ブログ | 上智大学エレクトロニクスラボ

上智大学エレクトロニクスラボの部員の雑記帳です。当ブログを真似したり参考にしたりして起きた事故、けが、損害につきまして私たちは一切責任を負いません。

bluetoothアンプを作ってみた(BM62)

 

おはようございますkentamuです。

今回はBluetoothアンプを作ってみました!

そこまで難しくないのでオーディオに興味がある方は是非チャレンジしてみて下さい。

 

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製作したbluetoothアンプ



Bluetooth自作用のICといえばRN52が定番でしたが値段も2500円と高く、手を出しにくいのが難点でした。

そこで今回は1000円ほどで購入できるBM62を使用して簡単なBluetoothアンプを組んでみました。

 

www.youtube.com

 

今回のコンセプトは、部の1年生が半田付けをしたら動く物を作る!ということでシンプルな半田付け練習ボードとして設計しました。

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リード部品をなくして面実装とする事で小型化、基板そのものが筐体になりコスト削減が出来ました。

 

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回路図

 

若干修正をしていますが回路はこのような形に。

少々凝ってディスクリートオペアンプを入れてみたのですがノイズ対策が難しく、音もあまり良くなかったためオペアンプICを使用しています。

ディスクリートオペアンプの記事はこちらにあるのでよかったらご覧下さい。

 

selelab.hatenablog.com

 

*BM62の出力の基準値が2.5Vになっていたので0V基準でシミュレーションしていた事が実機での歪みの原因かと思います。レールトゥーレールのオペアンプを設計するか、入力にキャパシタを挟む、または電源電圧を高くすれば対応可能と思われます。また、入力がJFETで高インピーダンスですのでノイズ対策の為に配線の引き回しを十分注意する必要がありそうです。

 

 

終わりに

BM62について電子工作工房という所で情報を公開されており非常に参考にさせていただきました。おかげさまで殆ど躓く事なく設計する事ができました。感謝申し上げます

 

1年生は表面実装の半田付け頑張ろうな!

 

追記:

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一年生めちゃくちゃ半田付け上手で驚きました。

すごい、みんなすごい!

 

(kentamu)

 

 

 

やってみよう!論理回路-基本編-

始めまして。ハズレです。そういう名前です。

今回は、私の専門、というか趣味の論理回路ゲートだけでいろいろなど動作を実現してみるというものの実演をしてみる記事になります。基礎編ですので、論理回路ゲートについてもう知ってるという方は次回の記事までお楽しみに…

 

※画像サイズ変更方法がわからず、一部画像が巨大なまま表示されます。ご了承ください。

サイズ変更法がわかる方はご教授願いたく存じます

1.そもそも論理回路って?

真理値の真偽、つまり0と1を入出力としている回路の分野のことです。

普段このブログに載っている回路はアナログ回路で、100Aの電流が流れて80Aに加工されたり波になったりしますが、そういうのはありません。0と1だけです。入力が全て1なら出力1とか。そのため複雑な方程式や微積も登場しないので、未経験の人もすぐに入門できることと、そんな単純な回路の組み合わせで複雑な動きが実現できるパズル的な楽しさが魅力です。

 

 

2.なぜ論理回路をやるの?

 第一に楽しいからですが、論理回路を組んでいくということは、実現したい動作を工程ごとに分解し、本質的な意図を見つめることになります。

 回路ゲートでできることは本当に単純な動作だけなので、単純な動作単位までやりたいことを分解していくのはなかなかロジカルシンキングが必要になります。

 そしてこれは、実際のアナログ回路、またプログラミングで非常に重要なスキルにもなります。つまり基礎鍛練的にも楽しく学べるというわけです。早速次項から早速論理回路をはじめてみましょう。

 

