ぽんず製造所

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PIC16F1705でWS2812Bを動かす

WS2812Bはシリアル通信で制御できるRGB LEDです。WS2812Bについての概要は他のサイト等でググってみてください
今回はPICマイコンでWS2812Bを動かす方法(?)を紹介しようと思います。

WS2812B系のLEDの何がめんどくさいって通信波形の生成ですよね。
少しググって調べた人ならわかると思うんですけど、信号の1パルスが1ビットの情報になっていて、このパルスの長さによって0か1かを表すというものです。
しかしこのパルスが1周期1~2us程度と、そのへんの8bitマイコンだと処理がギリギリです。C言語で書くと処理速度が遅くなってしまうのでアセンブラで書いてる人が多いみたいです。

自分がWS2812Bについて調べてる時、次のようなアプリケーションノートを見つけました。
PIC16F1509 の構成可能なロジックセル (CLC) を使った WS2811 LED ドライバ インターフェイスの作成(AN1606)(PDF)
PICマイコンは処理速度は速くないですが、周辺モジュールが豊富にあるので、これを使って信号を生成してみようというもの。
タイマー、SPI、PWM、CLCを使いLEDドライバを構成しています。CLCと言うのはロジック回路をマイコン内部に生成できるというものです。CPLDやFPGAの超小規模版といったところ。
このLEDドライバはSPIに表示させたいデータを入れるだけで信号を生成してくれるというすぐれものです。
SPIのSCK信号を長いパルスとして使用し、PWMで短いパルスを生成しています。これをCLCでSPIのSDOと合成して信号波形を生成しています。
SPIとPWMは同じタイマーを使っているので完全に同期させることができるようです。考えた人ホント頭いいですよね

もうほぼこれを参考にして(いやパクリ)作ってみました。
PICはアプリケーションノートのマイコンではなくPIC16F1705を使用しました。WS2812はとりあえず4つです。



使ってみた感想としては、モジュールの設定を済ませれば、あとはSPIにデータを入れるだけでいいので簡単に制御することができました。ただデータを送ったら次のデータを即座に用意しないと表示がおかしく(チカチカする)なってしまうので結局工夫してプログラム書かないとダメみたいですね。



ていうかこれやったのもう半年以上前だからよく覚えてないんだよなぁ...
本当はもうちょっとLEDドライバについて書く予定だったんだけどね、しょうがないね

100WLEDドライバー

私は自転車通学なのですが、最近日が落ちるのが早くなり、下校中など暗くて仕方ありません。田舎なので街頭がない場所もあります。向こうから無灯火のチャリが来てるのに直前まで気づかなくて危険だったりします。
そこで、それなりに明るい懐中電灯を作ろうと思います。
ついでに使う部品は家に眠っている部品のみとしますのでちょっとスペックが足りなかったりするところがあるかもしれません

まず光源となるLEDは、随分前に購入して放置されてた100Wのものを使います。

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どんな回路にするかを決めます。
今回は持ち運び式にしたいのでバッテリー駆動とします。
100WLEDを駆動するとなると、普通に抵抗で電流制限してしまうと抵抗の発熱が大きく、あまり効率もよろしくありませんし、バッテリーの持ちも悪くなります。
100WLEDはVF=35V程度あるので、バッテリーも35V以上用意すればいいのですがバッテリーの個数も増えてしまいサイズが大きくなってしまいます。
以上の点から、昇圧チョッパー式として、低電圧のバッテリーから高効率に駆動できるようにします。
それと、いままでチョッパを作ってたので回路や技術の流用ができるっていうのもあります。
バッテリー電圧は具体的には7.4~18V位を想定しています。


回路のブロック図(?)です

ブロック図

今回も制御にはマイコンを使用し、ほとんどがマイコン内で構成されてます。チョッパの制御も操作も全てマイコンで行います。
出力可変をしたいので今回はPWM方式とし、マイコン内のPWMモジュールで波形を生成します。
チョッパ部分が2セットありますが、MOSFETを交互(正確には180度ずらした波形)にスイッチングします。これはインターリーブ式と言って、リプル率が抑えられたり、小型化できたりします。
PWM波形(1相)をCOGというモジュールに入力してやると180度ずらした2相の波形を出力してくれます。
LEDの電流とコイル電流はシャント抵抗で検出します。以前チョッパを制作した時、配線抵抗の影響を受けることがわかったのと、LED電流はGNDから浮いているので、オペアンプ(OPA)は差動増幅にしてみました。GND基準で値を取得できます。
その他、LED電圧のフィードバックや電源電圧の測定用に分圧回路を設けてあります。
COGのAuto-Shutdown Controlという機能を使って、LED電圧が一定以上、またはコイル電流が一定以上になると即座にスイッチングが停止するようになっています。(プログラムで測定・計算すると反応が遅くなってしまう可能性があるため)
操作はタクトスイッチとLCDで行うことにしました。

ダラダラと書いておりましたがだいたいこんな感じです。
そういえば、LEDに電流制限抵抗が付いていないので???ってなる方もいるかもしれませんが、原理的に出力電圧はLEDのVF以上には上昇しないようになっていて、代わりに流れる電流が増えます。チョッパの出力以上には電流は流れないので、PWMのデューティー比を調整することで出力を変えるができます。
このお陰で電流制限抵抗が不要で効率良く点灯させることができます。


チョッパに使うインダクタですが、某店でこんなインダクタが。

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エッジワイズコイルでとてもぱわみがありますね
実はこれを入手したのも製作動機の50%あったりします

スイッチング素子部分はIRFB3607とショットキーバリアダイオード(2素子入り)です
ダイオードのスペックが足りない気がするけど家にある部品縛りなので...

