アナログ工作は難しい：焦電センサーの実装に手こずる

LM380革命アンプを聴きながら焦電センサーのケース作り(10/13/2012)
　親善試合とはいえ、サッカー日本代表がフランスに始めて勝った。えらいことである。落ち目のフランスが相手と言っても、これは大変なことだ。それも、フロックではなく堂々のカウンターからの小気味良い速攻の得点だ。山中教授のノーベル賞受賞、テニスの錦織のツアー2勝、F1の小林選手の3位表彰台と、このところ日本人の快挙が続く。少し日本も運が向いてきたか。

　それはともかく、出来上がったLM380革命アンプの聴きこみを続けている。素直な音だ。疲れないのが良い。PCの横で音を出しっぱなしにして、これからの作業計画をメモに書きとめたり、これまでの工作の続き（焦電型赤外線センサーの実装）を進める。至福の時間だ。

　焦電型人感センサーは、センサー部をアクリル板でケースを作り、オペアンプも順調に動いた。残りの工作は、ブレッドボードに残した制御部の実装である。こちらのケースはこのあいだ買ってきてある。電源は色々迷ったが、結局LAN電源制御の時と同じように、ACアダプターをケースに埋め込む方法になった。

　前にも書いたが、このあたりの小規模な電子装置のためのACスイッチング電源基板は、安くても￥1000以上する。100均ショップのUSB用のACアダプターを分解しても良いが、少し安すぎるのが不安だ。で、今度も安心な秋月製のACアダプター(5V 1A ￥580)をソケットごとドーター基板に固定することになった。

ドーター基板は2ミリの透明アクリル板である。センサーのケースを切り出したときの切れ端が、偶然買ってきた制御部のケースの横幅と縦幅にまるで測ったようにピッタリ合致した。驚いた。こんなことってあるんだ。ドーター基板を作ろうとしていた矢先である。これは手間が省ける、これを使ってやろう。

　ただ厚さが2ミリと薄いので、電源コンセントの穴を大きくあけて強度が持つかが心配だ。ヒビが入る恐れがある。穴あけは、ボール盤（まあ、ドリルスタンドだが）で連続した小さい穴を開けてあとから大きくする方式である。

　アクリル板は意外に丈夫だった。間隔が７ミリ近辺でも十分な強度がある。SSR（ソリッドステートリレー）もこのドーター基板に移してしまう。わずかな面積だが放熱板をつける余裕がある（まあ、電灯くらいなら要らないだろうが）。これで、100V関係をドーター基板にすべて納めることが出来た。

革命アンプの電源も考えてやらないといけない(10/14/2012)
　LM380革命アンプのために、やってあげなければいけないことは、ケースに入れることと、まともな電源を用意することである。このアンプの供給電圧の定格は10V～22Vで、現在の電源電圧の9Vは定格外である。

　いずれはシリーズ電源にしたいが、とりあえず定格内にしようと焦電センサーのケースを買ったとき、一緒に秋月の12VのACアダプター(￥750)を買った。家に帰ってから、12Vのアダプターなら以前アナログ液晶モニターの電源のため買ってあったことを思い出した。やれやれ無駄な買い物だったか。

　しかし、この電源は失敗だった。最初は問題ないが暫くすると、チーッという高周波音がスピーカーから聞こえてくる。定格は1.3Aだ。LM380は2つで50mAも流れていない。全く問題ないはずだ。熱も持っていない。スイッチング電源はこれくらいの音がするものか。それとも12Vに上げたことでアンプが発振したのか。

　思わぬところで、ダブってしまった以前の12Vアダプターが役に立つことになった。早速こちらを取り出してつないでテストしてみる。定格は1.5Aと買ってきたものより少し大きい。おやあ、このアダプターは全く問題がない。どこまでも安定している。高周波音はアンプのせいではない。新しく買ってきたアダプターのせいであることがはっきりした（不良とは断定できないが）。

　まあ、スイッチング電源は暫定だ。いずれまともなシリーズ電源にしてやろう。LM380は12Vにすると、ほんのり暖かくなる（9Vでは音量最大でも殆ど発熱しない）。ただ、放熱板をつけなければならないほどの熱ではない。

　こいつのケースも考えてやらないといけない。それはそうと、前の記事を上げてからブログのアクセスが増えた。あきらかにこれを目当てにこられるお客さんが増えた。随分昔の話なので、知らない人が多くなったのかもしれない。ツイッターで話題になったりして、アクセス増加に寄与している。

