My Blog

前回の低価格で入手可能な５Ｖ昇圧ＤＣＤＣの続きでオシロスコープで観た結果を追加

環境

入力３．６Ｖで５Ｖの昇圧出力，負荷はセメント抵抗で１００Ω（５０ｍＡ）と５０Ω（１００ｍＡ）の出力波形を観察した

出力波形

オシロスコープの表示は縦目盛りを０．５Ｖにして５Ｖが中央になるように（０Ｖは画面下方外）スクロールしている

尚，左が１００Ω（５０ｍＡ），右が５０Ω（１００ｍＡ）の結果

（１）セリア ＵＳＢ ｃｈａｒｇｅｒ

（２）ダイソー モバイルバッテリー

（３）中華 ＤＣＤＣボード

結果

セリアのリップルは問題になる程ではないが１００ｍＡになると大きくなっているのが判る

ダイソーはリップルが多く（０．３０Ｖ位だけど）出力５００ｍＡまで使えるのは良いが使うのにためらいを感じる

ダイソーのボードを観るとコイルが基板から浮いているので影響しているのかもしれない

中華はオシロスコープのノイズのみで実質リップルは観られない（５０ｍＡ→１００ｍＡで電圧降下もない）

 

拙者はＡＶＲを３．３Ｖで使用すること多いが稀に５Ｖで使うことがある

単純に５Ｖを用意すれば良い訳だが運用でなるべく以下のバッテリ（２種）を組み込んで利用したい

（１）秋月のＮｉＭＨバッテリ３．６Ｖ（使用電圧範囲３～３．８Ｖ位）

• コンパクトながら８３０ｍＡｈと容量があるので長く使用できる

（２）100均ライターから取り出したリポ（使用電圧範囲３～４．２Ｖ位）

• 基板ごと取り出してヒーター部を外す
• タクトスイッチは付け替え電源スイッチとする
• このままＵＳＢ充電できるので便利
• 容量は少ないので低消費電力運用時利用となる

そこでポータブル用途として使うのを前提に扱い易い５Ｖ昇圧ＤＣＤＣを検討してみた

昇圧回路の自作

最初に思いつくのは基板上に昇圧回路を組み込んでしまうことだ

そのためのパーツとしてＨＴ７７５０Ａを購入してあるのだがデータシートのように性能がでないようである

気の迷いさん，電気の迷宮さんを参考にさせてもらっても面倒そうに思える

なので今回は（ＨＴ７７５０Ａ版を含めて評価してみようと思ったが止め）１００均の昇圧商品や既に購入してある中華のＤＣＤＣボードなど出来合いの物だけで評価する

チョイスした昇圧ボード

評価してみる昇圧ボードは以下の３つ

（１）ＵＳＢ ｃｈａｒｇｅｒ

• セリアの商品
• 単３アルカリ乾電池または充電池×２個使用
• ＤＣ５．０／最大出力不明（おそらく１００～２００ｍＡ位）

（２）モバイルバッテリー

• ダイソーの商品
• 単３アルカリ乾電池×２個使用
• ＤＣ５．０／５００ｍＡｈ（最大出力）

（３）中華のＤＣＤＣボード（Rasbee DC-DC 2A Boost ステップアップ 転換モジュール）

• 中華製品
• １個（税込み）１００円（以下）
• 最大出力電流：２Ａ
• 入力電圧：２V～２４V，最大出力電圧：>２８Ｖ

出力５Ｖ５０ｍＡ固定で入力電圧を変動させ効率の測定

• ＡＶＲで使用される電力での効率測定
• 中華は２Ｖから動作仕様
• 使用するバッテリの電圧範囲である３～４Ｖ間で中華は９０％近く優秀だがダイソーは７５％で電圧が高い程よろしくない

入力電圧３．０Ｖ，３．６Ｖ，４．２Ｖでの負荷変動による出力電圧と効率の測定

（１）セリア ＵＳＢ ｃｈａｒｇｅｒ

• ３．６Ｖと４．２Ｖは値が同じ
• １４０ｍＡを超えると電圧が保てないので止め

• １４０ｍＡを超えると電圧が保てないので止め

（２）ダイソー モバイルバッテリー

（３）中華 ＤＣＤＣボード

• 出力電圧は無負荷で５．０３Ｖにしてある
• 安定した出力電流が得られていた

評価結果

ダイソーのモバイルバッテリーは５００ｍＡまで出力できるのだが効率が悪いので入力に余裕が必要

５０ｍＡ位の出力ならどれを選択しても出力電圧は問題はないだろう

出力電圧を調整でき安定した電流を流せる中華のＤＣＤＣボードがコストパフォーマンスも高く抜けている

その他

オシロによる波形測定を忘れていたので後で追加する

秋月電子のニッケル水素電池パックは安価で何かと使える３．６Ｖ充電池である

これまで（リポを外した）ダイソーのＵＳＢ充電ライターの充電機能を利用して充電していた（真ん中のパーツ）

充電は問題なくできるのだがリポ用のため完全な満充電にはならないのが欠点

今後充電する事が増えそうなので専用の充電器を作製しようとしたら実は半年前に作製しようと設計していた（いろいろあって中止し忘れてしまっていたようだ）

ＡＴＴＩＮＹ１３ａで充電制御する方式で設計，スケッチがまだなのでプログラミングしていたが，今のところ先日の充電器で十分なため記録だけにしておく（他に完了させないといけない物があるので落ち着いたら組み立てる予定）

