて書いてありますが,夏と冬では日射が違いますし,雲の量などでも全然違います。

と言う次第で,専用の紫外線露光装置でもない限り,きれいに作ることはできません。

私の場合は紫外線ランプ(FL-15BLなど)を使って自作したものを使うようになって初めてようやくきれいにできるようになった,と言う次第で,ここ10年ほどはずっと感光基板を使っていました。感光基板の作り方については当ブログの記事を参考になさってください。

10Wや15Wなどの直管式蛍光灯を使った古い蛍光灯スタンドがあれば,ランプだけ差し替えて露光装置にすることができますのでご活用ください。

ところが,これでも次の現像で失敗したり,まだかなりの確率で失敗してしまいます。

失敗したら焼け残り? をアルコールで落とせばまた生基板として使えますが,もう感光基板としては使えません。それに,今さらまたインレタとマジックでパターンを描いてプリント基板を作る気もしませんしね......。

感光基板は高く,100×100mmのもので600円ほどしますし,現像液もいりますから失敗したらかなりの損害です。生の基板だと同じ大きさで100円ほどですから,感光基板は高いです。おまけに賞味期限? まであって,せいぜい1年ほどですから,一体どうしろっちゅうんじゃ,と怒ってしまいます。

PDVD_102-1.jpg このあと投げるぞ....。
 
   私も失敗した基板を何回かブン投げた記憶があります.....(^^;)。

それに,感光基板の欠点として,一部分だけ感光させて残った部分をまたあとで工作に使う,と言うことはできません。だから小さな基板の時は余白がもったいないので次の工作ネタが出てくるまで待ったり,予備のつもりで同じ基板を2枚作って余白を埋めたりしないといけません。

失敗した場合は,生の基板に戻したものの上に感光剤を塗布して再利用できればよいはずですし,実際,米国製のスプレー式感光剤が秋葉原で売られていたらしいのですが,もう入手できません。これがまだ売られていれば便利なんですけどね~。

さらに,数年前,サンハヤトは感光剤の材質を変更し,従来の現像液は使えなくなりました。スプレー式のを何本か買いだめしていたのですが,無駄になってしまいました。

       もぅおっ~~~っっ!!!!!

と言う次第で,とうとう古い感光基板の在庫がなくなったのを機会に,感光基板とはおさらばしようと思いました。

実は,最近,アイロンを使ってプリント基板を作る方法がある,と言うことを知りました。

レーザープリンタやコピー機を使って転写用の用紙にプリントパターンを印刷し,アイロンでトナーを生のプリント基板上に転写する,と言う方法です。これなら普通の生の基板を使うので安いし,失敗してもやり直しがききます。そこで,今年の春からちょっと研究をしていました。

ただ,なかなかうまくいきません。何度もテストして,ようやくうまくできるようになったのでご報告します。

まず,転写用紙ですが,次の2種類を試しておられる方が多いようです。

    OHPシートを使う方法

    普通紙を使う方法

OHPシートと言ってもそのままじゃトナーが密着してしまって転写できないので,表面にPVAを塗る方法が試されているようです。

PVAとはポリビニルアルコールのことで,ポバールとも言います。以前,仕事で使ったことがあります。合成糊の原料で,洗濯糊や事務用に使われる固形糊にも使われています。固まると親水性の皮膜を作るため,エアコンの熱交換器のフィン表面なんかに塗られていたりします。

水溶性なので洗濯糊を霧吹きに入れてOHPシートに吹き付けて乾燥させる,と言う方法をしている方が多いようです。

ただ,困ったことに最近のレーザープリンタはOHPシート印刷に対応していないものが増えています。肝心の印刷ができないんですね~。感光基板を作る上でも,OHPシートが必要なんですが,これの印刷ができなくなりつつあります。もうOHPなんて時代じゃないのでしかたないのかもしれません。

と言う次第で,普通の紙を使う方法を試してみました。

ところが,これはまあまあうまくいくのですが,完全ではありません。そもそもなかなかトナーがうまく転写できません。前回のマーカーPWM式調光器はこの方法で基板を作りました。

途切れ途切れになってしまったり,ベタ部分なんか,まだらに転写されてしまい,基板の地肌が見えてしまったりします。

おまけに紙をはがしたあとに,紙の繊維が基板表面に残ってしまい,歯ブラシやたわしで落とすのですが,どうしてもパターンも一緒に落ちてしまったりします。

また,紙の繊維なので水がついてしまうと見にくく,きれいに落ちたと思ってエッチングするとパターンの周囲が繊維でギザギザとぼやけてしまいますし,よく見ると隣のパターンときわめて細い線でショートしてしまっている,と言うことがよくありました。
 
普通紙エッチング後.jpg これじゃダメだよな~。
 
普通紙じゃなく,写真印刷用の紙を使っておられる方もいらっしゃいますが,私がテストしたらダメでした。アイロンの温度だけでなく, どうもプリンタのトナーの材質やドラムの温度などで変わるようです。