焦電センサーの電源部をケースに組み込み、制御基板を作る(10/15/2012)
　焦電センサーの工作の話に戻る。ACアダプターをつけるドーター基板が出来たので、AC部分の配線にとりかかった。狭いところに太いACコードを押し込むのが大変だ。コードを短くすれば入るのだが、保守性を良くするためドーター基板をケースからはずしたままで動かすことを考えると余り短くは出来ない。

　ACコードのハンダ付けはいつもながら厄介である。半田ごてを換えれば良いのだがつい不精して、基板用の小さいのを使うものだから、うまく行かない。現用の半田ごては、一応セラミックの温度調整付きなので、暫く当てていれば半田は溶けるのだが、接触面積が小さいので苦労する。

　ケースが小さいのでフューズはとても入らない。出来上がってから、あちこち引っ張ってどんなことでもショートしないことを何度も確認する。うむ、大丈夫だろう。ドーター基板にSSR部分も固定してしまったので、100Vの部分は十分隔離できている。

　完成した。例の逐次開発方式で、この部分だけのテストをする。ブレッドボードの横に置き、SSRの制御ケーブルとACアダプターの5V出力をブレッドボードの回路につなぐ。通電である。思い切ってACコンセントを差し込む。問題なく動いた。

　早速、階段の入り口に設置して電気スタンドで実際に動かしてみる。これまでのバラックと違ってコンパクトになった。ケースが小さかったので、ケースの2/3はACアダプターとそのコンセントで占められてしまっている。センサー制御部分の基板面積はとても小さいが、何とかなるだろう。

　次は制御基板の切り出しと固定である。あらかじめ簡単なアートワークをやって必要な大きさを決める。いずれにしても、半分はACアダプターにスペースをとられ、その残りもSSR基板が入るので、制御基板の大きさは、ケース面積の1/4以下になる。8ピンのAVRと圧電スピーカーが大部分を占める。

　基板の固定は今度は少し趣向を変えてみた。普通なら大量に買ったタッピングずみの5ミリのスペーサー(100ヶで￥1240)をケースに接着剤で止めて簡単に済ませるのだが、今度は高さを低くしたい事情がある。そこで昔買ったまま使っていないABS樹脂の5ミリソリッドチューブを活用することにする。

　チューブはサーキュラーソーで4ミリで輪切りにしてスペーサーにし、これをケースに接着してからドリルで2.5ミリ穴を開けるという手の込んだやりかたである。ケースに接着したのは、外径5ミリ、高さ4ミリという小さい部品に正確にドリル穴を開けるのは、今の装備ではほぼ不可能なためである。

　まあ、将来の工作(正確に穴を開ける、そうCNCが野望)の練習みたいなもので余り意味はないのだけれど、ドリルスタンドの活用でもある。2つあるドリルスタンドのうち、プロクソンの小さい方のスタンドで穴を開ける。

　まず、スペーサーと基板を両面テープで仮止めし、スペーサーを接着剤でケースにしっかり固定する。このあと、あらかじめ開けた2.8ミリの基板の穴を通してドリルで2.5ミリ穴を開け、ここにセルフタッピングネジ(2.6ミリ）を通す。

　少し中心がずれたが何とか固定に成功した。これで、この5ミリのソリッドチューブもやっと無駄にならず、日の目を見ることになった。こんなことでも機嫌が良くなるのだから、余程の貧乏性である。

　それにしても、穴あけのコツは、対象物の正確な固定であることを再確認する。最近の接着剤は強力だ。ドリルで穴を開けてもびくともしない。

焦電センサーの誤動作が解決できない(10/18/2012)
　センサー制御部の配線が残っている。わずかな配線量だが、念のため正確なアートワークを描いた。ただ少しずぼらをしてTop Viewだけのアートワークで、実装にとりかかることにする。8ピンのAVRだ。面倒なところはあまりないだろう。

　ハンダ付けである。こういう作業はだらだら長時間かけるより、精神を集中して短時間でやる方が効率が良い。仕事で出かけた日の夕食後、気分を整えて一気にとりかかる。Top Viewだけでハンダ面の実装をするのは、いつも失敗が多いのだが、大分慣れてきたのと、少し気を入れてやったのが良かったのかもしれない。順調に2時間ばかりで完成した。