3.基本のゲートたち

回路とつきますが基本的に論理回路はサーキットになっていません。Inがあって、論理回路ゲートがなにかしら加工を加え、最終的にoutが出ます。

例として、以下の図をご覧ください。これは、「2つある入力がどちらも1のとき1を出力する」というものです。あくまで入出力は01であることにも注目してください。入出力の表は以下の通り。

f:id:selelab:20190811000556p:plain

模擬的な論理回路のイメージ

out

in2=0

in2=1

in1=0

0

0

in1=1

0

1

 

この時、「いくつかの入力を基にいくつかの出力を出すもの」を論理ゲートといいます。いくつかの入力がゲートをくぐって変化するイメージです。

そして、この回路ゲートには基本となる4種類があります。逆に言えば、4種の組み合わせでほとんどすべての回路を実現できるわけです。暗記要素が少ないのは論理回路のいいところです。

そして、回路ゲートについて「いくつかある入力がいくつかある出力に」といいましたが、これも2つある入力が1つの出力に、と統一してしまいます。5つの入力が3つの出力に、のような形も2つある入力が1つの出力に、の回路ゲートの組み合わせで実現できてしまうので、このパターンだけをパーツとして認識していれば問題ないからです。

では早速紹介していきます。

 

3.1 OR

 まずはORゲート。ORの名の通り、2つの入力のうちどれかが1なら出力として1を出します。誰かがスイッチを押していればオンになる電灯、といった感じでしょうか。

in1

in2

out

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

1

 

 回路図上の図はこんな感じ。

f:id:selelab:20190811000114g:plain

orの回路図

 

3.2 AND

 次にAND。そのまま、二つの入力が1なら1になります。先ほどの例えで言うなら二人がスイッチを押していないとオンにならない電灯です。

 

in1

in2

out

0

0

0

0

1

0

1

0

0

1

1

1

 回路図上の図はこんな感じ。

f:id:selelab:20190811000648g:plain

ANDの回路図

3.3 XOR

 XORは少しだけ複雑で、片方が1の時しか1を出力しません。一階と二階それぞれで切り替えられる階段の電灯といったところでしょうか。

 

in1

in2

out

0

0

0

0

1

1

1

0

1

1

1

0

 回路図上の図はこんな感じ。

f:id:selelab:20190811000709g:plain

XORの回路図

3.4 NOT

 NOTだけ例外で、入力が1つのみです。効果もNOTの名の通り、0が入れば1、1が入れば0が出力されます。

 OR、AND、XORの出力にNOTをつけた形はよく使われるので、頭にNをつけてNOR、NAND,XNORと呼び、回路図の頭に〇をつけます。

 

in

out

0

1

1

0

 回路図上の図はこんな感じ。

 

f:id:selelab:20190811000736g:plain

NOTの回路図

 

4.簡単な回路をつくってみる

 ここまでの話で基本パーツを把握しましたので、次は早速これで簡単な回路を作ってみましょう。

 「そもそもどこで作ればいいんだ」という疑問に関しては、以下のサービスを使ってみてください。

https://lecture.ecc.u-tokyo.ac.jp/johzu/joho/Data/NewLogicSimulator/blank.html

これはSimcirJSというブラウザで動作する簡単な回路シミュレータで、無料で手軽に再現できます。使い方はこちら→https://lecture.ecc.u-tokyo.ac.jp/johzu/joho/Y2019/LogicSimulator/LogicSimulator/01.html

例えば、「スイッチ1~3があり、スイッチ3が押されていないときはスイッチ1、2を押しても出力0だが、スイッチ3が押されているときはスイッチ1,2のいずれかが押されると出力が1になる」というものはどうでしょうか。

制作のコツは何が起きているのか?を分析するということです。

スイッチ3が~の部分から、「スイッチ1と2のOR」と「スイッチ3」のANDだな、ということが分かります。なので…?

答えは以下です。できたでしょうか?

