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2018年10月

階段ライト2

【10/25改定:不安定の原因はCdSの感度調節と設置だった。】
【2019/1/28:PIRを2個にした。】
階段ライトを作った。結局、失敗⇒簡略化した。(★実は失敗ではなかったらしい)
[階段ライト:http://jyougasaki-2.cocolog-nifty.com/blog/2018/10/post-7a9b.html]
充電池は2本づつペアで充電するので、電源電圧が2.4Vでの運用が楽なので、
前回は、DC/DCコンバーターを2個使って、回路を組んでみた。
とりあえず動くのだが、動作が若干不安定だった。
原因を100%解明はしていないのだが、
人感センサー内部の回路の増幅率が高く(★脚注あり)、
多分コンバーターが発する高周波ノイズを拾っているのだろう。
これを抑え込むことは、今回は成功しなかった。
それで、前回書いた(A案)の、3.6Vで運用し、全て直流で回路を動かすことにした。
これならば電子ノイズは発生すないはず。
単3電池3本を楽に収納できるようにケースを大型とした。

2_2

ずいぶんと簡略化された。
LEDの電流制限抵抗は3.3Ωした。これで、ほぼLEDは安定して点灯している。
LEDへの電流値は、たぶん限界を超えているとは思うが、アルミ製の大型の反射板を放熱器としてあるので、少々の発熱には十分に耐えられると思う。
実は、これでも、暗条件で断続的な点滅を繰り返した。
LEDの光が明暗センサー(CdS)側に迷い込んで、人感センサー(PIR)をoffして、遅延した反応によって全体として発振状態を作り出しているようだ。
CdSの裏側を緑色(黒が無かった)のビニールテープで覆ってみたところ、この発振状態は消えた。
電源の平滑のつもりで100μFのコンデンサーも設置した。
(上記の発振状態は止まらなかった)
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[★★10/25追記]CdSの感度調節用の抵抗を、当初1MΩとした。(<数Luxでon)
これだと暗闇で試験しているときは良かった。
しか、し実際にセットを窓際に設置したところ、動作が不安定になった。
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①CdSが屋外の光や、このセットのLEDの明かりに反応して、セットは一旦offする。
②直ぐに暗黒になるので、onする。
③この時、赤外線の動きが無くともセンサー回路の不安定さから一旦onする。
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どうやら、これが原因らしい。
①センサーの感度を330KΩに変更した。(<500Luxでon)
②センサーの背後に5×7cmの黒色の紙を貼り付けてLEDからの迷光を少なくした。

これで安定して動くようになった。
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【結果】
今の所動いています。
【試しにやってみました】
★焦電センサー(PIR)を裸で動かしてみた。
RLに50KΩを結合し、オシロで電圧の変動を見てみた。
センサーの前で手をゆっくりと動かすと、それよりゆったりとした数mVの電圧変動が観察される。
これを増幅することは可能だが、(1)ノイズとの識別、(2)ゆっくりとした変動の検出、は、とても難しそうだ。
(2)だけでも大変で、それでセンサーセットの内部に安定化電源ををセットしていると考えられる。
今回は、SB00412A-1 の誤接続対策の入力に設置されているダイオードをスキップして電力を供給した。これだと、低ドロップの安定化電源ICのおかげで、3.6Vを供給して0.3V程度のマージンで、内部に3.3Vの電圧を供給できている。

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階段ライト

【★10/23;加筆・改定しました。結局電子ノイズに負け、A案に戻ります】
http://jyougasaki-2.cocolog-nifty.com/blog/2018/10/post-1b88.html
【★10/25;加筆・改定。実はノイズでは無かった。明るさセンサーの設定ミス。】
下記[★★]参照。そこさえ適切ならここに書いた回路でも良かったと考えられる。

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夜に2階にあがるライトをしばしば消し忘れる。

そこで、人感センサーを付けたLEDライトを作った。
人感センサー(PIR:SB00412A-1)は電源電圧3.3V以上を要求する。

(A案)ニッスイ充電池3本で、電源電圧3.6Vで運用する。これが一番楽だ。
【結局、こっちに戻った】

PIRの電源電圧は充分に満たす。(雑音が少ないのも魅力)

