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送信機のテスト回路を作ってみました。受光素子を使ってみたくなったからです。うまくやればこれでセンサ、無線通信ができるはずです。

作ったもの

作ったものは受信チェッカーです。赤外線受信素子を使用したごく簡単な構成の回路をブレットボードに刺しただけなので作った感は薄いですが。この回路は送信機や受光素子のテストに使えます。

機能

  • 4.5~5.5V電源
  • 受光素子が対応している変調周波数の赤外線を受信するとLEDが点滅する。

動作

図1:作成物
図2:試験の様子

テスト用の送信機はテレビのリモコンを使いました。どこのメーカーのも大体FM38kHzらしいです。

狭い室内でやったところ、光が反射するので360度反応しました。机の下でも大丈夫! だだし経路が目測3mくらいまでで、4mくらいになるとまっすぐ向けていても反応しませんでした。送信機の電力を大きくすると伸びる?かもしれない。送信機を作ったらやってみます。

材料

図3: IRM0101 (右側はカバーを外したもの)
  • 赤外線受光素子PL-IRM0101  1 38kHzを受信するとVoutがVccから0V(HighからLow)に落ちます。
  • pnpトランジスタ 2SA1015
  • 発光ダイオード 持ってたやつ 1
  • 抵抗器 22kΩ 220Ω 1つずつ
  • コンデンサ 22μF
  • 電池ソケットと乾電池3つ

4.5~5.5V電源なら何でもいいです。乾電池3つでは一般的に4.5Vです。電圧を測ってみたら4.8Vでした。

回路


図4:回路構成

回路は上記の通りです。参考の本のまんまです。

使用センサの電源が4.5V~5.5Vだったので、5V電源と書いています。端っこのJがバッテリにつながるコネクタです。回路としてイメージしやすいようにできればと書き加えたものです。実際には私はこれに電池ソケットと電池3本4.5V をつなぎました。

以下は回路の解釈です。

この回路は基本的なスイッチング回路です。スイッチング回路とは、トランジスタの「ベースに条件を満たす電圧がかかった時にエミッタコレクタ間に電流が流れる」という特性をスイッチとして利用した回路です。ここで使用している2SA1015はpnp型のトランジスタですので、電圧がしきい値以下(OFF)の時にスイッチがONになります。

ここで使用しているフォトダイオードは赤外線を受講しているときOFF、していないときONになるように作られています。なので、赤外線を受信したときにスイッチがONになります。

22kΩ抵抗はベース電流を抑えるためのものです。Voutが5Vの時、ベース電圧が4.3Vくらいなので、

$$ \frac{V}{R} = \frac{4.3[V]}{22k[Ω] }\simeq 0.195 [mA] $$

だいたい0.2mAになります。一方で、2AS1015、LED、220Ω抵抗のループを見ると、大雑把にLEDで2Vの電圧降下があるとしたとき

\begin{equation} \frac{V}{R} = \frac{3[V]}{220[Ω]} =13.6 [mA] \end{equation}

なので、LEDには14mAくらい流れると思います。LEDは電流が多く流れるほど明るく光りますので、電流調整用です。

右端のコンデンサはバイパスコンデンサです。コンデンサは直流は通さないが交流は通すという特徴があります。詳細は下に書きました。ノイズは交流なので、直流回路で発生するノイズの交流信号を流してGNDに逃がしたり、電源を外した時にすぐに電圧がゼロにならないように緊急用電源としてついています。ICを使っているとき、ノイズや電源が急になくなることが故障の原因になるかもしれないからです。導線を使っている限りリアクタンス(コイル成分) は発生してしまうんですが、これは電流変化に応じて機電圧が生じるので、急に電圧がゼロになると予期せぬ動きをしかねません。