なお、toggleは単に切り替え式スイッチで、DCは電源、コンセントのようなもので本質的には気にする必要はありません。

f:id:selelab:20190811000526p:plain

実際に組んだ回路

次回の記事では本格的な回路として2進数の足し算を目指す予定ですので、そちらもお読みいただければ幸いです。

テスラコイルまとめ

kentamuです。オープンキャンパスで放電の基礎を勉強される方へ。

実用回路、用語は以下の通りです。是非製作の際参考になさって下さい。

 

用語説明

 

テスラコイルの種類

・2次コイルにのみ共振コンデンサがついている回路がSSTC

・SSTCの1次側に共振コンデンサをつけたのがDRSSTC

 

テスラコイルの共振周波数の作り方

・2次コイルの電流位相をカレントトランス(CT)により検知して制御回路に伝えるのが2次フィードバック。SSTC,DRSSTCどちらにも使える。自励式。

・1次コイルの電流位相をカレントトランス(CT)により検知して制御回路に伝えるのが1次フィードバック。DRSSTCに使える。自励式。

テスラコイルの共振周波数を発振器などで生成して制御回路に入力する。他励式。

大電流ゆえフィードバックの難しいDRSSTCで使いがち。

 

1次コイルの駆動

・通常ハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路が使われる。これらの回路はFETやIGBTという半導体スイッチで構成される。半導体スイッチのON/OFFを共振周波数で行うことで放電する。

・この半導体スイッチをON/OFFするのに使うのがゲートドライバ。半導体スイッチがONになると非常に大きな電流を流すことができる。ただし、ハイサイド、ローサイドの半導体スイッチが同時にONすると半導体スイッチに大電流が流れ、壊れる。それを防ぐためにデッドタイムといって両方の半導体スイッチがOFFの時間を設ける。

テスラコイルはデューティ比(パルスがONの割合)が50%なので、GDT(ゲートドライブトランス)を使用する事が多い。波形が訛り、勝手にデッドタイムが生成される。かつ制御部とパワースイッチング部を電気的に絶縁出来る。

・DRSSTCの場合、1次共振コンデンサを挿入するためLC直列共振回路により回路全体のインピーダンスは非常に低くなり大電流が流れる。ただしL,Cそれぞれのインピーダンスは有限であり、各素子の持つインピーダンス成分*大電流によって各素子の両端には高電圧がかかる。そのため1次コイル電圧が跳ね上がり、2次コイル電圧も上がって放電が伸びる。1次共振コンデンサの耐電圧、お勧めは5kV以上だ。ESR(等価直列抵抗値)の低いフィルムコンデンサを使用する。

 

2次コイルの接地

・2次コイルは必ずアースする。家庭のコンセントについてるアースでよい。

 

 

 

以降、回路製作に関する記事です。上から順にご覧ください。

 

注意点:以下の記事において共振周波数の式が出てきた場合、すべて反共振周波数の式になっていると思います。実際はテスラコイルを調相結合トランスと見た場合の直列共振周波数 fsc=1/(2*PI*((1-k^2)*L2C2)^(1/2)))だと思ってください。

 

*追記:この式が共振周波数の式かどうかも怪しくなってきました。

界隈のとあるグループが現在数値解析中です。

 

誰も正確な共振周波数が分からなくても調整すれば放電する、そんなもんです。

 

 

 

テスラコイルの回路理解のための基礎知識

selelab.hatenablog.com

 

テスラコイル(SSTC)回路全体像

selelab.hatenablog.com


ゲートドライブトランスの設計法

selelab.hatenablog.com


ゲートドライブトランスの計算式の導出

selelab.hatenablog.com

 

テスラコイルのインタラプター光ファイバー回路

selelab.hatenablog.com


テスラコイル(DRSSTC)の回路

selelab.hatenablog.com

 

 

LLCコンバータの設計

1ヶ月ぶりのkentamuです。

テスト前って工作のモチベめちゃくちゃ上がりますよね!

