カテゴリー: 思考整理・調査

  • 安定化電源、CC/CVモードが初心者には説明不足すぎる問題

    私のような、義務教育に毛が生えた程度の知識で、DIYに挑戦すると、まず間違いなく躓くと思う。

    現在、DCモーターを用いたストロークデバイスの開発を進めているが、負荷がかかるとうまく動作しないという問題に直面していた。

    DCモーターを動かすために、
    DC-DCコンバータでは力不足だと感じ、安定化電源を購入した。

    正直、高いと思って手を出していなかったが、「これで安定して実験できる」
    そう思って、少しワクワクしながら電源を入れた。

    ところが、
    電圧を合わせてもモーターは思うように動かず、
    見慣れない CC のランプが点灯する。

    CVやCCは、電圧や電流を自動で保ってくれる機能ということはわかっていたし、これを目当てに購入した。

    しかし、説明書を読んでもいまいちわからない。

    正直に言うと、
    初心者が普通に買って、普通に使える機械ではなかった。

    ぶつかった壁

    購入した安定化電源はこちら。

    開封し、電源を入れて電圧を12Vに設定。出力をONにすると勝手にCVのランプが点灯。

    CCとCVって設定してないけど…意味わからん…

    CCとCVはモードじゃなかった

    CC(Constant Current)とCV(Constant Voltage)。つまり定電流、定電圧モード。

    これだけ知っていたので、モードを起動前に切り替えて使うと思っていた。

    説明書を見ても、ごく簡単にしか書いていない。

    よくわからないまま助手(ChatGPT)に聞いたら、これらの表示は、電源の状態として表示されるだけのものだったようだ。

    ショートさせて設定する

    電流の上限値を設定するにはプラスとマイナスのプローブを接触させて、つまりショートさせて行うらしい。

    え、ショートって、電池のプラスからマイナスに直接繋ぐあれ?火事になるから絶対やめろって子供の頃から言われてたのに、それをしろって言われて、不安になった。

    でも実際には、火事にならずに、設定できた。

    まとめ

    CC、CVはモードだと思うと迷子になる。

    知ってる人からしたらなんてことないが、初心者では混乱する。

    しかも、ショートさせるなんて説明書では知っているものとして書かれていないのだろう。

    コンバータと安定化電源の細かい挙動の違いなどは、今後機会があればまとめていきたい。

  • DCモーターに負荷をかけたら電圧が下がった理由を整理した

    はじめに

    DCモーターを12Vで回していたところ、
    負荷をかけると回転が不安定になり、電圧表示が7V付近まで落ちる現象が起きた。

    「電圧は圧力(電流を流そうとする力)なんだから、一定のはず。なのになんで負荷をかけるとおおもとの電圧が下がるんだろう」

    そう思って調べていくと、考え方そのものがズレていたことに気づいた。

    今回は、
    DCモーターに負荷をかけるとなぜ電圧が下がるのか
    自分なりに調べた内容をまとめておく。

    かなり初歩的な内容なのでご容赦。

    実験で生じた謎

    無負荷状態
     DC12V → 問題なく回転

    負荷をかける
     回転がとぎれとぎれになる
     電源の表示電圧が約7Vをうろうろ

    結果として、モーターは安定して回らなかった。

    この結果が腑に落ちなかった。

    負荷をかける→モーターが止まるのは理解できるが、電圧はポンプの出力と考えると、回路の端でモーターが止まるという現象が、出力に影響するのがいまいち理解できなかった。

