【ワレコの電子工作】ラッチングリレー式アンプ・SPセレクターにパーツ半田付けした【トラブル発生したが無事解決】

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写真 お洒落なオーディオ装置だ

この所、幾つかの電子工作や木工DIYを並行して行っている。

その一つのラッチングリレー式アンプ・SPセレクター製作プロジェクトを再開した。

下の前回記事で紹介したように、KiCadで設計してPCBgogoさんで作成した専用プリント基板は既に到着している。

プリント基板の完成度も高く、あとはパーツを半田付けすれば動くはずだ。

当記事では、基板一枚(リレー六個制御)にパーツを半田付けして、動作確認した過程を紹介したい。

結論としては、トラブルも有ったが無事に解決して正常動作したので一安心。

では、本題に入ろう。

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自作した専用基板にパーツを半田付けする

下写真の白色レジスト基板は110x120mmくらいの大きさで、V-Cut加工が入っているのでパキッと折れば三分割出来る。

写真 基板ホルダーを使うと半田付け作業がやり易い

分割した基板一枚当たり二個のラッチングリレーを搭載できるので、それで一台のスピーカー信号のプラスとマイナスを同時にOn/Off出来る。

従って、上写真の三連基板が二枚あれば六台のスピーカー信号を制御出来る。

そのセットを二つ使えば、六組のスピーカーの左右信号を制御出来る6系統切り替えスピーカーセレクターが完成する。つまり三連基板が四枚必要。

入出力を逆に接続すれば、アンプセレクターとして使う事が出来る。

と言う事で、現在計画している6系統切り替えスピーカーセレクター、6系統切り替えアンプセレクターを作成する為には、この三連基板を八枚作成すれば良いのだ。

PCBgogoさんで作った基板は十枚あるので基板は足りる。あとは半田付けするだけだ。

ワテお勧めの半田付け作業の便利グッズ

前々から欲しいなあと思っていた下写真に示す基板ホルダーであるが、実売価格四千円弱なので、安くは無い。

でも実際に使ってみると、とっても便利だ。

何と言っても便利なのは基板を固定したまま回転させられるので、パーツを挿し込む時には表面を向けて、半田付けする時には回転させて裏返せば良いのだ。

よく似た類似品も出ている。

フレキシブルなアームで固定する方式もある。

まあどれを使うかは好き好きだが、兎に角、この手の便利な基板ホルダーを使って半田付け作業をすると、効率よく作業出来る。

パーツは事前に値を計測しておく

ちなみにワテの場合は、抵抗、コンデンサは取り付ける前に必ず値を測定して確認しておく。

写真 ワテ自作の抵抗、コンデンサなどの値を計測するのに便利なツール

上写真の計測ツールは、ネオジュウム磁石を使っているので鉄分が含まれるリード線なら、手を離しても吸い付くので計測し易い。

もし非鉄金属の場合には、指で軽くリード線を押さえてやればテスターで値を計測できるのだ。

大量のリード型抵抗の値を次から次へと計測するなどの場合に、物凄く作業性が良い。

なお、今回は沢山のパーツを使うので、一個十円くらいの金属皮膜抵抗も何十個も使うとコストも増える。なので、秋月電子で買った値段の安いカーボン抵抗を採用した。誤差5%品なので300KΩなら285KΩ±15KΩくらいのバラつきがある事になる。

実際に計測してみたところ、296KΩなので、誤差2%程度か。まあまあ良さそうだ。

ちなみにワテの場合、カーボン抵抗の薄いベージュ色の素朴な色合いが好きだ。

事前にパーツの値を計測するのは手間が掛かる作業だが、自作電子工作を成功させるためにはお勧めの方法だと思う。

なぜなら、もし完成後に正常動作しない場合、事前にパーツの値を計測して取り付け間違いが無いと言う確証があれば、パーツの取り付け違いかな?と言う疑念を払拭できるので原因究明がやり易いのだ。

サンハヤトのリードベンダーを使って抵抗の足を折り曲げる

半田付け作業では、先日完成した実体顕微鏡用のLEDリング照明が役立った。

顕微鏡を使わなくても見えるけれど、やはり半田付けする箇所を実体顕微鏡で拡大して観察しながら半田付けを行うと間違いが無い。

電子工作に必須のサンハヤトのリードベンダーを使って抵抗のリード線を折り曲げた。

サンハヤトのリードベンダーは、一家に一台は常備しておく価値はある。

あるいは一人一個は持っておくと良いかも知れない。

マスキングテープを使って抵抗を仮固定する

ワテ推薦の基板ホルダーは基板を付けたまま回転させられる。

そうすると、基板の表裏を簡単に入れ替える事が出来るので、半田付け作業に最適なツールだと思う。

写真 マスキングテープで貼っているので裏返しても抜け落ちない

 

写真 抵抗やコンデンサの足は短くカットしてから半田付けする

今回は下写真のようにICソケットを使った。

写真 基板ホルダーを使うと回転させて表裏を入れ替える事が出来る

過去記事で紹介しているラッチングリレー式スピーカーセレクターはICソケットを使わずにICを直接基板に半田付けした。

でも今回は若干ではあるが回路を変更したのと、基板のレイアウトも新規作成したので、一発で動くとは限らない。万一異常動作してICが壊れた場合に交換する手間を考えてICソケットを使ったのだ。