以前からなかなか作れなかったLLCコンバータもテスト前無限の進捗により一気に完成させられたので報告します。

*この記事もテスト勉強サボって書いてます(オイ

 

目次

1. LLCコンバータ

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製作したLLCコンバータ

皆さんはLLCコンバータという言葉を聞いたことはありますでしょうか?古くはサンケン電気にてSMZコンバータという名前で開発された超ローノイズスイッチング電源です。

LLCコンバータを聞いたことがある人でも実際に作った人は少ないのではないでしょうか。今回は専用のICを使わずにLLCコンバータを製作したので、ご紹介します。

余談:Twitterの学生メイカー界隈では以前にGammaさんという方が作られてます。敬服いたします。

 

LLCコンバータはハーフブリッジ型の共振型DCDCコンバータに分類されます。

DCDCコンバータとは何ぞや?という方は、基礎編がこちらにありますのでご覧ください。

 

selelab.hatenablog.com

 

LLCコンバータの特徴は、トランスの1次漏れ磁束と外付けの共振コンデンサでLC共振させることでソフトスイッチングを実現していることです。

なんといっても非常に少ない部品で高効率なコンバータが作れることが魅力的です。

詳細な動作、式の検討は平地研究室のブログで勉強しました。

一読されることをお勧めします。

 

平地研究室技術メモ No.20140529
LLC 方式 DC/DC コンバータの回路構成と動作原理

http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/20140529-3.pdf

 

ざっくり動作を説明すると、周波数を変えて出力電圧を制御します。通常のDCDCコンバータはパルス幅を変えて出力電圧を制御しますよね(PWM)、LLCコンバータではパルスのデューティ比が変えられないため周波数を変えて出力電圧を制御します(PFM)。

LLCコンバータの面白いところは、通常ですと嫌な奴「漏れインダクタンス」を積極的に利用して共振させるところです。漏れインダクタンスがわざと大きくなるように1次巻き線と2次巻き線をセパレートしたボビン上にまきます。

 

 

*通常だと漏れインダクタンスが嫌われる理由

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漏れインダクタンスとターンオフサージ

漏れインダクタンスに対して半導体スイッチ(MOSFET)でON/OFFすると、インダクタの「電流を止めても電流を流し続けようとする」作用のために逆起電力が発生し、MOSFETのドレインソース電圧が跳ね上げります。これがターンオフサージと呼ばれ、最悪の場合MOSFETを破壊します。

そのため、通常のDCDCコンバータ用トランスでは1次巻き線に2次巻き線が被さるようにコイルを巻きます。

 

 

等価回路と出力特性

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等価回路と周波数特性

上図をご覧下さい。 Cr,Lm,Lrと Cr,Lrによって形成される2つの共振周波数があり、出力電圧-周波数特性が山が2つあるような形を持ちます。

周波数が高いほど電圧が低く、周波数が低いほど電圧が高くなる領域(fr~fm [Hz])で回路を動作させます。

つまり、負荷によらず出力電圧を一定にするためにこの周波数領域でMOSFETをスイッチングするよう制御するというわけです。

 

2. 回路図と動作

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LLCコンバータの回路図

(高画質版はこちら)

 

今回はLLCコンバータ専用IC不使用で製作しました。これが電源オタクのつまらない意地です。

使用したICは、秋月電子に売っていたIR21531Sです。

汎用ハーフブリッジドライバを使用することでコストを抑え、回路規模を小さくすることができました。

 

動作について説明します。

IR21531Sは、CR発振器を持つハーフブリッジドライバで、発振周波数を回路図上のR3,R4,C4で変更できるのがポイントです。

発振器のCの値は固定で、Rの値を制御することで発振周波数を変えています。

先ほど、負荷によらず出力電圧を一定にするにはスイッチング周波数をfr~fmの間で制御する必要があるといいました。これを実現するのがまさにR3,R4,C4そしてフォトカプラです。

 

