スピコン自作

先ずはブレッドボードで実験です

回路図はこんなです。半導体部品は秋月電子で購入できる物を使用しています。通常、ＦＥＴはＮチャネルＭＯＳＦＥＴを使用しますが、ＯＮ抵抗の小さい小型の物が秋月電子になかったので面実装タイプのＰチャネルＭＯＳＦＥＴを使用しました。実験して性能が悪ければ交換しますが、ＯＮ抵抗はデータシート上で１０ｍΩとなっているのでたぶん大丈夫です。この回路でうまくいけば部品代は￥５００程度で済みます。

ＧＰ２が電池電圧を検知する仕組みです。Ａ／Ｄコンバータを使います。
ＧＰ１はモーターの制御です。
ＧＰ０が受信機からスロットルの開度の信号を受け取る受け口です。

受信機－＞サーボへの信号を調べました。信号間隔は２３ｍｓなので１秒に５０パルス。

上の写真の１パルスを１０倍した物。スロットル位置でパルスの幅が変わります。この幅の変化を捉えてモーターの出力を制御します。

８ピンのＰＩＣでも、割り込みやタイマーの機能は充実しています。

プログラムのバグ取りは変数の値をＰＩＣに内蔵のＥＥＰＲＯＭに書き込んで確認します。アセンブラだと面倒なのですが、ＢＡＳＩＣだと数行のバグ取り用プログラムを書けば済みます。デバッガの使い方を覚えるより簡単なのと、ＰＩＣの種類を選ばないのでこの方法を多用しています。

ちょっと脇道にそれて、入手できる低ＯＮ抵抗のＦＥＴを調べてみました。耐圧は２４Ｖとちょっと低いのですが抵抗値は０．８ｍΩしかありません。このＦＥＴが１個３ドル程度で買えます。１０×１０ｍｍ程度の大きさなので、定格いっぱいの４２９アンペア流すのは無理みたいです。昔、スピコンはかなり高かったように思いますが、ＦＥＴの性能向上と低価格化がスピコンの低価格化に貢献しているのかもしれません。

プログラムを書き込んで動かしたが、なかなか思い通りに動いていくれない。原因はサーボの消費電力のために電源ラインが不安定になっているためだった。電源を強化して（配線の本数を増やしただけ）問題解決。ソフトのロジックを疑っていたため解決に２日を要してしまった。あと少しでプログラム第１版が完成する。

ｌｏｎｇｉｎｔ型の割り算をしたらあっという間にＲＯＭを使い切った。ｍｉｋｒｏＢＡＳＩＣであまり気を使わずにプログラミングできる最小ＲＯＭサイズは２ｋワード程度のようだ。ＰＩＣ１２Ｆ６７５は１ｋワードのＲＯＭしか無い。

ＭｉｋｒｏＢＡＳＩＣは　ｅｌｓｅ　if　構文がないので強引に書くと　ｅｎｄ　ｉｆ　が並んで不細工。

途中ショートさせたまま動かしたため、どこからか煙が出ましたが、動くレベルの物になりました。過電流は５Ａ程度だったのでＦＥＴは死にませんでした。どこが燃えたのかよくわかりません。まだ、フルスロットルの境目と、モーターＯＦＦの境目で息つきがあるので、スロットルにヒステリシスを持たせないとダメみたい。ここまでに作り込んだ機能は
　１．バッテリーをつないだ直後はモーターが回らないようにする
　２．バッテリーをつないだ後にスロットルをＦＵＬＬの位置にするとモーターがピッピッピッと鳴る
　３．スロットルを一旦ＯＦＦの位置にしないとスタートしない
　４．バッテリーの電圧が６．２Ｖ以下になるとモーターが止まる
　５．バッテリーの電圧低下でモーターがＯＦＦすると、その後、電圧が回復してもスロットルをＯＦＦの位置にしないと再度モーターが回らない

割り込みルーチンでＰＷＭの制御と受信機からくるパルス幅の計測を順番に処理しているためモーターのＰＷＭ波形をオシロスコープで見ると、シャキッとしていない。ＰＷＭは約３ｋＨｚだが、受信機からくるパルスは４３Ｈｚしかない。