ということで,やはり専用のプリント基板用の転写紙でないとダメかと探してみますと,なんとAmazonで売っているではないですか。

米国Techniks社製のPress-n-Peelと言う製品です。OHPのような透明樹脂の表面に青い塗料のようなものが塗られています。

Press-n-PeelとはPress and Peelの略で,"押しつけてはがす" という意味ですね~。

確かに,これはきれいにパターンの転写ができるようですし,美しいプリント基板ができるようです。

ただ,A4サイズ20枚で33ドルもしますし,Amazonでは6,400円もします。

う~ん,ちょっと高いな~。私は個人輸入も趣味なので,直接米国から買い付けようかと思いましたが,それでも送料を考えると1枚あたり300円くらいか,という感じです。

カナダで20枚で3,200円くらいで安く売っている店を見つけましたが,送料について尋ねたら船便で6米ドル,郵便で14米ドルと返事が来ました。カナダなのに何で米ドル? と思ったらよく見ると返事はTechniks社の担当者から来ていました。要は結局,直販のみなんですね。

と言う次第で,こちらもあきらめてしまいました。まあ,1枚あたり300円と考えても感光基板は1回切りですが,この用紙は余った余白でまた印刷できますので,感光基板よりは安いのは確かなんですけどね......。

それで,今度はeBayで検索してみますと,なんと中国製の単なる剥離紙が売られているではないですか! ちゃんとプリント基板用と書いてありますし,写真を見ると表面がつるつるしたシールの台紙みたいな剥離紙です。

おそらく,専用のプリント基板用というわけじゃなく,シールの台紙を流用しているだけ,と思いましたが,値段が10枚で1ドル70セントでした。おまけに送料無料で,結局,210円でした。

ダメでもともとということで落札してしまいました。Buy it Now! なので即落札です。PayPalで1ドル70セントを支払って終わりです。

落札したら売り手から早速メールが来て,日本までだと40日くらいかかるけどいいか(もちろん,原文は英語)とのこと。売り手は香港人のようです。

まあ,LepaiのLP-2024A+を今年の5月に購入していますが,日本まで10日ほどでしたし,こんなにかかるわけがありません。 "いいからこのまま送って" と返事を出しておきました。

なんのことはない,やっぱりちゃんと10日ほどで届きました。
 
envelope.jpg 香港から届きました。
 
toner heat tranfer paper.jpg どう見てもシールの台紙ですけど....。

見てみると表面がツルツルのA4の黄色い紙です。表面に何か塗られていて,ツルツルになっています。おそらくはシールの台紙ですね~。

これなら何とかうまくいきそうな予感がします。実際,シールの台紙などで実験されている方もいるようです。ただ,シールの台紙だとそれだけ入手することはできませんし,うちの子ももうシールで喜ぶような歳じゃないので,シールを買いに行くのも気が引けますしね......(^^;)。

なお,剥離紙で検索してみますといろいろ出てきますが,シリコンを含有しているものが多いらしく,シリコン入りのものはうまく転写できないという話を聞きます。

さて,早速,パターンを印刷してみます。

ところが,やはり表面がツルツルなためか,プリンタを選びます。最初は乾式複写機の発明者の名前の会社が作ったプリンタを使ったら中で詰まってしまい,紙を引っ張り出したらこんな具合でした。パターンが途切れ途切れになっちゃっています。
 
xerox printer.jpg 複写機の発明者の会社のプリンタです。 

まあ,これでも無事に転写できれば,途切れたところだけマジックで補修すればいいですけど,もう1台,別のレーザープリンタがあるので試してみようと思います。

皮肉なことにインクジェットプリンタで頭にきているのでとても嫌いなカメラ屋のレーザープリンタは大丈夫でした。もちろん,私が使っているカメラはこの会社のじゃありません.........(^^;)。

中で詰まりもせず紙は排出され,パターンも途切れもせず,きれいに印刷されています。
 
canon printer.jpg カメラ屋のプリンタの印刷結果です。 
 
なお,この紙はeBayで,"heat transfer paper PCB" と検索すると出てきます。英語でPCBとは悪名高いポリ塩化ビフェニール(PolyChlorinated Biphenyl)のことですが,Printed Circuit Boardの意味もあり,プリント基板のことです。
 
ついでに,万能基板って英語でなんて言うのか,と思って米国人の友人に聞いたら perf board という答えが返ってきました。perf とは perforated の略で,要は "穴あき基板" の意味ですね~。 

転写後.jpg うまく転写できました。

13-1.jpg
 
  ♪これでいいの~,少~しも悪くないわ~ (松たか子さんの声で!)
 
