ＴＥ純正圧着ペンチの具合

 改修中の実験用電源、圧着端子が到着しまして、これで部品が揃いました。

ほんとは今日、秋葉に映画を観に行く予定だったのですが、
電源の改修作業を続行です。
（早く片付けないと他の作業が進められないので）

そちらについてはまた改めて書くとして、今回の本題へ。

この実験用電源ではTEの「2-520184-2」という圧着端子を使用しています。
AWG#20番線用のファスタンタブです。

この端子は汎用の圧着ペンチでは具合が悪い為、
専用ペンチである「58078-3」を使用して圧着します。

このペンチ、以前から手元に在ったものの、
「2-520337-2」という旗型の端子でしか使用してませんでした。
その為、一般的なストレート形状のタブ端子を圧着するのは今回が初めて。

てなわけで、「見せてもらおうか、TE純正の圧着ペンチの威力とやらを・・・」とか
謎なセリフを呟きながら作業を開始。

ん～～、圧着端子が嵌らない？？

悩むこと小一時間、「あれ？ロケーターが逆さまじゃね？」

ロケーターが上下逆になっていました。
インチの六角レンチなんて持っていないので外せないなぁと思いきや、
くるくる回る仕様になっていたので、180度回転させて解決。

これで圧着端子が本来に位置に来るようになっ・・・・・・・・た？
なんか微妙に収まりが悪いです。
圧着コマと端子の圧着部が微妙にズレてる感じ。
もう少し前に出てくれればジャストフィットなんですが、
ロケーターで止められてるので　これ以上は前に出ません。

物は試しと圧着してみたら、力で押し込むような形にはなりますが、一応圧着できました。
でもこれなら、ロケーター無い方が作業性良いかもしれず。

肝心の圧着具合ですが、芯線の方は全く問題無い感じ。
では被覆の方はと言うと・・・・・・・こっちは潰されないんですね。
TEの仕様の模様。

ニチフ等の被覆付き圧着端子を圧着すると、被覆部も成型されて、
電線がホールドされる感じになりますが、
TEの場合、芯線部しか圧着されません。
なので電線に振動が加わったりすると芯線の圧着部に直に力が加わる為、
断線の懸念が出てしまいますね。

これならばPANDUITの圧着端子を汎用ペンチで圧着した方が良いかもしれません。
残念ながらPANDUITの端子は持っていないので比較が出来ませんが・・・・・

改修中の実験用電源の一部の話

 先の書き込みで出力４系統有る旨を書きましたが、
その内の-12V系統についての話です。

 こんなに出力系統が存在するにも関わらず、
単発品なので専用トランスが用意できなかった為、汎用トランスを使用してます。
その為、出力タップの制約を　どうしても受けてしまうことになります。

その結果、-12V系統には22.5Vの出力タップを使う事になってしまいました。
普通に考えればDC12V出力用のトランスとなると、
15～18V位の出力品を選択されるかと思います。

それと比べれば22.5Vは数割電圧が高いわけですが、
これで致命的な不具合が起こるか？と言われると、そうとも限りません。
22.5Vに√2をかけると約31.8V。
実際には整流ダイオードの電圧降下も有るので、いいとこ30V位でしょう。

レギュレーターの最大入力電圧が30Vに耐えられるなら、壊れはしないわけです。
しかし当然のことながら発熱は凄いことになります。
特に今回の出力は最大2A。
大雑把に18V×2Aで36Wも発熱することになります。
相当放熱をしっかりしないと、オーバーヒートでレギュレーターが逝ってしまいます。

そんなわけで、なるべくレギュレーターへの入力電圧を下げたいところ。
そこで思いついたのが整流方式の変更。
メジャーなブリッジ整流を使用せず、半波整流を使うことにしました。

しかし、実際に思った通りになるのか、念の為に予備実験をしてみます。

6Ωの負荷をレギュレーターに繋ぎ、12V2Aが最終負荷とします。
トランスのタップは前述した通り22.5V。
整流後の平滑コンデンサーは10000μFを１個入れてます。
あとは整流方式等を変えつつ、レギュレーターの入力部の波形を見て行きます。