ブレッドボードでは流せる電流が限られるので、ソフトが完成したら試作品を作ります。その前にＩＣＳＰが出来るか確認。ＤＩＰサイズならソケットが使えるので問題ありませんが、ＳＯＩＣパッケージではＩＣＳＰ出来ないとお手上げになります。このスピコンは電池電圧をＡ／Ｄコンバータで検知しているのでどんな電池にもソフト次第で対応できます。まだ作り込んでいませんがセル数もソフト次第で自動判断できます。
市販のアンプに「リポ対応」というのがありますが、リポにも対応できるのか、リポ専用なのかよくわかりません。専用と対応は全く違う言葉ですが、同じ意味で使われることがあるので困ります。その昔、「ＰＣ９８対応」というＷｉｎｄｏｗｓがありました、これはＰＣ９８専用の意味でした。Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔのような大手企業でも「対応」という言葉を誤用しています。

基板のパターンを作りました。両面基板に面実装部品の組み合わせです。スルーホール部品は一切使っていません。サイズは２５×１５ｍｍ。サイズは一回り大きくなります。

１００×７５ｍｍの基板から２０個も取れます。

感光剤が変わったようです。注意書きに「現像不足、オーバー」とありますが、現像不足が「露光アンダー」の意味だとするとどう変わったのかよくわかりません。具体的な露光時間目安が提示されているのですが、今までの物より露光時間を多くしないといけないのか少なくしないといけないのかが判らないので、実験してみるしかありません

両面基板は生基板にセロハンテープでマスクパターンを貼り付けた後、それをガイドにして露光します。うまく現像できたように見えるのですが．．．

露光オーバーです。ブツブツが出てしまいました。感光剤も弱くなったような気がします。エッチング中にだいぶ傷が付きました。

プログラムの書き込み。

チップ抵抗がなかったので一部１／６Ｗのカーボンフィルム抵抗を使ってます。

組立中に２カ所パターンの問題を発見。１カ所は電源レギュレターの下にビアが出来てしまっています。基板メーカーに作ってもらうのであれば問題ありませんが、自作の両面基板はビアの部分が出っ張ってしまうため不可です。もう一カ所はＦＥＴのドレインとソースが繋がってしまっています。この部分は手動配線したので、その時のミスです。

消費電力の計測

電源ＩＣの定格は出力０．５Ａ、最大瞬間出力１．２Ａなので同時にサーボ２個を動かすのが限界です。限界を超えると電流が頭打ちになるのでサーボのトルクが小さくなるだけで動かなくなるわけではありません。但し、常に激しく動かすと電源ＩＣが発熱（１２５度までＯＫ　たぶん）して停止します。このときは受信機にも電源供給されないのでノーコンになります。これはＩＣそのものの機能なので市販品でも同じです。

静止状態でフルスロットルにするとモーターが傷むので代わりに抵抗を使って動作確認。電流は４．５Ａ程度流れていますが、この程度だとＦＥＴはちょっと生暖かくなるくらいです。７～８Ａ流すならヒートシンクが必要になりそうです。

電流を多く流すので基板のパターンの電気抵抗も無視できません。基板設計の目安は「パターン幅１ｍｍで１ＡまでＯＫ」ですが、計算してみました。
銅の電気抵抗は　１．７２μΩｃｍ「角砂糖サイズの銅のサイコロの両端の抵抗値」　なのでプリント基板のパターンの幅に換算すると．．．
銅箔の厚さ０．０３５ｍｍ（普通のプリント基板の銅の厚さ）、幅１ｍｍ、長さ１０ｍｍなら　１．７２　×　１００　÷　０．０３５　＝　４．９ｍΩ　となります。これを基準として長さが２倍になれば抵抗値は２倍になりますし、幅が２倍になれば抵抗値は半分になります。幅３ｍｍ、長さ３０ｍｍのパターンの抵抗値は　４．９×３÷３＝４．９ｍΩとなりＦＥＴのＯＮ抵抗値並の値になり無視できません。