ん~,実は "少しも" というのはまだまだで,仕上がりは感光基板の方がよさそう。もっと研究が必要な感じです。
 
これで,まずはハイfTトランジスタを使ったパワーアンプを作りたいと思います。


【新しいプリント基板の作り方】

まずはプリントパターンを作ります。専用のソフトがあればいいですけど,お絵かきソフトで十分です。私は "花子" を使っています。

2SA1002/C2322パワーアンプ基板作成画面.jpg パターンを作ります。
 
なお,当然のことですが,プリントパターンは紙に印刷してトナーを転写するので,左右反転した状態にしないといけません。感光基板だとこの手間はいらないんですけどね。

"花子" はちゃんとミラー反転できるようになっていますが,残念ながら文字はミラー反転しません。まあ,文字がなくてもいいのですが,文字もあった方が何かと便利です。

"花子" で文字をミラー反転するにはフォントエフェクトツールを使うのですが,ちょっと使いにくいです。

と言う次第で,簡単に画面をハードコピーして画像として保存して画像編集ソフトで左右反転しました。こんなことやると解像度が低いのですが,まあ,プリント基板にするくらいなら十分です。

実はちゃんと "花子" には画像で保存する,と言うオプションもあるのですが,こっちの方が簡単です。

私は "Microsoft Office Picture Manager" で反転させました。

2SA1002/C2322パワーアンプ基板作成画面1.jpg 左右反転します。
 
これを印刷すればOKですが,直接,画像編集ソフトで編集する手もあるんですが,一応,Wordに張り付けてやってみました。

というのは失敗することを考えて,何枚か同じ画像を印刷したいのですが,画像編集ソフトは案外,こういうことが面倒なのでWordでも使った方が簡単です。

このとき,Wordでサイズを指定できるので,原寸通り,100×100mmにします。

2SA1002/C2322パワーアンプ基板作成画面2.jpg サイズの調整です。
 
これを印刷します。

嫌いなカメラ屋のプリンタ(しつこい)で,用紙を選択します。カメラ屋のプリンタ(インク安くしろ!)には "コート紙" というオプションがあったので,それを選択しました。

さて,次はいよいよアイロンで転写です。
 
まずは基板表面に水を垂らしておいて,転写用紙を貼りつけます。セロテープなどを使ってもアイロンの熱で溶けてしまうのであまり意味がありません。 

アイロンは温度的には低でOKだと思います。あまり温度が高いと基板が熱で反ってしまうのでご注意ください。

紙をプリント基板の上に載せ,アイロンを押しつけます。このとき,最初はアイロンは動かさず,軽く押しつけて用紙が密着するまで待ちます。その後,2,3分間,じっと動かずにアイロンを押しつけます。最後に普通に服にアイロンをかけるように動かしてムラなく加熱しておきます。。


iron.jpg アイロンで加熱中です。
 
普通紙の場合,水で濡らしたふきんをかぶせて蒸らしながらはがすとネットに出ていますが,いまいちうまくいきません。
 
なぜかというとやはりここでも水分が重要で,はがすときに水分をたっぷり含んでいかないといけないのですが,アイロンの熱のせいですぐに水分が蒸発してしまい,うまくいきません。
 
ステンレスのトレイに熱湯を入れて,そこでしばらく紙が完全に水分を含んでふにゃふにゃになるまで待ってピンセットではがすとうまくいくことに気づきました。 
 
熱湯.jpg 熱湯ではがします。 

もし,パターンが途切れているところがあればマジックで修正し,あとはこのまま,いつも通りエッチングすればOKです。

ついでに,もし失敗しちゃったらステンレスたわしでこすればパターンがきれいに消えるので,またやり直しができます。感光基板はもうやり直しができませんからね~。
 
steel scourer.jpg 
  
  失敗したら水をかけながらステンレスたわしで落とします。 

エッチング後にパターンをはがすのも同じステンレスたわしでOKです。
 
エッチング後.jpg エッチングするとこんな感じです。

と言う次第で,何とか新しい方法でプリント基板を作る方法を確立しました。今後,この方法でプリント基板を作っていきたいと思います。感光基板よ,さようなら~~!!
 
 
【おまけ】
 
以前紹介した,我が家のシロバナタンポポの花が咲きました!
 
シロバナタンポポ.jpg 日本の固有種です。
 
嫌いなカメラ屋(しつこい)のカメラじゃなくて,もと丁稚出身の創業者の電機会社のカメラで撮影しました。 
 
黄色い固有種というのもあるのですが,白いタンポポは日本の固有種です。植木鉢で育てています。
 
じゃがいも.jpg じゃがいもの花
 
ついでに,夏に植えたじゃがいもの花も咲きました。こんな花なんですね....。実を言うと見るのは初めてです。 

かき氷.jpg まだ食ってます....。
 
今日は暑かったので愚息とフリスビーで遊んだ後はこれです。さすがにシロップをもう近所のスーパーじゃ売っていないので,Amazonで買いました。おいし~~。
 
 

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マーカー回路の製作 [電子工作]

