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アナログ回路

2014年9月 6日 (土)

DCDC回路はAmazonでも買える!!

Amazonを流し読みしていると、便利そうなものがあった。

電流容量もかなり大きいので、サーボをたくさん使うロボに使っても良さそうです。
これだけの性能を出そうと自分で作るとしたら、DCDCのICに外付けのパワートランジスタとかMOSFETをつけたりして、色々チェックしながらやらないといけないのでなかなか手間だし、失敗するとICが燃えたりコイルが燃えたり。コイルが燃えたと気づかずトランジスタまで燃やしたり・・・。色々苦労したものですが・・・。



2013年11月28日 (木)

電源を自作する。 <PICのDCDC化計画> ステップ4

本シリーズのステップ3で作成した回路を、PIC16F1963を使って駆動する。

PICで設定すべき主な項目は、下記の4件。
・    PWMの出力(周期、デューティ比)
・    コンパレータ(入力ソースの選択、出力先の選択)
・    DACによる基準電圧(DACの電源ソース選択、DAC値)
・    固定電圧リファレンス(電圧の選択)

 PIC16F1936に内蔵されているDACは5ビットなので、電圧ステップが荒い。そこで、DAC電源に固定電圧リファレンス(FVR)を使って、電圧レンジを絞り、電圧ステップを細かくなるようにした。ここでは、DACのMAX電圧が1.024Vとなるようにしている。

 コンパレータモジュールは、下記図はPICのコンパレータについての仕様書の抜粋。ここでは赤線のような経路を選択する。赤丸は設定すべきビットの名前。注意が必要なのはTRISビット。コンパレータの出力ピンは0。入力は1に設定する。コンパレータをイネーブルすれば自動的に設定されるものではないので忘れやすい。
 コンパレータモジュール自体のイネーブルビットもあるので忘れずに。

Comparesetting

コンパレータモジュールのブロック図

 PWMを5us周期にするので、PICのシステムクロックが遅いとDuty比のステップが荒くなってしまう。そこで内蔵32MHzを選択する。

 ソフトスタート回路をONするために、まずPWMを出力してから、数十ms後にスタート回路のPOW_EN信号をHiにポート操作する。その後はメインループに入る。

<調整方法>
 実際に使う負荷をつないで見て、目標電圧に達しないようならばDuty比を上げる。これはコイル電流を増して昇圧能力を上げることを意味する。SpiceシミュレーションではDuty40%だったので、一旦そのまま設定した。



<参考文献>
トランジスタ技術 2012年 06月号 [雑誌]

おすすめPICその1のページ

2013年11月27日 (水)

電源を自作する。 <PICのDCDC化計画> ステップ3

PICのPWMを使ってMOSFETをスイッチングし、ADコンバータでDuty比をフィードバック制御すれば簡単に昇圧回路が組める。しかし、いきなりADコンバータでPIDを組むのも難しいので、内蔵コンパレータを使ってお手軽に組むことにした。

SPICEでコンパレータを配置し、ざっくりと動作を確認したときの波形。
コンパレータの基準電圧まで上昇したあと、コンパレータの作用でPWM波形が中断し、電圧の上昇が止まっていることがわかる。

Limiter_no

SPICE波形(青:コイル電流、緑:出力電圧、赤:PWM_EN


Teisuu_kairozu_2
最終的な回路図

上に掲載した波形のままでは電池をつないだ瞬間に大電流が流れるので、本シリーズのステップ2にあったソフトスタート回路を追加した。

コンパレータの信号を受けてPWMを中断するための回路はスイッチング時間に少し注意しなければいけない。Q1をFETにするとコイルスイッチング用のFETゲートに寄生容量がぶら下がり、スイッチング時間が延びてしまう。すると、その間に電圧が上がってしまって目標電圧にとどめる制御が果たせなくなる。
そこで、寄生容量が小さいバイポーラトランジスタを使う。ここにはPNPを使ったので、コンパレータの出力を反転させてやらなければならない。