コンデンサの電圧、電流についてです。電圧Vは電荷量Qに比例しますので、キャパシタンスCを用いて

\begin{equation} Q = CV \end{equation}

\begin{equation} i = \frac{dQ}{dt} = C\frac{dv}{dt} \end{equation}

と書けます。小文字のi,vは交流であることが多いので、慣例に従ってみました。微分は微小時間あたりの微小変化です。例えばここに正弦波V=Acos(ωt)をいれるとコンデンサ電流IはI=Aωsin(ωt)=Aωcos(ωt+π/2)になるので、ちょこっと波長が遅れるわけです。

ここでωは各周波数で、周波数fとはω=2πfという関係があります。コンセントの電圧は東日本ではf=60Hzです。一方、直流はこの各周波数が0ですので、コンデンサの電流は下のようになって流れません。

\begin{equation} i =C\frac{dv}{dt} = C 0 = 0 \end{equation}

確かに変化分がなければただの2枚の板ですもんね。初めて知ったときはコペルニクス的回転って感じでした。そういうのって回路記号にも表れていて、FETとMOSトランジスタの記号の違いとかも面白いですね。

フォトダイオード


図5:受光素子ICの構成

受光素子の中身はどれもだいたいこんな感じみたいです。フォトダイオードの出力をアンプで増幅し、波形を整えて全体の出力とします。今回使った素子は、出力の直前でHigh信号とLow信号を反転させていました。


図6:素子に電圧を印加している時の図
図7:素子内部のエネルギーのイメージ(光導電効果)

半導体のバンドギャップ以上のエネルギーをもつ光が照射されると、光導電効果を起こして電子と正孔が動き、電流が流れます。 図7は上下に粒子のエネルギーの大きさを、左右に位置を表しています。光にエネルギーを貰うと電子は伝導体に入って移動します。電子がなくなった部分を正孔と言います。

このあたりはよくご存じの方には説明する必要は無いので、初めてこういう原理を知る方が読んでもイメージできる様に書いたつもりですが、かなり雑なので気になった方は参考に乗せた本や詳しいサイトで調べてみることをおすすめします。


図8:素子内部のエネルギーのイメージ(光起電力効果)

似たような効果で光起電力効果というのがあります。 n型半導体とp型半導体が接着されているもの(pn接合)に光が照射されると、半導体内部で同じように(違うといえば違うけど)電子と正孔が動き、電子はP層からn層へ、さらに外部回路へ出ていきます。 まとめると、光で電が流れるようになるので光スイッチのような感じで使えます。

雑談

最近思うのが、教科書として大学で推薦されている本って自分で確かめなくていいからとてもありがたい。本によっては完全に間違ってるものもあるじゃないですか、コードをそのまま書いても動かないとか。私がお世話になってる方の本も似たようなことがあって、それは編集の方のミスらしいです。他にも先生が自分の授業で推薦しようとしていた本をボツにした理由を話していたのを聞いたことがあります。筆者本人の認識が完全に間違っていることもありますし。という訳で、本はちゃんと能動的に確かめながら読まないといけないという認識に変化しました。 下に乗っている参考の本は授業で使っている本が多いので、私が授業を受けている先生の考えでは正しいということになりますので、ちょっと安心です。

今後はいろんな本を参考にしながら文章を書いていきたいと思います。

追記(2019/3/18) 段落構成を変更しました。内容は変更ありません。

参考

新版 電子物性 松澤剛雄・高橋清・斉藤幸喜 森北出版株式会社

PICマイコンでつくるインドア・プレーン―ラジコン飛行機を作って飛ばそう (電子工作シリーズ) 田中光一 CQ出版社

例題と演習で学ぶ 電気回路(第2版) 服藤憲司 森北出版

パスコンって何?