2015年10月6日の日記

マーカー本体.jpg

なんか急に寒くなってきました。皆さんもお身体ご自愛ください。

さて,今日は頼まれ物です。

某メーカーに勤める友人からの依頼で,マーカーを作ってほしいとのこと。マーカーというのは自動車や電車などの走行試験をする際に,試験区間に入ったとか出たときの目印となる信号のことで,さらに1kmごととか,500mごととかの位置の目印としても使う,とのことです。信号はTTLレベル(5V)くらいあればよいとのことですが,1kmは1パルス,500mは2パルスとしてほしいとのことです。

う~ん,実を言うと,1パルスだと単安定マルチを使えばよいので簡単ですが,2パルスとなると厄介です。1回じゃなく,一定の回数だけパルスを出す回路,というのは案外難しいです。

もちろん,カウンタ回路を使えば簡単ですが,一定の回数をカウントした後,パルスの発振を止めることが必要となります。

今回,2回と言うことなので,バイナリカウンタを使えば,2回のパルスをカウントした後に桁上げ? 用にカウンタICがパルスを出力するのでそれをリセット信号としてパルスの発振を止めればよい訳ですが,発振回路の制御にR-Sフリップフロップなどが必要で,ICが3個ほどいりそうです。

まあ,電子回路の設計者としてはできるだけ回路はシンプルに,使用する素子はできるだけ少なく,と考えちゃうので,今回,単安定マルチと非安定マルチを2個組み合わせた回路にしました。

単安定(モノステーブル)マルチバイブレータは74LS123が有名ですね。ボタンを押すと1回だけ,所定のパルス幅のパルスを1発出力する回路となります。どうしてもボタンを押すと信号が出る回路というのは問題があり,特にデジタル回路には適していません。チャタリングと言って接点が何回もバウンドして一瞬にしてたくさんのパルスを出してしまうからです。こんなのをカウンタ回路に組み込むと,ボタンは1回押しただけなのにカウンタは一瞬にして何十回も進んでしまう,と言うことになります。

これを防ぐために単安定マルチが使われます。接点がチャタリングを起こしても出てくるパルスは1回だけです。

1パルスの方はこれで十分で,パルス幅250msで回路を設計しました。

では,2パルスの方ですが,こちらはまず,ボタンを押すと1sec.の幅のパルスを出す単安定マルチを使います。

次はこの1sec.の幅のパルスを電源として,2Hzのパルスを出力する非安定(ノンステーブル)マルチバイブレータを動作させます。非安定マルチというのは電源が入ると,無限にパルス列を出力する回路のことです。発振回路と同じです。今回,電源が1sec.の間だけなので,結局,2回だけパルスを出力するだけで終わってしまいます。リセット回路はいりません。

と言うことで,設計した回路は次の通りとなりました。単安定マルチも結局,タイマIC 555を使って,合計3個使いました。 

マーカ回路.jpg回路です。

1km(1パルス)の出力に入っている赤色のLEDは信号の合成用と電圧調整を兼ねています。500m用(2パルス)とピーク電圧がそろうように調整しています。 

マーカー基板.jpg プリント基板です。50×70mmにしました。

電解コンとTrがイナバウアー(古ッ!)しちゃってるのはケースのふたにぶつからないようにするためです。 

ボタンスイッチは12mm角のタクトスイッチを使いました。あとでボタンは丸に変えちゃいましたし,LEDも赤→緑にしてしまいました。ところが緑色のLEDは輝度が高すぎ,電流制限抵抗を大きくしました。青色LEDが最後の開発で,一番新しいので輝度も高いのですが,他の色のLEDも最近は輝度が高く,今回使用した緑色は非常に輝度が高かったです。φ3mmのLEDでもまぶしすぎるくらいになってしまいました。

2pulse初期状態.jpg あれれ.....。

ところが,パルス1発の方は計算通りの出力になりましたが,2発の方がどうもおかしく,なぜか最初の1発目が幅が広いです。まあ,単に目印と言うだけならこれでもいいのかもしれませんが,きれいじゃないですよね。ちゃんときれいな幅のパルスにしたいところです。

ルネサス新日本無線555の規格表を見てもこんなことは書いていません。どうもおかしいです。

シミュレーション回路.jpgLTSpiceのシミュレーション回路

困ったときのSpice頼みで調べてみますと,ある程度,予想はついていたのですが,非安定マルチの555のNo.6ピンに入っているコンデンサ充電電圧が1発目のパルスは0Vから立ち上がるのに,2発目以降は最初のパルスで充電されているため,もっと高いところから充電されているせい,とわかりました。

これなら,最初からあらかじめこのコンデンサを充電しておけばよいわけで,Vccから100kΩで充電してみました。555の規格表にはない抵抗ですが,うまくいきました。