R1,R2は出力電圧を設定するための抵抗。コンパレータの+側に0.5Vが入っているので、
出力電圧×R2/(R1+R2)=0.5V
となるようにR1、R2を決める。

各部の部品は手持ちのものから適当に選んだ。電流は200mAも使わないのでインダクタはラジアルリードの小さいもの。PNPトランジスタは2SA1015。ここはデジトラを使ってもよい。ショットキーは11EQS04。秋月なら袋入り10本で安い。電源はジャンクのNiCdバッテリー3.6V。電源をバッテリーから取る場合で、ちょっと実験するだけなら、ソフトスタート回路を省略してしまっても「動作上は」問題ない。あまり繰り返しON・OFFすると突入電流で部品が壊れるかもしれない。

続いてソフト編へ。

2013年4月23日 (火)

電源を自作する。 <PICのDCDC化計画> ステップ2

ADCを使ってフィードバックを掛けるので、適当な電圧を出しているとPICのポートが壊れてしまう。そこでSPICEを使って詳細に設計をつめてから試してみることにした。

基本的なパーツを置いてスイッチングパルスをFETに入れると、簡単に昇圧できることがわかる。パルスのデューティを変えれば簡単に電圧が調節できる。

大体の雰囲気がつかめたので、PICを潰す心配のないオープンループでやってみることにした。電源はレギュレータ7805を使った5VDC。PICからPWMを出してFETを駆動しようとしたそのとき、パコッと電源が落ちてしまった。はてなと思いもう一度ONにして暫く様子を見てみるとなんだか焦げ臭い。7805が発熱している。どうやらレギュレータの電流容量を超えてしまってリミッターが動作したらしい。一方、そばにあったニッカド電池でやってみるとあっさり昇圧動作をした。

突入電流が非常に大きいらしいことが判明した。このままでは回路ON・OFFの度に大電流が流れ、ダイオードやコイルが定格オーバーになってしまう。寿命の短い回路ができてしまうことになる。

SPICEによるコイル電流の見積もりが必要であることがわかったが、シミュレーションではそれほど大きな電流は流れていない。なぜだろうかとネットをあさっていると、トランジェント解析の設定オプションに気になる項目を発見した。

Start External DC Supply Voltage at 0V
Simulateのメニューを開いて、Transientタブの真ん中あたりにある。

これをONにして解析を回してみた。
電源ONから暫くするとコイル電流が数アンペアに上昇し、ものすごい電流が流れる。しかしピークを過ぎると急激に電流が下がり、出力電圧が安定すると数百mAくらいに収まることがわかった。

トランジェント解析のときStart External DC Supply Voltage at 0Vにチェックを入れる。これをやらないと、立ち上がり時の突入電流が小さ目に出てしまい、実際の状態とかけ離れてしまう。

コンデンサを小さくすればピーク電流は小さくなるので、この電流の正体はコンデンサへの充電のための電流であることがわかった。突入電流といわれているやつらしい。しかし出力コンデンサを22uFくらいは付けないと、リップルが大きくなってとても実用にならない。コンデンサ自体を外してしまうと原理そのものからも外れてしまう。

電源ON時だけ大電流となるから、ON時だけ別経路でコンデンサを充電することも考えたが、DCDCのICでそのような動作をすることなど聞いたことがない。

最初のトラ技の記事を見てみたが、突入電流に関する記述は特になく、単にコイルの定格電流が高いものを選定しているに過ぎなかった。しかし、定格電流の高いショットキーバリアダイオードもコイルは持ち合わせていないし、そんなに手に入るとも思えない。突入電流をせめて1A以下に収めることが先決だった。

電源を投入した直後の突入電流の正体はコンデンサへの充電電流なので、この充電電流を小さくすればよいことがわかった。

DCDCのICにはソフトスタートという機能が付いていて、突入電流を抑える働きがあるのだが、今までその機能を何となく使っていた。こんなにありがたい機能が付いているのに、そのありがたみに一切気づいていなかったのだ。