上記の回路は問題があり正常に充電できません！（Nch FETにして，スケッチを修正，印加電圧も要調整）

暫定仕様

• 全体の８～９割までは５００ｍＡの急速充電
• 残りの１～２割は５０％位で充電
• 最終充電電圧を１０秒間保持できていたら充電完了
• ＬＥＤの点滅具合で充電状態が判るようにする

スケッチ

//
// ATMEL ATTINY13 / ARDUINO
//
//                 +-\/-+
// ADC0 (D 5) PB5 1|    |8 Vcc
// ADC3 (D 3) PB3 2|    |7 PB2 (D 2) ADC1
// ADC2 (D 4) PB4 3|    |6 PB1 (D 1) PWM1
// GND            4|    |5 PB0 (D 0) PWM0
//                 +----+
// 1: Reset
// 2: LED
// 3: Serial Out
// 4: GND
// 5: PWM（FET SW）
// 6:
// 7: ADC（充電池電圧確認）
// 8: Vcc 3.3V
//
#include <avr/io.h>

#define BAUD_RATE 38400
#include <BasicSerial3.h>

#define PIN_ADC        1                               //PB2(ADC1)
#define PIN_LED        PB3                             //LED
#define PIN_OUT        PB4                             //SerialOut(Debug)
#define PIN_FET        PB0                             //FET

#define MCHR_VOLT      (1400*3)                        //最大充電終止電圧（ｍＶ）
#define LAST_VOLT      (1420*3)                        //充電終止電圧（ｍＶ）

static void serOut(const char *str) {
    while(*str) TxByte(*str++);
}

//確認用シリアル出力
static void voltOut(int v) {
    char bf[8];

    itoa(v, bf, 10);                                   //10は十進数
    serOut(bf);
    serOut("mV\r\n");
}

//電圧（ｍＶ）
static int voltRead() {
    ADCSRA = (1<<ADEN)|(1<<ADSC)|(0<<ADATE)|(0<<ADIF)|(0<<ADIE)|(0b100);
                                                       //ADC#3
    loop_until_bit_is_set(ADCSRA,ADIF);                //ADC#4
    long v = (long)ADC;                                //long v = (long)analogRead(PIN_ADC);
    v *= 5000;                                         //基準電圧５Ｖ
    v /= 1024;
    return((int)v);
}

void setup() {
    DIDR0 = _BV(PIN_ADC);                              //ADC#1: pinMode(PB2, INPUT);
    ADMUX = (0<<REFS0)|(0<<ADLAR)|PIN_ADC;             //ADC#2: analogReference(DEFAULT);
    DDRB = (_BV(PIN_LED)|_BV(PIN_FET)|_BV(PIN_OUT));   //pinMode(PIN_LED, OUTPUT);
                                                       //pinMode(PIN_FET, OUTPUT);
                                                       //pinMode(PIN_OUT, OUTPUT);
    OSCCAL = 91;                                       //87 - 96 (91, 92)
}

void loop() {
    int volt;

    serOut("Begin.\r\n");

    //ＭＡＸ充電
    while((volt = voltRead()) < MCHR_VOLT) {
        voltOut(volt);
        PORTB |= _BV(PIN_LED);                         //digitalWrite(PIN_LED, HIGH);
        PORTB |= _BV(PIN_FET);                         //digitalWrite(PIN_FET, HIGH);
        delay(4000);
        PORTB &= ~_BV(PIN_LED);                        //digitalWrite(PIN_LED, LOW);
        delay(1000);
    }

    //残りを５０％充電で完了させる
    int final = 5;
    do {
        voltOut(volt);
        PORTB |= _BV(PIN_LED);                         //digitalWrite(PIN_LED, HIGH);
        PORTB |= _BV(PIN_FET);                         //digitalWrite(PIN_FET, HIGH);
        delay(1000);
        PORTB &= ~_BV(PIN_FET);                        //digitalWrite(PIN_FET, LOW);
        PORTB &= ~_BV(PIN_LED);                        //digitalWrite(PIN_LED, LOW);
        delay(1000);
        if((volt = voltRead()) < LAST_VOLT) final = 5;
    } while(--final != 0);

    //終了
    serOut("End.\r\n");
    PORTB &= ~_BV(PIN_LED);                            //digitalWrite(PIN_LED, LOW);
    for(;;);
}

コードサイズ

• arduinoのライブラリを利用すると1Kbytesを超えた
• ADCを直接ハードウェア操作することで210bytes減る
• その他も直接操作で最終的に780bytesになっている
• 確認用のシリアル出力は削除できる