まずは比較参考用としてブリッジ整流の場合です。

 

これが入力部のDC波形。
大雑把に27～29V位の波形になってます。
平均で約28Vというところ。

ちなみにAC接続で波形を見たのが以下。

 

ピークtoピークで約1.7V位の波形ですね。

 

では次に、整流ダイオードを変えて 半波整流してみます。

まずはDC波形。

 

当然ながら、リップルの周波数が変わりましたね。
肝心の電圧を見てみると、平均値はほぼ一緒ですが、
リップル波形が大きくなりました。
これも予想通り。

これらの波形はレギュレーターの入力部で測定と前述しましたが、
要注意ポイントは15Vを下回らないか、という点。
12V出力のレギュレーターは入出力電位差が3V以上要求されています。
ということは最低15V入れてやらないと、安定して12Vが出せないんですね。

上の波形、-15V辺りにオシロ入力の0Vをシフトさせてます。
なので、15Vのラインは画面センターの辺りということになります。
波形を見る限り約10V位マージンがある感じ。

リップル波形の拡大が以下。

 

ピークtoピークで約3.8V位でしょうか。

変な高周波ノイズも載っていないので、
このくらいのリップルはレギュレーターがほぼ相殺してくれます。
（完全とは言いませんが）
精密電源ならともかく、一般のDC電源なら問題無いレベルです。

しかし、半波整流にしても僅かしか電圧落ちないのが　ちょっと残念なところ。

そこで更に抵抗を挿入してみましょう。
仮に1Ωの抵抗を挿入した場合、2Aで2Vの電圧降下。
もしかしたら2Ωとかでもいけるか？？

平滑コンデンサーが10000μですから、
1Ω抵抗と合わせた平滑フィルターの周波数は約16Hz。
リップル低減にも役立ちそうです。

というわけで1Ω抵抗を入れてみた波形がこれ。

 

オシロのSSを撮るのが早すぎで何やら横線1本入ってるのはご容赦を。
しっかり電圧ドロップしてますね。

波形拡大がこれ。

 

ピークtoピークで約3.3V位なので、フィルターの効果が出てる模様。
しかし予想以上に電圧ドロップしてますね。
平均電圧は約18V位のようなので、最低電圧のピーク約16.3Vという感じでしょうか。
一応15Vは上回っているので大丈夫に見えますが、
大元であるコンセントのAC100Vが電圧変動起こして95V位まで下がった場合、
たぶん15Vを切ってしまいそうな雰囲気です。
それを考えると、1Ωの挿入は厳しい模様。
いやぁ、まさかこんなに落ちるとは予想外でした。
やはり予備実験は行ってみるものですね。

ということで、挿入抵抗を0.5Ωに変更して、再度テスト。

 

ご覧通り、平均22V位まで上がりました。

波形を拡大してみると

 

ピークtoピークで約3.5V位でしょうか。
やはりフィルターの効きは甘くなってしまったようですが、致し方無し。

電圧最低値は約20Vなので、これならコンセントの電圧が落ちても大丈夫でしょう。

ということで、0.5Ωの抵抗挿入で確定とします。

まぁ上記は最大負荷の2Aを流した場合の話なので、
実は1Ωでも構わないんじゃないかという疑惑は有りますが・・・・・（笑）

電解コンも到着

 Digi-Keyに注文してた電解コンが到着。
これで実験用電源の基板部品が全て揃いました。

早速実装。

上から見るとスカスカ感がありますね。（笑）
この基板から電線が生えるので、実際には　もうちょっと窮屈になります。

ちなみに裏側は　こんな感じ。

 

 

電線２本飛んでるのは修正ではないですよ！！（笑）
太めの線なので表を飛ばすのが　ちょっと厳しくて、裏面で繋いでます。

今週中には全部材が揃うはずなので、今週末には完成できるかな？

電源改修の進歩

 秋月電子から通販で部品購入３回に飽き足らず、昨日は店舗で部品購入。
如何に細かい仕様変更を加え続けてるかという話。（；；

それはさておき、結構部品が揃ってきたので、組立作業に着手。
と言っても、仮組みに近いニュアンスなのですが。
実際に組んでみて、予想外の不具合が無いかを確認します。