ではDCDCのICのソフトスタート回路を参考にしようと思い色々漁るのだが、ネットにも本にも仕組みが説明されているものが見つからない。

色々探して一番有用かと思われたのがTIさんのこのページ。
ソフトスタートの話
突入電流がどれくらいになるか?ということはわかるが、その先はリンクが切れているか製作途中なのだろう。

その後も色々探しまわって、たしかタンタルコンデンサ(DCDCでよく使われるESRの低い種類のコンデンサ。)の特徴を説明しているPDFにたどりついた。論文のような体裁になっていたと思うが、なんという記事か忘れてしまった。その記事の最後に英語の論文のタイトルが載っていて、

Increasing reliability of SMD tantalum capacitors in low impedance applications

という論文を参照していた。早速Googleしてみると、なんとPDFがダウンロードできるではないか!書いてあることはなんとなく理解でき、回路図も載っているので恐らく実現できそうだった。
ものは試しとSPICEで書かれている通りの回路を解析してみたが、思っていた回路動作とは違うらしい。電源をONしたらそれと同時にONするだけ。早とちりだった。

よく見ると回路図の後に続く定数の導出について計算が丁寧に書かれている。どうやらCR時定数を使ってFETのゲート電圧をゆっくり上げているらしい。ソフトスタート回路の正体は、MOSFETのゲート電圧をCR時定数を使ってゆっくり上昇させることで、電流を少しずつ上昇させるための回路であったようだ。

これでやるべきことは全てわかった。
SPICEの回路にソフトスタート回路を追加すると、見事ピーク電流が抑えられ、電源ONの瞬間も1A以内で動作できるようになった。

この記事を書くきっかけになったトラ技はこの号です。最新のPICマイコンについて詳しく書かれており、使い方が複雑なUSB内臓PICや、静電容量式タッチスイッチ機能内臓のPICの使い方についても説明されています。




DCDC自作シリーズ
13/11/27に続編公開予定

2013年4月21日 (日)

PICで電源を自作する。 ステップ1

DCDC回路をいじることが増え、某ICメーカーさんの無料講習会に参加するようになった。バッテリーを完全に放電するまで使いきれるDCDCや、超省電力タイプなど、色々特徴を持った面白い電源ICが出てくるようになった。

色々講義を聴いているうちに、専用の電源ICを買ってきて作るのではなく、中の仕組みを自分で作ってみたくなった。やっていることはトランジスタの勉強のために実験していた回路を応用するだけでできるし、データシートのブロック図にあるような回路を組めば、同じものができると思ったからだ。

このデータシートの2ページ目に等価回路図が載っている。記事を読んだ後にでも参照されたし。

ステップアップDC-DCコンバータとは、
ざっくりいうとコイルにエネルギーを蓄えて、そのエネルギーをコンデンサに放出することで出力電圧を入力電圧よりも高くする回路。トランジスタ技術の2012年4月号にわかりやすい図が載っているので参考になる。この号は良さそうだと思ってバックナンバーで購入した。

続トランジスタ回路の設計という本で、簡単な構成で昇圧回路を作ることができることがわかり、自分で作ってみた。ドロップ電圧がデカかったり、目標電圧への復帰に時間がかかっても構わなければ、自作でも結構簡単。

ロジックICのシュミットトリガインバータを、発振回路と、MOSFETのドライブに使うことで簡単に組むことができる。基準電圧とのコンパレーションをトランジスタのVbeで行うのがミソ。

この本に書いてある回路を組んで実験したおかげで、トランジスタの動作がよく理解できた。それに本の定数通りに部品を揃えなくても、書いてある内容を理解して、それぞれの部品がどんな動作をすれば同じものが作れるかわかるようになった。どんなにいい本を買っても作って試さないと中々身につかない・・・。