Rなし.jpg Rなしのとき。

        青線がコンデンサの充電電圧です。 

R100kΩ.jpg R=100kΩのとき。

ただ,Spiceのシミュレーション上は75kΩがよかったのですが,実際に回路を組んでみるとうまくいかず,パルスが1発しか出なくなりました。やはりシミュレーションはシミュレーションでしかありません。必ず実際の回路で実験してみる必要があります。 

ようやくうまくいくようになりました。友人も喜んでくれました。


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鳩時計の "夜鳴き" を止めた話 [電子工作]

2015年8月2日の日記

どうにもこうにも暑くてたまりませんね~。急に暑くなって参っています。皆さんもお体ご自愛ください。

さて,今日は鳩時計の "夜鳴き" を止めたいと思います。

私は鳩時計がとても好きで,小さな頃,まだ機械式の鳩時計を見て喜んでいた記憶があります。最近のものはクォーツ式になり,毎日,分銅を巻き上げる必要もなくなりました。

ただ,うちのはクォーツ式になってもCdSなどのセンサを設けて夜は鳴かない,と言う風にはなっていなくて,夜中もポッ,ポッと鳴いています。 

私は全然気にならないですけど,ある日ネットをのぞいていたら集合住宅で隣のお宅の鳩時計がうるさい,と書いている人がいました。確かに,同じ部屋で聞いているとうるさいですし,集合住宅でも壁を伝わって隣のお宅でご迷惑となっているかもしれません。

私が使っているものはちゃんとスイッチがついていて,offにできるようになっていますが,これだといちいちスイッチをon, offしないといけません。

と言う次第で,センサをつけて暗くなったら自動的に鳴くのをやめるようにしました。

これはCdSを使うと簡単です。フォトトランジスタだと応答が速すぎて,逆に使いにくいです。

回路はこのようになります。

光スイッチ回路.jpg 回路図です。 

右側にあるのが鳩時計内のon,offスイッチで,この機械的なスイッチは常時offとしておき,その接点をフォトMOSリレーが明るいときだけonするようにしています。 

SEN9006.jpgSEN9006の特性

使用したCdSは大阪の共立電子で売っていたもので,台湾製のSEN9006というものです。特性は▲の図のようになっていて,暗抵抗5MΩのものです。実際には家の中だとどんなに暗くても多少は明るさが残っているので,実測してから設計した方がよいです。 

このCdSは家の中で実測してみると3kΩ~300kΩくらいの間で値が変化します。この抵抗値とTrのベース~エミッタ間に挿入された抵抗値が電源電圧を分圧し,この電圧がTrのベース~エミッタ間電圧VBE(≒0.6V)を超えるとTrがonするようにします。なお,この回路の場合,明るいとTrがonします。常夜灯など,逆にしたい場合は抵抗とCdSを逆にすればよいです。式で表せば,

              CdS分圧抵抗.jpg

と言う具合になります。実際には使用したCdSの測定値から検討すると,

光スイッチ特性1.jpg 分圧抵抗の設計(CdS抵抗値vs電圧)

1kΩ~4.7kΩくらいの間が適しているように思えます。ところが,最初1kΩで実験したら明るくなってもうちの嫁はんみたいに昼寝? したままで,鳴かず,抵抗値を2.7kΩに変更しました。設置する部屋の明るさによって最適値は変わりますので,可変抵抗にしておく方がよいかもしれません。 もちろん,電源電圧によっても変わりますので,ご注意ください。

なお,フォトカプラにしろ, フォトMOSリレーにしろ,入力側はLEDとなっていて,そのLEDを点灯させるため,最低1.7Vくらいの電圧が必要で,電池1個では無理です。3Vもあれば十分ですが,006Pが余っているので9Vとしました。

2SC1815で直接,負荷をon,offしてもよいのですが,この鳩時計はこのTrでモータを駆動するようになってしまうようですが,このTrでモータ電流をon,offするのは厳しそうで,実際,やってみるとモータが回らなかったのでフォトMOSリレーを入れてみました。

フォトMOSリレーというのはソリッドステートリレーとも呼ばれますが,フォトカプラとよく似ていて,入力側のLEDが出力の素子をドライブするようになっています。

フォトカプラと違うのは,リレー同様,制御する電流の向きは関係ないということと,出力電流は入力の電流とは比例しない,ということですね。

フォトカプラは出力のTrが1個しか入っていないため,電流を制御できるのはあくまでも出力Trのコレクタ→エミッタの方向の電流のみです。リレーだと単に接点なので,反対側の向きの電流も流すことができますし,もちろん,交流も流せますね。この点がフォトカプラは異なります。

また,フォトカプラは入力側のLEDの明るさに比例して出力の電流を制御することができます。と言う次第で,音声信号も伝達できます。もっとも,残念ながら出力Trの周波数特性が悪いので,せいぜい数百Hzくらいまでです。