赤外線リモコン受信器の製作

ジャンル:IoT 前回 =>Web × IoT メイカーズチャレンジに参加-前編

概要

今回web IoT メイカーズチャレンジのハッカソンに参加し、結果ありがたいことに最優秀賞をいただくことができました。作ったのは動く植木鉢「uekibati 2.5 動く苔」です。

web IoT メイカーズチャレンジとは

前回のをコピペ

Web×IoT メイカーズチャレンジでは、こうした「フルスタックなスキル」やアイデアを素早く形にできる「プロトタイピング力」を身につける機会としていただけるよう、実際にモノづくりを体験する 2 つのプロセスでイベントを構成 下記HPより引用

https://webiotmakers.github.io/

ラズパイとjavascritを使ったIoTをやってみような総務省主催のイベントです。日本各地でやっているらしいですが、俺は前橋でやりました。 12/15,16,1/19,20で開催されます。

HP=> https://webiotmakers.github.io/

作ったもの

動く植木鉢「uekibati 2.5 動く苔」です。下に簡単に機能を説明します。

生育環境情報の取得

気温、湿度、気圧、土壌の湿り気を取得します。CHIRIMENを使用してセンサから情報を取得しています。

動く

窓辺などで使用していると、洗濯物などによって植木鉢がある場所が暗くなると日陰から移動します。

光センサから取得する情報が一定値を下回ると移動を開始、一定値を上回ると停止します。光センサのライントレースで移動します。ラズパイでやるのは大変なのでarduinoでやってます。

取得情報の通知

IFTTTを使用してuekibatiが移動を開始した時に光度や湿度などを通知します。

顔の表示

湿り気などが規定値を超えるとLEDの顔が^v^から泣き顔に変化します。

喋る

移動を開始するときに「暗いので移動するよ」「明るいので止まるよ」など言う。このあたりのことは全く分かりません。

特典について

raspberry pi 3 model B+ をいただきました。また、東京で3月に行われるスマートIoT推進フォーラム総会に招待していただき展示させていただけるそうです。

雑談

通知が私の役割だったんですが、全然ダメでした。マジ悔しい。javascriptの構文すらいまいちわかってなかったのは完全に準備不足でした。 3月までに通知機能のみではなく、擬似的に会話できていると感じられるようにしたいです。

追記(2019/3/11):最優秀賞の特典として、スマートIoT推進フォーラムにお招き頂き、3/8にパネルで作品を紹介させて頂きました。全国の代表のアイデアや技術を学ぶことができました。さまざまな方と繋がることができる良い機会となりました。ありがとうございました。

追記(2019/3/18) 段落構成を変更しました。内容は変更ありません。

バッテリー充電をするうえでの留意事項などの個人的まとめです

目的

バッテリーは電子工作で必要になります。でも、バッテリーって管理を間違うと爆発すると聞いていて、あまり積極的に使おうとは思っていませんでした。 今回初めてバッテリーを充電するので、初心者がやる上で注意するべき事などをいろいろメモ書きをして今後に使おうと思います。なにか追加事項があったら追記します。

バッテリー

バッテリーは電圧を蓄えておくモノです。バッテリーにはいくつか種類がありますが、リポバッテリー(LiPoバッテリー、リチウムイオンポリマー2次蓄電池)はロボットとかに使いがちです。使うのがリポなのでリポについてのみまとめます。

amazonでも買えますが、バッテリーはラジコン系のサイトで買う方が安いと思います。ドローンなどをやる人たちの間ではhobby kingが有名みたいです。

パラメータについて

私が持っているバッテリーの写真です。1000mAh、2Cellといてあります。

mAh:放電容量です。1mAhは1時間あたりに1mA流せるくらいの容量ということになります。蛇口の口の大きさみたいなことですね。大きい方が早く充電できます。
Cell: Cellというのは電池の単位らしいです。このバッテリーには2Cell 7.4V と書いてあります。バッテリーは1Cellあたり約3.7Vで、2個が直列に並んでいるということですね。

あと買うときにコネクタを確認するといいと思います。コネクタが違うとくっつかないので、導線を切って別なコネクタをつけることになります。バッテリーによってコネクタが違ったので、予め調べて接続できるようにしておくと追加注文しなくて済みます。