実際、本にある回路図とは結構違っている。本ではスーパーベータトランジスタを使ってバイアス電流を抑えているが、汎用のトランジスタに変更している。インダクタは220uHを使っているが、手元には280uHのものしかなかったがそれを使っている。パルス周波数もコンデンサが指定のものがなかったので変更している。

組めばいけるだろうと思っているとMOSFETの極性を間違ったりして燃やしたり、PchとNchを間違ったり、ICのピン配を逆にしてしまったり。ユニバーサル基板で一から組むと、なかなか厄介。

ようやくポカミスをつぶしきったが、ちっとも動かないという事態に直面した。電圧フィードバックがジッとしたまま動いていない。目標より高い電圧のときトランジスタがオンすることで出力電圧が目標電圧にさがるまでMOSFETへのパルスがカットされる仕組みなのだが、このトランジスタがONしたままなのだ。つまり、電圧を読み取る部分が、コンパレーションの閾電圧を行ったり来たりするような状態に持っていかないと動作しない。


最初は不精して固定抵抗で決めうちしようと思っていたのだが、コンパレーションが動作しないことには目的の電圧がでてこない。そこで半固定抵抗で基準電圧を振ってみて、出力電圧が出るポイントを探ってみた。

すると9Vくらいに上げた当たりから動作が始まった。どうやらコイルのインダクタンスとパルスの周波数によって、この回路の持つフィードバックをかけられる範囲を外れてしまっていたようだ。



参考文献

「続トランジスタ回路の設計」
部品の動作をイメージするために役に立った。

買い物メモ(この記事を書く3ヶ月前に行ったとき。)
ショットキーバリアダイオードは同じ定格のものでも、
シリコンハウス:1本30円
デジット:5本200円
秋月だともっと安いので、将来的にも電源をたくさん作って試すならまとめ買いをしておいたほうがいいと思う。失敗すると即燃えてしまうし、ダイオード一個のために一々買い物に行くのも面倒だ。

2013年3月19日 (火)

JRC2360ADを使って負電圧を作る。

DCDCコンバータICのJRC2360ADを使って負電圧を作ってみた。

JRCのアプリケーションノートに、負電圧を作るための回路が例として載っている。近い値で組み立ててみたが、間欠発振するばかりで設計した出力電圧が出てこない。Ref電圧からかけ離れた電圧がコンパレータに入っているのかと思い、5ピンの入力電圧を可変抵抗で振ってみたが、今度は勝手にPWMの周波数が高くなりICが発熱するというトラブルに見舞われた。ちょっと煮詰まってきたのでネットをあさることにした。

この2360ADをネットで探すと、LTspiceのモデルが公開されていた。
MC34063Aが元になっているらしい。

ねがてぃぶろぐ

SpiceModelの元データは、
ONセミコンダクターのトップページから、

ホーム >  サポート >  デザイン・サポート >  デザイン・リソース >  シミュレーション・モデル

と進むと、モデルが一覧になって並んでいる。その中の、
MC34063A ORCAD MODELS.ZIP
というファイルが使える。

中身は、ORCADであればそのまま開けるのであろうがLTspiceしか持っていない場合は、シンボルファイルを作成しなければならない。いきなり作ることもできないので

LTspiceメモ というところでasyファイルを見つけてきた。ページの後ろのほうに出てくるのでキーワード検索で探すとよい。

これを落としてきて、回路図ファイルと同じディレクトリに入れれば後の手順は同じはずだがasyファイルの中に、よくわからないディレクトリ指定が入っている。下の赤丸の行を消して、インクルードのディレクティブを回路図に記述したら解析が走り出した。

2360ad_spicemodel_directorypath

まずはJRCのリファレンス回路を定数そのままで走らせて見た。たしかに設定どおりの-20Vが出力されている。

Ws000013




2013年2月 8日 (金)