一方で、LEDの電源は2.94V(≒200mA)。≒0.6V電圧を降下させる必要がある。
0.6V分は電力を浪費(≒20%)するわけだが、DC/DCコンバーターでもそのくらいのロスはでる。
3Ωの抵抗で0.6Vの降下は可能だが、それだと電源電圧の変動によって電流も変動する。
0.6Vのマージンで定電流化を図れないこともないが、考えるのは面倒。
また、ケースの都合で電池3本はギリギリ入らない。
今回はこの案は保留とした。

(B案)ニッスイ充電池2本で、電源電圧2.4Vで運用する。

電池DC/DCコンバーターを使って、PIR(3.3V)とLED(≒3.0V)を供給する。

A案より部品数は増えるが、使い慣れた回路なので、ほとんど頭を使わなで作れる。

電力ロスを最小限に抑えるためと、PIRへのノイズ対策から、HT7733(3.3V、PIR用)とHT7730(3.0V、LED用)の2個のコンバーターを独立に設置することにした。

Photo
(クリックすると拡大します)

【10/23:動作が時々不安定になり、消灯しない(連続点灯)ことがある】

【設計と実測】
(1)夜昼センサー。
手持ちのCdSセンサーは暗抵抗0.5MΩの物。これではうまい動作点を見つけられなかったので、5MΩの物を購入した。カタログの値から計算した抵抗(数百KΩ)ではうまく働かない。実際の暗がりで試して、適当な値を見つけた。
FETによる2段増幅でon-offの切れを良くした。

[★★10/25追記]CdSの感度調節用の抵抗を、当初1MΩとした。(<数Luxでon)
これだと暗闇で試験しているときは良かった。
しか、し実際にセットを窓際に設置したところ、動作が不安定になった。
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①CdSが屋外の光や、このセットのLEDの明かりに反応して、セットは一旦offする。
②直ぐに暗黒になるので、onする。
③この時、赤外線の動きが無くともセンサー回路の不安定さから一旦onする。
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どうやら、これが原因らしい。
①センサーの感度を330KΩに変更した。(<500Luxでon)
②センサーの背後に5×7cmの黒色の紙を貼り付けてLEDからの迷光を少なくした。

■実際には解体してしまって確認できないが、暗黒ではうまく行っていたので、これでうまく動くはず。

(2)PIR駆動用の2.4V⇒3.3V
3.3Vへの昇圧はHT7733を利用した。

待機中の消費電流は実測したところ10μA程度で、またPIRの待機電流も50μA程度で、電池への負荷も少ない。
コイルは電流が少ないので100μHの小型のインダクタを利用した。
SBD-1も電流が少ないので信号用の物(型番不明。Vf=0.5V)を用いた。
電力用の低VfのSBDを繋いだところ雑音が増えた。むしろ内部抵抗が大きく、接合容量の小さいものの方がノイズの伝達は少ないようだ。
また高周波ノイズを防ぐために1mHのインダクタをチョークとして利用した。

平滑コンデンサとして100μFの積層セラミックをチョークの前後に設置したが±15mVの鋭いピークを含むリップルが残った。積層セラミックの容量を増やすとリップル電圧は低下するがスパイク状の波形は残る。
0.1μF(積層セラミック)を追加すると逆にスパイクが大きくなる。
そこで100μFの電解コンデンサ(安価な黒色)を試しに付加してみた。すると、あら不思議、スパイク状のノイズは消えて、ノコギリ波状の±6mVのリップルだけが残った。(この時の周波数は150Hz??)
コンデンサ容量を200μF(金色)や470μFに変えても±6mVのノコギリは出現する(53Hz)。

たぶんHT7733のVoutが出力電圧をモニターしているのだが、それのヒステリシスだろう。
リップルを消すには、低周波まで効果がある容量の大きなチョークが必要だ。
(この場合は抵抗でも良いかもしれない)

スペースの都合で黒色100μFを付加して、これでPIRは我慢してもらおう。
実際PIR内部の定電圧ICのおかげか、PIRは安定に作動している。

(3)PIR(SB00412A-1)
誤接続防止用のダイード(Vf=0.7V)を撤去して接続。

■PIRの動きが時々挙動不審になったので、PIRのノイズ対策のつもりで、HT7733のVoutに+側に15KΩ、-側に51KΩを取り付け、出力電圧を4.3VとしこれをPIRに供給した。
動きが改善したように見えたが、根本的な解決には至らなかった。
不安定の原因は別にあったので、3.3V(多分それ以下)でも正常に動くと考えられる。