　あとはソケットやスイッチの穴など、現物あわせをしなければならないケースの工作を残すのみとなった。それより、まずは動作確認である。何度も接続を確かめてから通電する。よーし初期化のときにつくLEDが点灯した。タクトスイッチを押すとBeep音がする。うまく動いたようだ。

　暫くして焦電センサーが動き始めた。手をかざすと点灯した。良いぞ。おやあ、タイムアウトで消えると同時にまたLEDが点灯する。やれやれ当初、起きたトラブルの再現だ。このときはポートピンを内部プルアップすることで解消したのだが、その後も電源を長く引き回したり、接触不良のときに偶に起きていた現象である。

　このままでは延々と点灯したままになる。ブレッドボードから汎用基板にして環境が換わっている。現象ははっきりしているが、原因が良くわかっていないので厄介だ。要はセンサーが感知して点いたLEDがタイムアウトで切れるときに何らかのノイズが入力ピンにフィードバックされセンサーが再び感知して点灯を繰り返す。

　オシロでTiny13の入力ピンが深くディップしているのを確認している。問題ははっきりしているが、その原因は解明されていない。解決法がないのだ。最初は入力ピンを内部プルアップしたら現象はなくなったが、何故解決したのか原因は良くわかっていない（前回記事参照）。

　オシロを入れて本格的なトラブルシューティングに入る。前と同様に出力ピンがOFFになるときセンサー入力がディップして閾値を越えている。前のときより大きい。一番疑われるのは電源である。しかしオシロを2現象にして電源を見ているが大きな変化はない。

　さらにしつこく調べる。電源の細かい変化を見るため、こちらをAC入力にし、感度をあげて（200mV/div)みた。ノイズだらけになるが、ディップの瞬間に、電源が0.1Vほど上昇することをつきとめた。これだ。間違いない。電源のわずかな変化がオペアンプに影響しているのだ。

　念のため、センサー部の電源を別電源にしてみる。乾電池3ヶの4.5Vをブレッドボード経由でセンサー部に供給する。やった、やった。別電源にするとディップは全く起きない。何事もなく出力LEDは一回で消えた。

　オペアンプは、1600倍の増幅率である。電源のわずかな変動が出力に影響を与えているのだろう。しかし、電源にインダクタンスや、大容量のコンデンサーを入れるが、ディップをなくすことは出来ない。

　時々うまく行く時もあるが、出力LEDは点灯を繰り返す。接触不良も何か関係ありそうだ。いやあ、アナログは難しい。原因はわかっているが解決できない。そのうち大容量コンデンサーではなくて、1μF程度のコンデンサーの方が効果があったりして、こいつをセンサー部の電源にハンダ付けして実験するが、回数は減っても解消することは出来ない。完全に暗礁に乗り上げた。

　打つ手がなくなって、見ることもなくブログに上げたセンサー部の回路図を見ていたときである。焦電センサーの電源部に10KΩと10μFのデカップリング回路が入っているのを見つけた。これだ！頭にランプがついた。

安定化するべきはオペアンプでなく焦電センサーの電源の方だった(10/19/2012)

　今まで、センサー部全体の電源の安定化だけを考えていたが、焦電センサーそのものへの電源の安定化はさほど考えていなかった。回路には、すでにその対策がしてあるではないか。オペアンプではなく、こちらが不安定になっているのが原因に違いない。全体電源の部分でいくら対策をやっても効果が薄いのだ。

　あわててこの10μFを100μFに交換してテストしてみる。ビンゴ！！であった。センサーのディップは完全に解消し（小さなピークが残るが、これは閾値に関係しない）、出力LEDに全く影響されないようになった。　

　暫く試運転する。ふーむ、焦電センサーがふらついて電圧が低下し何も検知しないのに点灯する時がある。電圧を見ると閾値に近い2.5V近辺。ちゃんとしたコンパレーターを使うべきか。少し考えて入力ピンにプルアップ抵抗をつけることを思いつく。

　20KΩくらいがちょうど良さそうだ。こいつを実装して（こちらは制御回路の部分）、焦電センサーはやっとスペックどおりに完動した。いやあ手間がかかった。久しぶりに問題解決した後の爽快感を満喫する。この快感は何物にも替えがたい。

　残っていたケースのソケットとタクトスイッチ、動作LEDの穴を開けて、養生テープをはがし、記念撮影する。これまでバラックで動かしていた階段のスタンドの点灯部分に設置する。見違えるようにすっきりした。