反対にフォトMOSリレーは単に,入力側のLEDが点灯すると放出された光子をゲート電極に蓄積し,飽和すると出力側の電流が双方向に流れるように設計しています。だから応答もフォトカプラより遅くなります。また,入力と出力間の電流値は無関係で,リレー同様,単に電流をon,offする用途に適しています。

と言うことで使用したのは東芝のTLP-222というフォトMOSリレーです。

基板.jpg 基板です。

別にプリント基板にしなくてもよいほど簡単な回路なんですが,アンプの基板を焼くついでにプリント基板にしてしまいました。CdSはこの裏側に取り付けています。 

取付状態.jpg 内部の取り付け状況

振り子の部分から下にCdSが飛び出て,外の光を受けるようにしました。

鳩時計.jpg 明るくなったら鳴くようになりました。

それにしても何で日本では鳩時計と言うんでしょうか? 英語だとCuckoo clockで,カッコー時計のことです。何で外国ではカッコーで,日本ではハトなのか,ちょっと不思議ですね~。 


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LED照明用PWM式調光器の製作 [電子工作]

2015年6月30日の日記

点灯状態1.jpg

引っ越しをした際に,ワークベンチを整備しました。長年,オシロや発振器などの計測器を棚の上に置いて,いつでもすぐに使えるようにしたいと思っていました。それで引っ越しのついでにやってしまいました。やはり便利で,ちょっとした計測をするにもすぐに準備できて便利です。

ところが困った問題が発生。照明がうまくないのです。

以前はアーム式のスタンドを使っていましたが,このライト部分が棚のせいで邪魔になり,今度はこっちが頭をぶつけてしまう始末です。 といって,据え置き型のスタンドだと台の部分が机を占領して邪魔ですし,持っているやつはLED1灯式のもので明るいのはいいのですが,1灯式なので点光源となり,これも手の影ができて工作用としては具合が悪いのです。

嫁はんがキッチンで使っている流し台用の蛍光灯の15Wくらいの照明もいいかと思いましたが,最近はLEDのものもあるようですが,これはこれで光っている部分が目に入り,疲れます。 

で,いいものはないかとアマゾンで探したら,ショーウィンドーの中の商品を照らすための細長いLED照明がありました。白色と電球色の2種類があり,また,磁石で固定できるようになっているので,スチールの棚にも簡単に取り付けられます。長さも3種類あり,なかなか具合が良さそうです。イルミカ東京さんが販売しています。

早速,買ってみました。

全長600mmのもので,全光束540lmのものを買いました。だいたい,白熱電球の60Wのものが500lmくらいですので,それより明るいし,普通の読み書きやパソコン作業なら十分だと思います。ただ,工作用としては細かいところをみるのに,100Wが必要なときもありますので,そのときは別のLEDスタンドを使うつもりです。

色が電球色があるのもgood! 何より電球色LED大好き人間なので.....(^^;)。

いつもKATOの機関車やこの前は中国Lepai社のアンプなんかも電球色LEDにしていますから。 ただ,この場合デジカメ写真なんかを撮影するときはホワイトバランスを変えないといけないので面倒ですけど。また,輝度は白色より低いので,明るさを求める人は白色LEDの方を買う方がよいと思います。

さて,実際に使ってみると机の面は明るく照らされ,なにより小型で細長いものなのでうまく棚に隠れ,光っている部分は目に入りませんし,線光源になるので影もできにくく,作業をするには快適です。

電源は12VのACアダプタが必要です。本来ショーウィンドー用なのでスイッチはなく,もとの電源部分でコンセントを外すか,別途,テーブルタップのスイッチを利用するのが前提でしょう。

でも,机の照明用だとスイッチはいりますね。それにACアダプタは大嫌いなので電源も何とかしたいところです。

と言う次第で,どうせ電源とスイッチをつけるなら,と言うことで電源内蔵の調光器を作ることにしました。市販されているLED調光器も電源内蔵タイプはないようです。

照明の調光は昔からいろんな回路があります。

電圧が制御できれば調光できるので,スライダックが便利ですが,大きく重すぎるので,よく使われるのはトライアックを用いた位相制御のものです。AC100Vをトライアックでスイッチングして導通角を可変して調光します。

LED照明用の調光器というのは少なく,なによりLEDは直流で点灯する,と言うのが原因だと思います。位相制御された交流を整流して直流化すれば電圧を可変できるので,このようにしたLED用の調光器もありますし,自作している人もいるようです。

ただ,この場合,やはりAC100Vを位相制御してトランスで電圧を下げて,その後,整流して直流にするのでやはりトランスが必要で大きくなります。

と言う次第で,直流を電圧制御すればOKなので,こちらで考えてみます。

簡単にやるのは抵抗制御ですね.....。

直列に抵抗を入れて電流を下げてやれば調光できます。

でもこれじゃ抵抗が発熱しますし,エコじゃありません。

と言う次第で,いつも鉄道模型用のコントローラで使っているPWM式のものを応用します。1,600円ほどで売られているLED照明用の調光器というのも同様の仕組みだと思います。