著者がかつて、アナログ回路入門するために買った本

 マイコンの応用回路を作っていると、超音波センサや光センサなど微弱な信号を扱ったり、ちょっとしたLEDのスイッチングやマイコンでスピーカーを鳴らすなどしてみたくなる。しかし特性の話が細かくて難しいので、HPのサンプル回路を丸写しすることが多かった。
 どうしてもマスターしたくて買ったのがこの定本トランジスタ回路と、岡村廸夫さんのOPアンプ回路の設計。OPアンプのほうはなんとなくわかったものの、どうしても中身が知りたくて、OPアンプの元であるトランジスタ回路に興味を持ったというわけ。

定本トランジスタ回路

 実際に回路を組んで掲載されている回路を改造していくと、頭に入るのが早い。アナログ回路の学習は、「まず試す」が一番。この本の真価は、実際に回路を組んで体験することで発揮される。回路設計は教科書を読むよりも、いろんな回路を本の通りに作って、定数を変えたり、電源電圧を変えて定数をどうするか自分でやってみるのが一番よかった。実は学生時代にこの本を借りて読んでいたが、ちっとも試さなかった(アンプという言葉の意味がつかめず、胸がときめかなかった)ため、全く頭に入らなかった。

 とりあえず回路の学習を始めるために、2chのUSBオシロを買った。簡単なアナログの回路は入力と出力の信号が並べて比較できれば十分。しかもそんなに周波数が高くないのならUSB接続の簡易的なもので十分実用になる。もちろんデジタル回路やPICを使った応用でも、2chあれば大抵のことには対応できる。このタイプのオシロは小さくてハンディなので、もっとよいオシロを買った後でも持ち運び用として利用できるのが良い。

 実験の時戸惑ったのが交流信号源をどうするのかということ。昔この本を開いたとき、回路を作るのはいいが、正弦波信号発生器をどうするのかと思った。そういう信号源がなければPWMの階調を使って信号を自作しなければならないのではないか??と。しかし交流信号というのは、なにも難しいものではなくて、PCのオーディオ端子から出ている音声も、立派な交流信号源なのである。

だから、作った回路を動かす実験用としては、

信号源:
PCからの音声信号。フリーソフトなどで、正弦波を発生するものや、トーン信号を再生するものが出回っているので、それを再生する。イヤホンジャックを買ってきて、そこから試作した回路に信号を入力。

測定器:
PCにつないだUSBオシロを測定器として使う。

電源:
好きな出力電圧のACアダプターを買ってきて、3端子レギュレータで降圧して使うのが一番簡単で安全。

回路の試作:
数メガヘルツとか高速な回路を作るのでなければブレッドボードで十分。

WindowsPCがあれば、実験道具をほぼそろったも同然。筆者が持っているUSBオシロスコープはこれ。(昔秋月で買いました。その頃よりちょっと安くなっている気がするのですが。。)


<DS1M12>
12ビット2ch1Msps プローブ2本付
数十kHzまでの信号なら十分。最初は安いからということで1chのタイプを買ったが、2つの波形を比較するような使い方ができないので使わなくなってしまった。逆に4chあればもっと便利かというと、そんなに使う場面がない。

アマゾンを見ていて気づいたのだが、電子部品もかなり売っている。しかもなかなか便利そうなセット形態での販売なので、一からはじめる人にはいいかもしれない。なんと480円のテスターもある!!。しかし最初の一台に筆者が薦めるのは、下のような3000円くらいのアナログテスター。アナログタイプは周波数が低いパルスなら針がぴくぴくすることで動作しているか簡単に確認できるなど応用ができるから。10年以上使っています。
あと、抵抗は、炭素皮膜のワンセットになったやつを買っておくと断然便利。ここに挙げたブレッドボードにさせる電源はかなり便利だと思う。USBから給電、または手持ちのACアダプターを挿すと、搭載されたレギュレータから3.3Vと5Vが出力されるらしい。