ADC関係

• ADC#1: デジタル入力抵抗を無効（消費電流が減る）
• ADC#2: REFS0＝Reference: 0でVCC参照, 1で1.1V内部電圧源，ADLAR＝0:右詰め，1:左詰め，下位2bitで00から11までADC0からADC3
• ADC#3: ADEN＝ADC有効，ADSC＝ADC開始，ADIE＝完了割込許可，下位3bitがクロック指定
• ADC#4: ADIFビットが1の間はAD変換中

警告や終了を音で通知するためにメロディＩＣを購入

（本当は１年前に購入していたのだけど）

いつものほったらかし状態から突如，まずは鳴らしてみようとした・・・が・・・結果はかなり嵌った（つまり楽しめた）

チョイス

メロディＩＣは三端子メロディＩＣ（ＵＭ６６ＴｘｘＬ）等を３種（５曲オルゴールＩＣも先に購入したけど触るのは後になることに）

ＵＭ６６ＴｘｘＬ共通仕様

• 動作電圧範囲：１．５Ｖ～４．５Ｖ
• 消費電流：１６μＡ（Ｔｙｐ．）

音の出力は大体は小さい物に組み込むことになるので，サイズ・電力的に大きなスピーカーにするわけにはいかないため圧電ブザーと圧電サウンダを選択

電子ブザー（２４ｍｍ）ＰＫＢ２４ＳＰＣＨ３６０１

• 発振周波数：３．６ｋＨｚ（電源ＤＣ１２Ｖ時）
• 定格音圧：９０ｄＢ（電源ＤＣ１２Ｖ時, １０ｃｍ）
• 動作電圧：ＤＣ ２～２０Ｖ
• 消費電流

　１．８ｍＡ（電源ＤＣ２Ｖ時）
　２．８ｍＡ（電源ＤＣ３Ｖ時）
　５．０ｍＡ（電源ＤＣ５Ｖ時）
　９．０ｍＡ（電源ＤＣ９Ｖ時）
　１３ｍＡ（電源ＤＣ１２Ｖ時）

圧電スピーカー（圧電サウンダ）（１３ｍｍ）ＰＫＭ１３ＥＰＹＨ４０００－Ａ０

• 動作電圧範囲：３０Ｖｐ－ｐ以下

実は，圧電ブザーと圧電サウンダ・圧電スピーカーの違いを知らずに，とりあえず圧電ブザーと圧電サウンダを購入していた

基礎知識（後付け）

• 圧電サウンダと圧電スピーカーは同じ（以降，サウンダで記載）
• 圧電サウンダは音が鳴る圧電振動板のみの部品で発音には外部に励発振回路が必要となる
• 圧電ブザーは圧電サウンダに自励発振回路を組み合わせ一体化したもので直流電源があれば発音する

ファースト発音

接続は以下のとおり

画像クリックで動画（左：圧電ブザー，右：圧電サウンダ）

発音は簡単にできて（左）電子ブザーだと終了音程度なら音量的にも十分

しかし電子ブザーはサイズが大きいため，できれば圧電サウンダを使いたい

そこで難点である音量を増大することを試みる

メロディＩＣ

まずはメロディＩＣの波形を観る（左：画像クリックで動画，右：パルス拡大）

音階の出し方はＦＭ音源が実装される前のＰＣ（ＡｐｐｌｅＩＩ，ＭＺ，ＰＣ８００１とか）など知っていれば判るが，要は矩形波の密度（周波数）を変えることで音階を出している訳だ（ＰＣ８００１なんか圧電ブザーで苦心の音階を出していたなぁ）

圧電振動版への電圧増加

圧電サウンダの音量を上げるには圧電振動版を大きく振動させることになり大きく振動させるには圧電振動版への電圧を上げる

ＴｒとＦＥＴへ変更版で確認（どちらもスイッチ的使用）

圧電サウンダは電圧を与えないと鳴らない（電圧駆動）ため並列で抵抗を入れる

⇒

Ｒ１を，１ｋΩ，１００ｋΩ，３３０Ωと変更してみたところ１ｋΩが一番大きい音量であった

圧電振動版へ３Ｖ，５Ｖ，１２Ｖと変えて与えてみると少しは大きくなるが大して音量は上がらない

更に電圧を上げても大幅に変化しそうにないと考え止めた

１つの結論

電圧を上げても劇的には音量はあがらないようだ（警告音とかは瞬間的に大きい電圧を発生しているらしい）

では何故電子ブザーは，それなりの音量を発生させているのか・・・調査すると共振を利用しているようだ

そこで試しに圧電サウンダを基板に付け共振させてみる（動画はなし）と・・・

音量が上がることを確認，美味く共振させれば十分な音量になりそうな感じだ

最終的な回路は以下とした（発生起電力を抑制するためダイオード入れた）

追加

周波数の違いによる音量の変化を確認（デサルフェータ―で作製したパルスジェネレータを改良して実験）

３ｋＨｚの音量が大きかった（だけど・・・耳が年なんで強弱は判断できないだろうと思う）