PWM式は12Vの方形波を出力し,その方形波のパルス幅を制御してLEDの点灯時間を可変することにより調光します。素子はスイッチングをしているだけなので損失が少なく,とてもエコです。

回路はいつも作っているPWM式の鉄道模型用コントローラ(パワーパック)と同じものです。これに逆転器をつければパワーパックになります。今回,初めてプリント基板化しました。もう何回も作っていますが,毎回万能基板で作るのもしんどいので,とうとうプリント基板にすることにしました。

さて,回路です。

PWM式LED調光器回路2.jpg クリックすると拡大します。 

いつも通り,タイマIC555で三角波を作り,それと基準電圧とをコンパレータで比較することにより0~100%デューティ可変のPWM波を作ります。

海外で555 1個とダイオード2個でPWM波を作る回路を発表している人もいますが,デューティは5~95%くらいになり,100%可変じゃないので採用しませんでした。私の回路は0~100%まで変化させることができます。鉄道模型だとこうじゃないとまずいですよね。

なお,鉄道模型だとモータがうなるので音が聞こえないよう,スイッチング周波数は20kHzとして,人間の可聴帯域より上にしています。まあ,300Hzでスイッチングすると201系みたいにチョッパ音が聞こえるのでNゲージを運転していても楽しいのですけどね.....。でもDD13からチョッパ音がするのも何だし,ということで私はいつもスイッチング周波数切り替え式で作っています。

              555発振周波数.jpg

スイッチング周波数は▲の式で決定されます。 RはkΩ,CはμFです。ちなみにRA=4.7kΩ,C=0.01μFの場合,RB=100kΩで700Hz,220kΩで300Hzとなります。 

今回はLED照明用と言うことでスイッチング周波数は20kHz固定で作りましたが,基板そのものは準備工事としてスイッチング周波数の切り替えができるよう,パターンを作りました。 

基板.jpg プリント基板が完成しました。

この基板に電源と逆転SWをつなぐと鉄道模型用PWMコントローラとなります。保護回路もついてます.....(^^)。 

PWM式LED調光器回路基板.jpg パターン図

PWM式LED調光器回路基板(部品)'.jpg 部品配置    (いずれも銅箔面から見た図)

これを50×29mmのサイズでOHPに印刷すると感光基板で作ることができますのでご利用ください。 

2D317A, D525, C1815.jpg 使用した半導体。

部品箱に転がっている半導体を使いました。当初,制御Trに使用した松下の2SD317Aは30年以上前のものです。 表面は酸化してザラザラです。実は問題が出て,あとで東芝の2SD525と取り替えています。

以前書きましたが,東芝の2SC1815がとうとう製造中止で,まだ部品屋さんの在庫は豊富ですが,すでに偽物が横行しています。どうもやはり中国製のようです。本物より少しサイズが小さく,型番は横書きになっています。純正の東芝製を買いだめしておきましたが,どうも私も以前,偽物をつかんでしまったようで部品箱の中から何個か出てきました。おそらく,似た特性の石の表記を書き換えて販売しているのでしょうけど,互換品として販売するのはかまわないですが,全く同じ型番にするのはどうかと思います。

いらない子なので捨てちゃおうかと思いましたが,私も会社じゃ同じ境遇なのでリストラせずに活用することにしました......orz。 

左が偽物で,右が本物の2SC1815です。本物はロゴが縦に横書きされています。 

早速,回路をつないでオシロで確認します。ちゃんと20kHzの方形波が出力され,パルス幅もスムーズに変化します。

さて,次はいよいよLED照明をつないでテストしてみます。

ところがここで問題発生。一応調光できるのですが,どうにもスムーズじゃなく,パッと点灯してその後すぐに明るくなってしまいます。おまけに制御Trが結構発熱して,触ると熱くなっています。

PWM式の場合,制御Trは12Vをチョッピングしているだけで,電圧を制御しているわけじゃなく,損失はわずかです。まあ,バイポーラTrだとエミッタ~コレクタ間飽和電圧VCEsatが1V弱ありますので,VCEsat×ICだけ損失が発生します。今回,LEDの負荷は0.5Aくらいですから,損失は0.5Wくらいです。MOS-FETを使うとドレイン~ソース間の電圧はmV単位になりますから,この損失はずっと少なくてすみます。でもなぜかMOS-FETは好きじゃないのでいつものバイポーラを使っています。

PWM式LED調光器回路MOS-FET出力回路.jpgMOS-FET出力の場合 

もっとも,今の時代,バイポーラTrでスイッチングする意味はほとんどないと思います。損失の問題もそうですが,スピードも遅いし,ドライブ電流(IB)の点でもMOS-FETが断然有利です。MOS-FETを使う場合,▲のような回路となります。出力もドレインから取るようにすると非常に便利です。なお,保護用に負荷とシリーズにポリヒューズを入れてください。スイッチング電源に保護回路がついていますが,念のため,入れておく方がよいと思います。