    モーターの性質

    DCモーターについて調べてみると、こちらのサイトが非常にわかりやすかった。

    https://techweb.rohm.co.jp/trend/column/841/

    細かい前提は上記サイトに書いてあるが、DCモーターの特性は、上記のようなグラフになる。

    これは、回転数が下がると、発電量(逆起電力)が減ることから、多くの電流をモーターが要求することに起因している。

    つまり、負荷トルクがゼロの場合(左)、回転数は最大になり、電流も最小になる。

    逆に負荷トルクが上がると(右)、回転数が下がり、電流が上がる。

    この負荷が上がり、電流が上がるというのが実験で生じていた現象であろう。

    ではここで、なぜ電圧が下がったのだろう。

    電源での挙動

    使用したコンバータは、定格が3Wである。

    P=V×I

    であるので、電流Iが上がると、発熱を伴い破損する可能性があるため、電源側が電圧を下げることで電流を減らそうとしている。

    この結果、電源の電圧は下がってしまったということになる。

    強化すべきは電源なのか

    これまでは、

    止まっちゃう=高トルクが必要=じゃあもっと強いモーターにしよう

    という思考の流れだったが、電源側の弱さが今回は出てしまっているということだろうか。

    つまり、モーターより先に、電源の扱える電力を上げれば、今回のモーターも動かすことができるということだろうか。

    例えば、今使っているPCのACアダプタは、家庭用コンセントの入力に対し、出力はDC19V 3.42A 65Wである。

    だが、電流と電圧の関係は、抵抗によって変わるはずなのに、アダプタにすでに電流と電圧がこのように書かれているということは、ここまではかけられるという能力であろう。

    よって、電源を上げると、今度は過電流が流れてしまい、モーター側が壊れてしまうことが予想される。

    どちらにせよ、今使っている定格3Wの電源では、弱すぎるという結論だろう。

    しかし、弱すぎるおかげで、モーターを壊すことや発火しなかったも言える。

    一言

    理屈ではわかったが、完璧に腑に落ちない感じがする。

    小学校理科の知識が正直基準のため、電圧と電流、電力の理解が多分ゆがんでいるのだろう。

    ちょっとした認識のずれが、近寄りにくさを感じていると思うが、今日は疲れたのでここまで。

  • Arduino心拍センサー回路を素人が1つずつ理解していく|APDS-9008とOPAMP

    目的

    心拍センサーを用いて心拍数をモニタリングする。それにあたり、心拍センサーの回路図を確認、挙動について理解する。

    使用機器

    心拍センサー

    ハートのいかにも心臓の鼓動を検知しそうな感じ。中央にはLED?がある。3本の端子が出ている。

    裏はこんな感じ。さっぱりわからない。

    回路図

    回路図はこちら。

    当方、回路図に関する知識がほとんどないため、このレベルですら全然わからない。。。

    わかる人にとっては退屈な内容となるのでご容赦ください。

    当研究所の秀才助手(ChatGPT)に助けてもらいながら、素人ながら整理してみる。

    図面左のC5

    2.2μFのコンデンサ。

    電源の揺れを抑えるためのコンデンサで、センサーが拾う微弱な電流を安定させる役割がある。

    D1 LED

    LED、光るやつ。

    ここのLEDは、

    LEDが皮膚(指とか)を照らす

    血管の中の血液量が ドクン(多い) スカスカ(少ない) で変わる

    血液は光を吸収する性質がある

    反射して戻ってくる光が周期的に変わる

    それを受光素子が拾う

    っていう流れのセンサーとしての役割。

    D1:ダイオードの1個目(通し番号)

    KB:Knob(ノブ)調整つまみ。設計者の調整ポイントってメモ書き。

    SM:センサーモジュール。センサー部分ですって意味。

    RevMnt:Reverse Mount(逆向き実装)LEDを逆向きにつけるから気をつけろよって意味。

    R1

    電流を制限して、LED(D1)への過電流を防止している。

    ノイズを減らす役割もある。

    U1 APDS-9008

    これは光センサー。この回路における、メインの役割部分。

    Vcc:電源のプラス側

    GND:電源のマイナス側、電圧の基準点。

    OUT:センサの出力。血液の反射光の揺らぎを、電圧として出力する。

    Nc:No Connect(接続しない)

    D2

    ダイオード。センサーへの電流の逆流を防いでいる。

    ダイオード(英: diode)は整流作用(電流を一定方向にしか流さない作用)を持つ電子素子である。

    https://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%80%E3%82%A4%E3%82%AA%E3%83%BC%E3%83%89

    U1以降のR(抵抗)、C(コンデンサ)

    これらは、ローパスフィルタとして機能していたり、ノイズ除去や安定化を行っている部分らしいけど、細かくは理解できず。

    ひとまず、U1のOUT(出力)から、オペアンプに入る前に調整しているイメージを持った。

    Op amp オペアンプ

    センサーで受け取った微弱な信号を、増幅する装置。

    Vin+:センサー信号の入力。基準にする電圧。(非反転入力)

    Vin-:センサー信号の比較対象(反転入力)

    Vout:比較結果の出力。心拍データが出てくる。

    Vdd:電源+。OPAMPの電源。

    Vss:GND。電源のマイナス側。基準のゼロV

    ↓参考

    https://www.ablic.com/jp/semicon/products/analog/opamp/intro/

    +V OUT GND(図面右側)

    回路全体の入り口と出口。

    +V:電源+

    OUT:信号の出口。Arduinoなどに接続する。

    GND:電源-

    まとめ

    ひとつひとつひも解いていくと、理解できた気がする。

    センサー部で検出した血液の揺らぎを、回路内で増幅し、出力している。

    回路図は、何も知らない状態ではしり込みしてしまうが、知ってしまえばなんてことないことが書いてある。