通常はR4,C4によって最低周波数fminでMOSFETをスイッチングします。

そしていつものようにTL431で出力電圧を監視し、目標値を超えるとフォトカプラがONします。すると、R3がC4と接続され、発振周波数が高くなります。

この機構により、出力電圧を一定に保つことができるようになりました。

負荷としてLEDを繋げた際の動画がこちらです。

 また、過負荷時はトランスの下側についている抵抗器で電流電圧変換をし、BSS138のスレッショルド電圧1.5Vを上回ると発振周波数が高くなり過電流保護します。

 

 

記事を書いていて、我ながらよくかんがえたなあと思いました。(小学生並みの感想)

 

3. 付録:設計シート

どなたでもLLCコンバータが作れるようにエクセルシートとシミュレーションファイルを作りましたので、ぜひ弄りまわしてご活用ください!

 

drive.google.com

drive.google.com

 

シミュレーションファイルはSIMetrix(フリー版)でお使いいただけます。

回路をSIMetrixで読み込んだらF11キーを押してパラメータを適宜変更してください。

(SIMetrixダウンロード:

製品のご案内:SIMetrix:デモ版ダウンロード|株式会社 インターソフト Inter Soft

 

4. エクセルシートの使い方

 

使い方は超簡単です。緑色のセルの表示に従って値を入力するだけです。

電圧電流、そして使用するMOSFETの値を入力すると共振コンデンサの値やトランスの巻き数やギャップ長などが計算されます。

めちゃくちゃ便利ですね、ハーフブリッジ型のLLCコンバータであれば専用ICを使う場合でもこの計算結果が使用できます。

 

ちなみに発振周波数を変えるとIR21531の抵抗値やコンデンサをデータシートを見ながら選ばねばならず面倒なのでfmin,frの値はそのままでいいでしょう。

 

一点注意なのが、トランスの特性をPC44材のPQ26/20コア用に限定してしまっているため、それ以外のトランスでお作り頂く際はトランスの特性を変更しなければなりません。

 

まずは、データシートからALvalue vs Center Pole Gap, AL vs NI limitなどのパラメータを入れましょう。そして、センターポールギャップの式も変更しましょう。

そして、ALleakというのがコイル1巻きあたりの漏れインダクタンスですから、それは実測しましょう。これはコアのギャップにかかわらずほぼ一定となるので、コイルをトランスに2つ巻いて(コアを付けて)片方を短絡させたときのもう片方のインダクタンスを見ることでnH/n^2の値を算出できます。

私は1次2次とも5回巻きで測定しました。

2次コイル短絡時の1次コイルインダクタンスの測定値が1.5uHだったので、巻き数5回の2乗(25)で割ると、42nH/n^2が出てきます。この値をALleakに入れるだけです。

超簡単ですね!

 

トランスの設計が終わったら付録のシミュレーションファイルの値やMOSFETのパラメータを変更して実行することでソフトスイッチングの可否を容易に検討できます。また、周波数特性も解析できるため、位相補償も適宜行ってください。

SIMetrixは解析が超速いSMPS用シミュレータでサンプル回路も豊富なのでぜひご活用ください。

*ちなみにこのシミュレーションファイルもサンプル回路の改造です。

 

5. おわりに

今回は専用ICを使わずにLLCコンバータを作る方法がお分かり頂けたと思います。

これもすべて先人の方々が知恵をインターネットに公開して下さったおかげです。

この記事を読んでコンバータに少しでも興味を持って頂けたら幸いです。

是非作ってみてください!!

 

参考:

http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/20140529-3.pdf

 

http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/20160212-1.pdf

 

https://www.fujielectric.co.jp/about/company/gihou_2014/pdf/87-04/FEJ-87-04-0268-2014.pdf

 

https://www.infineon.com/dgdl/AN-1160J.pdf?fileId=5546d46256fb43b301574c5eb7f37bc0

 

「DC/DCコンバータの基礎から応用まで」 平地克也