さて,本機は放熱器もいらないくらいのはずですが,実験してみるとちょっと熱くなっています。

どうにも変なのでオシロで波形を見てみると方形波が崩れてしまっています。ということは12Vじゃない出力部分はそれだけ熱に変化しているので発熱します。スイッチング損失が増えてしまっている状況です。

原因がよくわかりません。Spiceで検証してみましたが,こんなことになりません。モータのようにインダクタンス分が多いと逆起電流でうまくスイッチングができず,発熱することがありますが,LEDは誘導性の負荷じゃないのでこうなるのはおかしいです。

仕方なく,スイッチング周波数を700Hzに下げました。これで方形波は崩れなくなりました。きれいな方形波として出力されています。損失も少ないようで,制御Trも触っても熱くありません。

でも,ちょっと気になることが出てきます。予想はしていたのですけどね.....。

やはり照明本体からピーッと音がします。かすかではあるのですが,スイッチング音がします。静かなときはやはり気になります。

と言う次第で,やはりもとの20kHzに戻したいと思います。でも,なぜ方形波が崩れてしまうのか,原因がわからず,しばらく悩んじゃいましたが,規格表を見直してみて目が点になりました......。

なんと,2SD317Aの遮断周波数fαeは25kHzしかありません。最初,MHzの間違いかと思いましたが,間違いではなさそうです。これじゃ20kHzの方形波が満足に扱えるわけがありません。方形波のスイッチングや増幅には10倍くらいの帯域が必要です。普通,シリコンTrはfαeはパワーTrでも3MHz以上はあるものです。 お前はゲルマニウムTrかよ。こんなに低いfαeのシリコンTrは見たことがありません。びっくりしました。

設計されたのが古い,と言うこともありますが,シリコンTrは普通,利得帯域幅積fTで表しますが,高いのが特長で,これほど低いfTのシリコンTrは知りません。シリコンTrはfTなんて高くて当たり前なので全然気にしていませんでした。ちなみに同時期に開発されたと思われる2SD297(NEC)でもfTは12MHzもあります。残念ながらこんなロートルのシリコンTrに用はありません。速攻でリストラしちゃいました.....。

偽物の2SC1815はちゃんと働いてくれますが,2SD317Aは力不足です。どうかしてる,という感じです。 さすがにちょっと腹が立ったので若い人に代わってもらうことにしませう。 

手持ちの東芝2SD525と交換しました。2SD525のfTは40MHzもあります。

duty 9.6%.jpg デューティが低いとき。

ぎりぎりの点灯状態です。さすがにLEDの順方向電圧がばらつくので,この状態だと点灯したりしなかったりするLEDが出てきます。スイッチング周波数は20kHzにしましたので,照明本体からスイッチング音は聞こえません。全くの無音となりました。

duty 47.3%.jpg  デューティ47%のとき 

duty 100%-1.jpg フル点灯の状態です。

一応,念のため,放熱器をつけました。効果抜群で,きちんと放熱してくれます。さすがに点灯当初は全然熱くありませんが,1時間もすると結構熱くなるので,放熱器はつけておいた方がよいと思います。 

実装.jpg 実装状態です。

ケースはタカチのTW7-4-11を使いましたが,断然小さすぎです。もっと大きなケースを使ってください。どうにも何でも小さく作る癖があるので,ダメです。 フタの裏に小さなネオジム磁石を貼り付けてスチールの棚にくっつくようにしました。

実装1.jpg 

   散らかってて恥ずかしいですけど.......。こんな調子です。

点灯状態2.jpg 明る~い! 電球色なのもいいです。

思わず,

  ♪明る~いSamsung, 明る~いSamsung, みんな~うち中,な~んでもSamsung~  っと! 

悔しいけど,もうこうなんだよな~と,替え歌を歌ってしまいました。この歌のもと歌が歌える人は40歳以上だと思います。

でも,本体に使われているLEDは中国深圳市の宏斉光電子という会社が作っているHT61-2301Wという1素子に3チップ入ったLEDのようです。すでにSamsungの時代は終わった? 

 

【おまけ‥‥‥Nゲージにも使えます】

調光器+Nゲージ.jpg Nゲージ運転中。

背面に+,-のジョンソン端子がついているので不思議に思われた方もいらっしゃるかと思いますが,実は,今回の調光器は私が使っている鉄道模型のコントローラ(パワーパック)と同じ回路なので鉄道模型も運転できます!

早速,買ったばかりのKATOのED19を運転してみます。PWM式なので超低速でも運転でき,快適です。保護回路もついていますので,ご活用ください。逆転SWを入れれば,バックも可能です。 

 

2017年1月2日追記

上記,MOS-FETの出力回路を用いて改造しました。ご興味のある方はこちらをご覧ください。 


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