3D-CAD上で設計してるならば、この点はほぼクリアーしてるはずですが、
今回の電源装置は3D-CADどころか、2D図面すら存在してません。

で、何か不具合出たかと言いますと、2個目のトランスの取付穴がNGでした。
既存の穴１つに加え、新規で開ける穴1つで固定する予定でしたが、
新規の穴がゴム足に干渉することが判明。
ゴム足を削ることも考えましたが、トランスの位置を1ｃｍずらすことに。
すると既存の穴も使えなくなるので、新規で穴２つ開けることになりました。

そんなこんなで現状の進歩写真などを。

 

 

これが背面部の内側。
交換品が入手不可な3端子レギュレーター以外は全て新品部品へ。
売り物ではないので、手加工がちと汚いのはご容赦を。
（と言っても、この部分は私が加工したものではないのですが（笑）

 

こっちが背面部の外側です。

六角スペーサーが４本突き出ていますが、これは最終的に冷却ファンが取付きます。
改修前は自然空冷仕様だったのですが、可変電圧出力の強化に伴い、
冷却も強化することにした次第。
秋月電子なら500円くらいでファンが買えるので、大した費用増加でもないですし。

そんなわけで、どんどん先に進みたいところですが、
実はまだ部品が揃っていないんですね。
なのでぼちぼちと進めていく感じに。

実験用電源を改修中

 電子工作を行ってるなら、何かしらのDC電源をお持ちかと。
ご他聞に漏れず、私も自作の電源を使用しております。

なぜわざわざ自作品なんか使っているかと言いますと、マルチ出力品だから。
トランス容量の問題で全出力最大電流での同時出力は無理なのですが、
+5V 2A
+12V 2A
-12V 1A
3～16V可変 5A
の4出力を持っています。

この電源、札幌に居た頃から使用していた代物なので、相当年季入ってます。
以前、小規模な改修を行ったことはありましたが、
全体のメンテは　今まで行ったことがありませんでした。
そこで、ちょっと時間が取れそうだったので消耗部品交換を行おうと、
久しぶりに中を開けてみたわけですが・・・・・・・

電解コンが液漏れしてる！！

いやぁ、やっちまいました。
可変出力の基板上に載ってる出力コンデンサーが逝ってました。
おかけで銅箔パターンも　ガッツリ腐蝕。
もう基板も換えるしかない感じです。

改めてよく見てみると、この電解コンは85℃品。
札幌に居た頃は　今ほど入手可能な部品のバリエーションが広くなかったので、
仕方無い選択だったのでしょう。
というか、そもそもこんな長期に渡って使用するとは思ってなかったんですね。（笑）

というわけで、ユニバーサル基板で新たな基板作成も含め、
内容を大幅にリニューアル中です。
ほんとうは各固定電圧系統に使用している3端子レギュレーターも新品交換したいとこですが、
このサンケン電気のレギュレーター、既に廃止品で入手不可！！
これらは続投してもらうしかないです。

今回のリニューアルではトランスを１つ追加します。
これにより、+5Vをフル出力しても、他系統に影響しなくなります。
しかし現在、トランスの入手性が激悪ですね。
幸い、今回は手持ちのトランスが使えたのでラッキーでしたが、
新規で購入する必要が場合、ちと詰んでたかもしれず。

出力端子のジョンソンターミナルも表面が汚れてきたので交換したかったが、
同型の在庫がほとんど無く、見つかっても１本２千円近くする！！
金メッキ品でもないのにこの値段は　どうなってるんでしょうね？
全部で8本も使いますから、こんな値段では交換は無理です。（；；

ところで可変電圧系統の制御にはLM723を使用しております。
もちろん外付けトランジスタも加えて。
で、今までの基板ではCANタイプの723を使用していました。
放熱器も付け、なるべく温度変化を最小する為です。

今回、これも交換しとこうかなと思いきや、これも１個２千円近い！！
たかが723ですよ（笑）
さすがにこの値段は無いなと思い、DIP品に置き換えることに。
こっちは１個100円でした。