基板のパターンを見直しました。パターンの最小幅は３．３ｍｍです。横方向の長さは２３ｍｍですが、プラス側の経路とマイナス側の経路があるため約４６ｍｍになります。抵抗値は　４．９×４．６÷３．３＝６．８ｍΩとなります。ＯＮ抵抗の小さなＦＥＴを使用しても基板のパターンが間抜けだとダメってことのようです。プリント基板の銅箔の厚みは通常０．０３５ｍですが、０．０７ｍの物もあります。メーカー製は厚いのを使っているのでしょうか？　１０Ａまでいける物にしようと思いましたが、ヒートシンク無しでは５Ａ程度が限界です。ユニオンモデルの２８０モーターはちょっと荷が重すぎます。
ビア（基板の表面と裏面をつなぐ緑色の物）もちょっと大きくしたので表面と裏面のパターンズレの許容範囲も大きくなります。

見直した回路図です。抵抗値も変えたのでソフトも変更する必要があります。Ｒ２，Ｒ３，Ｒ５の抵抗値は「大体こんなもんかな～」で決めています。チップ抵抗を何種類も買うのは無駄なので、抵抗値をそろえてあります。３セルのリチウムポリマー電池を使わないならＲ１も１ｋΩにできます。

殆どの部品が１個単位で購入できないので１個だけ作ろうとするとかえって市販品より高くなります。余る部品の価格を無視すれば１個￥３００ちょっとで済みます。「１個価格」はスピコンを１個作るのに必要な部品の値段です。それにしても大容量のチップコンデンサというのは高い。

ＦＥＴを４個にしてみた。これなら１０Ａいけるかも。横方向に１ｃｍ長くなったが、この大きさなら機体に積み込むのに苦労しない。１個￥２０のＦＥＴなので￥４０増で済んでしまう。

もうちょっと大きい物を作ってみました。今度は全部リードタイプの部品です。最初はこんなレイアウトにしようと思いましたが機体に積みにくそうなのでボツ。

小型の機体には積めません。市販品より大きな部品を使っていますがひどく重いと言うほどでもありません。ＴＯ－２２０パッケージは足がＩＣピッチで並んでいるので、大電流を流すためのパターンに出来ません。足を大きく広げればいいのですが、基板上の専有面積が大きくなってしまいます。

回路に２カ所間違いがあって修正が入りました。動作がちょっと不安定です最スローの時にモーターが完全にＯＦＦになりません。ソフトは上で作った物と全く同じなのに何故でしょう？

回路図です。ＰＩＣで直接ＦＥＴのゲートをコントロールする方が回路がシンプルになりますが、この回路の方がゲートを電源電圧(＝電池電圧）まで上げられるためＯＮ抵抗を小さくできるメリットがあります。トランジスターを２個も使っているのは、上のスピコンとソフトを同じにするためです。専用のソフトを使うならＲ７，Ｒ８、Ｑ２は不要です。Ｒ５は実験のために入れてある物なので無くても動きます。

２年間放置していた作業を再開。回路図を見直した。ＭＯＳＦＥＴのゲート容量は１００００ｐＦにもなるのでプッシュプル回路でＦＥＴを駆動。秋月電子で販売終了した部品などもあり変更を加えた。

こんな本も見てみたが複数の記事の寄せ集めなのでネット上にある情報と大差ない。書籍はやはり体系立てて説明されていないと価値が低い。
ルネサステクノロジーのパワーＭＯＳＦＥＴアプリケーションノートは数あるアプリケーションノートの中でも最も充実している。ネット上にあるので読んでみると良い。モーター回している人は必読。

ＦＥＴを４連装。裏面にはＰＩＣ等の制御回路がある。

面付図は今まで発注した中で最も複雑。基板のサイズは１６×３３ｍｍだが、ＯＬＩＭＥＸで作れる最小基板サイズは２０×２０なので２０×３３で作っておく。余計な４ｍｍ分は自分で切り落とす。

基板が届いたので組み立てた。ＯＬＩＭＥＸは２０×２０ｍｍより小さい基板を切断できないので不必要に大きい。余分な箇所はフライス盤で削り落とす予定。