(4)LED駆動用の2.4V⇒3.0V
3.0Vへの昇圧はHT7730を利用した。
HT77の定格ギリギリでLEDに170mAを供給する。(電源側は若干オーバーになる)
SBD-2はCMS01を用いて低損失とした。

利用したHT7730の実際の出力は3.04Vだ。
電流制御用に付加している抵抗を1ΩとしてLEDの電流を≒170mAに固定している。

SBD直後の変換効率は86%で上々だ。

(5)LED
100均フレッツで購入したLEDライトから取り外した4cm×7mm程度のアルミ板上に4素子がマウントされたSMD。

ルックスメーターで実測したところ100ルーメン/1WのLEDと同程度の明るさで発光している。

最近の100均LEDライトも良い部品を使っている。

これを、170mA、2.87Vで駆動する。
【結果】
PIRの向きを細かく調節して、階段の登り始め、降り始めの双方で反応するようにした。
今のところ働いている。
【10/25】CdSの感度調節対策を施せば、これでもトラブルはなさそうだ。下記は考察間違いだった。

【10/23:連続してon信号が入るのか、消灯しないときがある。たぶん電子ノイズのせい。】

PIRの印加電圧を4.3Vにしたが改善されなかった。平滑コンデンサを増強したが改善見られず⇒これの改良は断念。A案に戻る。
下記を参照
http://jyougasaki-2.cocolog-nifty.com/blog/2018/10/post-1b88.html

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呼びかけロボットを作る。

警告を発するロボットを作ることにした。
仕様は;

(1)運用する時間は、13時に開始。
(2)4時間後の5時(ごろ)に終了
(3)人が通過したときに駆動
(4)警告のセリフをしゃべる

(1)適当なタイマー、しかも、2つの時間をセットできるものがあれば話は簡単だ。
今回は、安価で低消費電力のものを見つけられなかった。
ロジックICと水晶発振子で簡単にタイマを組めることは確認したが、今回は100均(フレッツ)のストップウォッチを利用し、それの付録の時計のアラーム機能を利用することにした。
これならば、セラミックスピーカーへの接続ワイヤーから簡単に信号を外に取り出せる。また、消費電力は僅かでしかも、電源は独立している。

これの問題;
(a)タイマー(アラーム)が1個しか設定できない。これは簡易タイマー(2)で対応する。

(b)タイマーの出力が小さい。
タイマー(目覚まし機能)は指定した時間に1分間断続的にセラミックスピーカーを駆動する交流信号が出力される。

この出力は±0.7Vで電圧が低くて、次段のインバーターを駆動できない。

SBDを使った倍電圧整流を使って電圧を高めて出力を取得した。
出力は4000Hzの断続的な信号が1分間続く。整流してあるので断続的な複数のon信号が出力されるが、信号を受け取るフリップフロップ回路は何度連続してonしても、on状態は継続する。(タイマー1)

(2)終了の2個目のタイマが欲しいが、このストップウォッチにはタイマーが1個しかない。
2個のストップウォッチを利用する手(最も安価だが)もあるが、カッコ悪い。

終了のタイムは多少の誤差は許容できるので、RC発振回路で0.87秒のパルスを作り、カウンタICを使用し14段で1/(2^14)に分周して4時間を作り出す。
14段目の出力の立ち下がりを微分し、インバーターで逆転させて、終了時間の信号を作り出した。(タイマー2)

(3)人感センサ。
人の動きを検出して10秒間のonを出力する。

(4)録音・再生ボード。
音声を録音して、不揮発性のメモリーに保存する。PE端子を+に結合した状態で電力をonすると再生する。スピーカーを駆動できる電力が出力される。
このモデルは10秒間しか録音できないが、一声掛けるには十分だ。

セリフは、ネットで音声合成させて忍者ロボット風の声でセリフを喋ってもらい、録音した。

Photo_2 (クリックすると拡大画面が表示されます)