何度か充電するとバッテリーが悪くなってくるので、ちょくちょく確認しましょう。

充電器の使い方

私が使ってるもののamazonのリンクを張ります。これは電源のケーブルかついていないので一緒に買いました。バランスチャージャーという名前の充電器は、それぞれのセルをバランス良く充電してくれます。各電圧の差が0.5Vになると不調を起こすらしいです。

使い方もネットに載ってます。この通りにやれば問題ありません。
IMAXRC B6PRO バランスチャージャー 取扱い説明書
保存のところと重複しますが、1Cellあたり3.0V以下になると過放電状態となり、バッテリーが使えなくなってしまう恐れがあるそうです。 3.5Vで危険域なので注意。 また、4.2Vまで充電してしまうと火災のリスクが上がってしまいます。すぐ使わないときはだいたい3.7V位に充電するといいでしょう。

(追記) よくやる使い方

簡単に使い方を書いておきます。
充電するバッテリーは上の写真のものです。OUTPUTとBALANCE CHARGE OUTPUT両方のコネクタを接続して、 1cell、LiPo、1000mAに設定します。

  • BATT TYPE/STOPボタンを押して LiPo batteryでENTER/STARTボタンでenter(図a)
  • ENTER/STARTボタンでセル数の部分を選択してSTATUSボタンで2Sにしてenter (図b)
  • ENTER/STARTボタンで容量の部分を選択してSTATUSボタンで1000mAhにしてenter (図b)
  • ENTER/STARTボタンで電流の部分を選択してSTATUSボタンで1.0Aにしてenter (図b)
図a:LiPo Batteryを選択
図b:2S, 1000mAh,1.0Aを選択

上のように設定したら ENTER/STARTボタンを長押しして次の画面も
ENTER/STARTボタンを押すとstartします。 こんな感じの画面になります。

バッテリーチェッカ

私が買ったのは以下の2つです。電圧計を出すのが面倒なときに使います。バッテリーにつけるときは向きに注意しましょう。裏か端にGNDと書いてるので、そっちをバッテリーの黒い線の側につけます。

OUYOU リポバッテリーアラーム 簡易電圧チェッカー リポバッテリー アラーム チェッカーとアラームを一体化 1S-8S Lipo / LiFe / Li-ion / LiMn 対応

リポバッテリーチェッカー

ただ、充電器も電圧計も7.9Vを示してるのにバッテリーチェッカーは7.5Vと7.55Vなんですよねぇ。チェッカって少し低めに表示するんでしょうか?このあたりは今後調べて行きたいと思っています。

保存 というかまとめ

下の3つを守れば良さそうです。

  • 電圧を3.6V ~ 4.1Vで保管すること
  • 各Cell間の電圧差を0.5Vにすること
  • 火災の恐れがあるので、セーフティーボックスに入れましょう

セーフティーボックスは持ってないので、私はおつまみのナッツの缶にいれました。 引火しなきゃいいと思ってますが、皆さんは自己責任でお願いします。

関係ありそうな記事

2018年に全固体電池の研究に関する記事を読ませていただいて、バッテリー界は私にとって気になる業界です。なんでもエネルギー密度が高いので、高速充電が可能でかつ発火の危険は低くなるらしいです。 このあたりの本はまだ読んでないですが、読んで興味深い話があれば書き足していきたいと思います。

電力供給の形式がガラッと変わるかもしれないですね!

全固体電池の菅野教授が語る、EVはこう進化する:日経ビジネスオンライン

参考 

【LayLaxコラム】リポバッテリーを安全に正しく使用・保管する方法

リポバッテリーの管理について - ハイパー道楽

モバイルバッテリーの「mAh」って何?失敗しないモバイルバッテリー選び .

追記(2019/2/11)バッテリーチェッカ使用時の写真を追加しました。
追記(2019/3/18) 段落構成を変更しました。内容は変更ありません。
追記(2019/3/23)使い方、Amazonリンクを追加しました。