昨日・今日と到着した部品を元に配置予定を確認。
片ラグで取付予定だった大型電解コンの具合がよろしくない。
正確には片ラグのサイズが足りない。
もっと大きな片ラグが欲しいのですが、入手性に問題有りで、ちょっと難しい感じ。
これは単純に需要減に端を発するメーカーの供給の問題なのかな？

この実験用電源、出力の安全保護としてサーキットプロテクターを使用しています。
ヒューズでも一向に構わないのですが、実験中に飛ばしまくると、
なんとなくヒューズが　もったいないかなぁという意向で。

サーキットプロテクターはIDEC製のものを使用しています。
接続部は#250のタブ端子になっていて、ハンダ付けも可という仕様。

ファスタンタブを揃えていなかったので、ハンダ付けで結線していたわけですが、
今回、バラす為に再加熱しておりまして、熱ストレスが気になるところ。
その為、サーキットプロテクターも全て更新することにいたしました。
これだけで6000円オーバーです。（；；

結線ですが、今回はファスタンタブを使用することにします。
#250用のタブ端子ですと、ニチフのTMEDN630809-FAがメジャーでしょうか？
入手性も良いので、私も使用機会が多い代物。
ですがこのタブ端子、1.25sq用なんですね。
裸圧着端子ならともかく、被覆付き圧着端子なので、せいぜい0.75sq位までが守備範囲。

しかし今回の電源、一部を除く主要配線には0.5sqの電線を使用する予定。
するとTMEDN630809-FAでは具合が悪いわけです。
そこでTEの2-520184-2を用意することにしました。
このタブ端子は0.3～0.8sqが守備範囲という代物。
いわゆる細線用という感じです。
ただネックがありまして、専用の圧着工具が必要なのです。

汎用の被覆付き圧着端子用工具には、0.3sqや0.5sq用というコマが存在していますが、
これは汎用規格の丸端子やY端子等用のコマでして、
TEの2-520184-2には合致しないんですね。

被覆付き圧着端子というのは直接導体部を潰さない分、
圧着作業がデリケートな代物。
なので正規の圧着が行えないのなら、むしろ使わない方が安全です。

しかしなんと、手元にTEの2-520184-2用の圧着工具が有るのですよ。
私の所有物ではないのですが。（笑）
なので全く心配無く圧着加工できるわけです。

余談ですが、同様のタブ端子はPANDUITからも出ています。
こちらは形状的に汎用の被覆付き圧着端子用工具で圧着出来そうなのですが、
だれか検証して見る方、いらっしゃらないかな？

ロジック信号のレベル変換について

 昨今、ICの低電圧化が進んでいることから、昔のようにロジックIC=電源は5V、
ということは無くなってしまいました。
これはロジックICに限らず、マイコンにも言える話で、
最近リリースされるマイコンでは、電源電圧3.3Vという物が増えてきました。

これらが電圧を気にせず使えるのなら、特にどうということもないわけですが、
実際には大抵の場合、信号の電圧レベルを意識する必要が有ります。

そこで必要となるのがレベル変換器となるわけですが、
そう頻繁に使う代物でもないと思うので、簡単な基礎的知識を書いてみます。

まずレベル変換器は大別して3種類に分けられます。

①プルアップ抵抗＆オープンコレクタ素子

これは、H -> Lの遷移のみを半導体素子でドライブし、
L -> Hの遷移はプルアップ抵抗任せというもの。
半導体素子の耐圧を超えない範囲で、任意の電圧レベルに変換可能です。

この方式の歴史は古く、有名なICとして74LS07が有ります。
このICの出力端子は30Vまでの耐圧を持っているので、
TTLレベルの信号を24Vの信号に変換することも可能です。

②プルアップ抵抗＆ダイオード

これはL -> Hの遷移はプルアップ抵抗任せという点では①と同じですが、
H -> Lの遷移時、Lに引っ張るのはレベル変換器に接続されたデバイスです。
逆流を防ぐ意味で、ダイオード相当のものが挿入されますが、
実際にはFETが使用されます。

昨今話題になったFETとプルアップ抵抗を組み合わせた相互レベル変換回路もこの応用です。

 