【回路】
(5)フリップフロップを利用したトグルSW-1。
タイマー1からの信号でon。タイマー2でoff。
信号の入力に当初FETを利用したがダイオードを利用した方が回路を簡略化できたので、こちらを利用した。

(6)フリップフロップを利用したトグルSW-2。
通常は常時on。手動のタクトスイッチをonするとトグルがoffする。これで、その日の活動を休止する。
タイマー2の信号でonさせリセット。
念のためタイマー1の信号でもonさせる。

(7)NAND回路。
NAND-ICは結構電流を消費するので、何か方法が無いかと模索した。
検索した中に、原始的な回路で、ダイオードを利用したNANDというのを見つけた。
余ったインバーターとダイオードで回路を組める。しかも、何回路でも受け入れることが可能だ。

(7-b)使用したダイオード。
Siダイオードも使えるだろうが、回路の電源電圧が低いので、念のためSBDを利用した。0.2V程度のロスで駆動できる。手持ちの都合で電力用のものを利用したが使えている。

(8)ロジックICの消費電流。

インバーターTC74HCU04APは3.6Vで16mAと結構消費する。電源電圧を下げると、電流は激減する。1.5Vでも稼働するがカウンタとの折り合いで2.2Vで(10μA)稼働させた。

カウンタTC4020の消費電流はごくわずかで問題はない。
データーシートには駆動電圧の下限が3Vとされているが、2Vでも安定に機能することを確認した。

(8)電源。
単三アルカリ乾電池3個で4.5~3.6V程度で全体を駆動している。待機電流は全体で100μA程度なので計算上は3~4ヶ月運用できる。

太陽電池の利用も考えたが、とりあえず使い捨ての電池の利用とした。

ロジックICの消費電流は電源電圧を下げると激減する。ロジックIC用の2.2Vの安定化電源を作った。PNP-MOSを使って低ドロップとした。
(消費電流は電源回路に10Ωの抵抗を入れ電圧降下をテスターで測定した。)

【実動作】

まだ運用1週間だが、装置はうまく動いている。
また注意喚起も機能している。
Dsc_0317
[正面]
Dsc_0319
[裏面]
実は紆余曲折があった。試行錯誤を繰り返して回路が完成した。

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Aitendoから最近購入した電子小物

(1)録音・再生ボード(M1820)

適当なICが見つからなかったので、これを購入。
電源電圧5Vを要求する。

誤接続防止用のダイオードを撤去したところ、3.6Vで運用できる。

出力アンプを内蔵しているので回路を簡略化できる。

音質は良くないが内容は充分に聴き取れる。
但し、出力電力が小さく、音量が不十分なので、在庫の中から効率の高いスピーカーを探して結合し、それを、小さな箱に入れた。静かな場所なら十分な音量で音を出してくれる。

録音・再生の時間は10秒。一声の呼びかけには使える。

(2)人感センサー(PIR SB00412A-1)

2.7Vから機能すると書かれていたが、嘘八百。安定作動には5.0V程度を要求する。

回路の受電部に、[誤動作防止用ダイオード] ⇒ [定電圧IC:3.3V] が設置されている。

これらをスキップして接続すると、2.2Vでも機能する。

最初、この電圧で回路をセットしたが、offに中々ならない。

電源から侵入するノイズに非常に敏感で、大容量の平滑化のコンデンサを設置しても、頻繁にonが出力されてしまう。

内蔵している低ドロップの定電圧ICがノイズを吸収しているようだ。
ダイオードをスキップして、3.3V以上を供給すればノイズを吸収してくれ、安定に作動する。

(3)時計 (K-CLK89C4LED2)
毎日決まった時間に1回電子機器を起動するために、タイマー付きの時計が必要だったのでキットを購入した。
組み立ては簡単にできた。(抵抗アレーを逆接続した失敗はあったが)
動かそうとしたが、マニュアルが無いのは辛い。

検索して台湾語のマニュアルを見つけて、一応、動かすことは出来た。
赤色LEDを使った表示で、サスペンス・ドラマの時限爆弾のタイマーの如くで面白いが、電流の消費が気になる。

LED表示がついて状態で稼働させると、消費電流が36mAと大きい。乾電池駆動では数日しか働かない。
LED表示を消しても3mA流れる。これでも、電池での長期運用はできない。
今回は、これを利用することは諦めた。

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