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基板完成

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裏面にはインダクタと平滑用コンデンサが載っていて大電流が流れる部分はIV1.6mmで配線されています
(これは製作途中の写真)

myhome

ベース基板とLCDの乗ってる基板は分離できるようになっています。
LCDは秋月のI2Cのアレ(バックライト付き) それとタクトスイッチが2つ付いています。
基板右上が欠けているのは家にある部品縛りのせいです。LCDの保護フィルムは完成したら剥がしますよ

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LCD基板の下にはPIC16F1709とゲートドライブICのIR4427が載っています
IR4427は中に2回路入っているので今回のような回路には使いやすいですね そして安くて電流も結構流せる

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LEDはとりあえず秋月ヒートシンクにつけてみました。 

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実際に動かしてみた時の動画です


ちょっと明るさがわかりにくいかも

LCDの1行目は実際の出力、2行目がバッテリーの電圧になっています。
いまのところ1W~100Wまで設定することができます。 1~10Wは1W刻み、10~30Wは5W刻み、それ以上は10W刻みで設定できます(このあともプログラムを変えると思うので今のとはちょっと変わるかもしれません)
出力制御の仕組みは単純で、出力を設定する→LED電流と電圧を測定する→出力が設定した値よりも低かったらPWMデューティー比を大きくし、大きかったら低くする、といったふうになっています。

100W連続動作させてみましたが、MOSFETたちはギリギリずっと触っていられるくらいの温度でちょっと熱いです(計算上3~4W程度の発熱(多分))
LED本体は100W全て消費しているので熱いのは予想できてましたが、流石に秋月ヒートシンクは無謀でした。強めのファンで放熱してやっと触れる程度になります。

これは例の2相PWMのテスト時の波形動画です。ちょうど半分ずれていると思います。このおかげで小型で低損失にできるってことですね。10bit分解能があるのでなかなか細かい出力設定ができるようです。
 



保護機能が動作したときはすぐに発振が止まるようになっています。
出力電圧の過電圧保護が動作した時の波形

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コイル電流の過電流保護が動作した時の波形(黄色が電流)

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といった感じでそれぞれうまく動作しているようですが、高出力時に誤作動してしまうことがわかりました。
おそらくノイズで誤作動してるようですが、もうなんかめんどくさくなったし、プログラムでも保護掛けてるし、もういいかなぁ~~ーってなって、結局保護機能はなくしました......まぁまだ一度も部品壊れてないしいいでしょ
なのでシャント抵抗を外そうか検討中...意外と発熱あるんだよね


ちょっとプログラムを変えて遊んでみた。じわっと光ってじわっと消えるやつです。



ということで基板は完成しました。あとは筐体も作らなければいけませんが基板作って満足しちゃってる感。完成はいつになるのやら 



~最近の秋月彼岸花の様子~
花は咲かずに草生えてます。草生える 

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間に合わせ記事

文化祭がありSSTCを展示させてもらいました

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マシュマロを焼いてる(たまに燃える)

1年ぶりくらいに動かそうとしたら二次コイル切れてたんだよ(ブチギレ)半田で無理やり付け直しました
ケースはMDF材からアクリルで作り直してみました。回路は特には変更点はありません。かなり放電させてたのにどこも壊れなかったので良かったと思っています。
また、今回MIDIインタラプタをちょっと改良したので放電動画また今度上げますたぶん
記事書きました:ドラム風に放電できるインタラプタ
以上 

秋月電子で買った彼岸花が咲いた

毎月1つは記事を書こうと思っていたのですが、9月はホント何もしてなくて記事にしようにもできない状況です。
そういえば秋月電子通商で買った球根が9/10に開花しました。

こちらはつぼみの時
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咲かけ
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満開
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綺麗です。ね 
2つ植えたはずですが1つしか咲いてくれませんでした。テキトーでも咲くだろーーとか言ってたけど流石に管理がいい加減すぎたかも
これくらいしかネタがありません 以上です

多段式レールガン

多段式レールガンを作りました。方式はいつもどおりソリッド高オーグメント針金アーマチャです
携行型レールガンに搭載するレールガンの構造試験と多段式の試験を兼ねています

撃ったあとの写真しか撮ってません
片側共通レールの3段式です。オーグメントは共通レール側に接続してあります。
全長10cm 1段2cmです

Cpvf2geUMAAKEfe

1段200J*3段で合計600J入力です
音的にも見た目的にも音速を超えているようですがどうも弱いみたい

一回分解してレールを見てみました
3段式なので3箇所損傷跡がありますね

CpvfzV3VUAA6tdS


何度か試し撃ちをした後に、今度は弾速計をセットして速度測ったんですよ
そしたらヒビ入ってお亡くなりになった

CptEvrGWYAAPzcF

まぁ2.5mmアクリルだからね、しょうがないね
でもアクリルの厚さだけのせいじゃなくて
1段目で発生したプラズマが2段目で通電、アーマチャとレールに隙間ができたままになりさらにプラズマが発生
そしてその圧力でやられたというのもあると思います(思います)
それと2段目や3段目が放電しない時も結構あったので改善していきたいところです
不安定だったので多段化やめるかもわからんね 

一応初速は測れたので計算してみると

1

弱すぎィ!ただ初速に関しては爆発したから仕方ないと思われる
音速出したとしても効率1.2%ですよ流石にゴミすぎですよねぇ



話し変わるんですがNT用レールガンで、インダクタつけたりオーグメントの巻き数変えたり...など色々して効率あげようとしてたんですが
結果:何もしない方が強い
工夫してみた方は効率1%台で何もしなければ軽々2.5%以上出るんですよね(今回最高で2.95%くらいでました
これもうわかんねぇな
5000兆円欲しい!
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