また、この方式を使ったレベル変換ICもメーカーから出ており、
これらはバススイッチ等と呼ばれています。
製品例：　東芝TC7MPB9307

この方式は割りとお手軽なのですが、要注意点も有ります。
１つ目としてLに引っ張るのがデバイス自身という点。

デバイスがLに引っ張るのは当たり前じゃないかと言われそうですが、
例えばマイコンと74HC17を繋いだ際、マイコンがLに引っ張るのは74HC17まで信号線です。
その先の信号線をLに引っ張るのは74HC17の役目。

ところが、バススイッチを使った場合は、全信号をマイコンが引っ張ることになるのです。

PICマイコンであれば20mA位まで電流を引っ張れるので、
問題になることは少ないと思いますが、
もっと電流ドライブ能力の少ないデバイスを使う場合は、気にする必要があるかと。

２つ目としては、Hに引っ張るのがプルアップ抵抗という点。
一般的にプルアップ抵抗は10KΩや47KΩという値を使うケースが多いかと。
しかしこの回路のプルアップでは、そんな高抵抗だと立ち上がりが非常に遅くなります。
立ち上がり時間を高速にしたい場合には、470Ωや1KΩといった、
低抵抗を使う必要があります。
すると、システムの消費電力が増加するのみならず、
１つ目に述べたデバイスの電流ドライブ能力に注意する必要が出てきます。

お手軽なように見えて、ちょっとやっかいな代物なのです。

③専用ロジックIC

異電圧レベル間の繋ぐ為のロジックICというのが存在します。
テキサスインスツルメンツであれば、SN74LVCC4245AやSN74LVC1T45といった製品です。
これらは2つの電源系統と各々に対応したロジック入出力端子を持っています。
いわゆる74ロジックICの仲間ですから、速度は十分に速いです。
見かけ上の論理はバッファとして動作するので、信号伝達は単方向になります。
一時期と比べ、製品の種類が淘汰されてしまった感が有り、
入手性も昔より悪化してる感じがします。
しかしながら、②の方式のように電流ドライブ能力を気にする必要がないことから、
低消費電力の機器には　もっとも向いてると思われます。

差動信号線のパターン設計の話

 皆様、あけましておめでとうございます。
惰眠を貪っている間に新年が来ていたコナンです。

今年最初のネタは差動信号線のパターン設計について。

新年早々、USBが載った基板を設計することになったのですが、
USBの信号線は差動ラインでございます。
なので差動信号線としてインピーダンスマッチングしたパターンを引く必要があるわけですが・・・

そこで、文献やら各種計算サイトを調べてみると、各々で結構な差が有るんですね。
時間とお金が有るなら、実測用の基板を作って、実際のインピーダンスを測ってみる、
なんて手もありそうですが、さすがに私には無理。

そんな最中、これはアテになりそうと感じたのが、Kicad付属の計算ツール。

これが実際に先日設計した基板の値です。

この計算ツールで感心した点は、２本の信号線が同相か逆相かで、
それぞれの値を算出できること。

USBの信号線は差動信号なので逆相信号ということなります。
なのでこのツールだとZdiffの値になりますので、
Zodd×2という計算になるそうな。

上記の表だとZoddは 57.7662Ωなので、2倍すると115.5324Ω。
USB信号線インピーダンスは90Ωが規定値らしいので、まぁ許容値かと。
90Ωに対して約30%もプラスじゃないか！という指摘が出そうですが、
そもそも115.5324Ωという値が合ってるのか？という話もあるので、
あまり深く突き詰めても意味が無いと判断したわけです。

ちなみになぜ計算値に疑念が有るのかという話ですが、大きく２つ。

１つ目は計算式について。
どういう理論に基づくかによって計算式が変わるようなので、
こちらではその点に付いて追いかけられませぬ。

２つ目は与えるパラメーターについて
上記の表を見て頂ければ解るとおり、ツールに対して与えるパラメーターは結構多いです。
しかしほとんどはデフォルト値を使っています。
私の方で入力したのは基板厚、パターン厚、パターン間距離、パターン幅くらい。
これ以外の値を正確に出そうとすると、実物の基板解析が必要になるので現実的に無理。

というわけで、計算値は　あくまで参考値という扱いにしかならないのです。