写真 リレーの並列接続が多いのでダイオードを沢山使う

上写真のように沢山のパーツを半田付けするので、ユニバーサル基板に手配線なんて作業はもうワテには出来ない。

電子工作するなら、KiCadなどのEDAツールを使って基板を設計して、基板業者さんに発注するのがベストだろう。

 

リードベンダーはトランジスタのリード線を形成する場合にも使える。

写真 リードベンダーを使ってトランジスタ2SC1815のリード線を整形した

 

写真 リードベンダーで足を整形したトランジスタを半田付けする前

この基板ホルダーは本当に便利だ。

半田付け作業が完了したラッチングリレー式セレクター基板

無事に半田付けが完了したラッチングリレー式セレクター基板(3台のスピーカー切り替え)

写真 半田付けが完了したラッチングリレー式セレクター基板(3台のスピーカー切り替え)

 

ちなみに前回作成したラッチングリレー式スピーカーセレクター(5組スピーカー切り替え、モノラル構成)は以下の通り。

写真 前回作成したラッチングリレー式スピーカーセレクター(5系統モノーラル構成x2)

【ワレコの電子工作】ラッチングリレー式スピーカーセレクター自作【モノラル仕様】
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この初期版のプリント基板はワテがKiCadで初めて設計して、初めて海外基板業者さん(Fusion PCB)に発注したやつだ。

この基板を使ったスピーカーセレクターは正常動作して、現在のワテのPCオーディオシステムで日常的に使っている。

モーメンタリ型プッシュボタンスイッチが五連になっていて、スイッチを押すと対応するラッチリレーがカチカチと切り替わり、五組のスピーカーを自由に切り替える事が出来る。

上写真を見て分かるように、この初期版基板は今回の白色レジスト基板と似た様なレイアウトだが、プッシュボタンスイッチや端子台など外部と接続する配線が多いので完成させるまでかなり時間が掛かった。

今回設計した白色レジスト基板はその時の反省を踏まえて、出来るだけ手配線を減らす工夫をしている。

具体的には、銅単線を使ってジャンパー線を幾つか半田付けしている辺りだ。

リレー部とリレー制御部もV-Cutで分割出来るので、必要なら分割してケーブルで配線しても良い。今回は分割せずに銅単線でジャンパーしている。

ラッチングリレーの並列接続

三連基板の基板一枚当たり、ニ個のラッチングリレーを搭載している。

今回採用したPanasonicのDWラッチングリレーは1aタイプ(通常はオープンな回路が一つだけ)なので、それをニ個使ってスピーカー信号のプラスとマイナスを同時開閉するのだ。

ちなみにこのDWリレーは出来るだけ値段が安いと言う条件で探してたまたま見付けたやつだ。スピーカーセレクターに使った例などは恐らくないと思うが、まあリレーならどんな奴でも大して性能は変わらないと思うので使ってみた。

注意したのは以下の二点だ。

接触抵抗(初期) 100mΩ以下(6V DC 1A 電圧降下法にて)
最小適用負荷(参考値)※1 100mA 5V DC

引用元 PanasonicのDWリレーの仕様書

まあこの仕様ならオーディオセレクターに使っても問題無さそう。それにワテの場合、接点が増えると音が悪くなるなどのマニアックな拘りは無いので、兎に角、簡単に切り替えが出来ればいいのだw

 

ラッチングリレーのセットコイルとリセットコイルの駆動には、それぞれのコイルに2SC1815を使っている。

従って一つの2SC1815で二個のラッチングリレーのセットコイルあるいはリセットコイルを駆動する。

つまり、ラッチングリレーのセットコイルやリセットコイルを並列接続して駆動する事になる。

ネット検索したところ、ラッチングリレーの並列接続に関してPanasonic株式会社さんのサイトに分かり易い資料を発見したので以下に引用させて頂く。

引用元 https://www3.panasonic.biz/ac/j/control/relay/cautions_use/index.jsp

ワテの場合には、セットコイルもリセットコイルもそれぞれ2並列で使う。

従って上図の「図1セットコイルの並列接続」、「図2リセットコイルの並列接続」の両方を真似すれば良さそう。

と言う事で、セットコイル、リセットコイルのそれぞれの下流側にダイオードを挿入した。

リレーがニ個あるので、合計四個のダイオードが必要になる。

コイルサージ吸収回路の研究

一方、DCリレーを使う場合には、コイルで発生するサージ(逆起電圧)対策が必要になる。ラッチングリレーの場合も同様に対策する必要がある。

この件に関してもネット検索したところ、オムロン株式会社さんのサイトに良い資料を見付けたので以下に引用させて頂く。

引用元 https://www.fa.omron.co.jp/guide/faq/detail/faq02804.html

(2) コイルサージ吸収回路を外付けする。

  DCコイルのリレーを駆動する場合:ダイオード方式が一般的です。

  ACコイルのリレーを駆動する場合:バリスタ方式、CR方式が一般的です。

引用元 https://www.fa.omron.co.jp/guide/faq/detail/faq02804.html

今回使うラッチングリレーはDCコイルなので、このオムロンさんの資料の説明に従って、ダイオード方式のサージ吸収回路を外付けした。

一個のリレーでセットコイルとリセットコイルがあるのでダイオードが二個必要になる。三連基板の一枚当たりでは二個のリレーなので合計四個のサージ吸収ダイオードが必要になる。

このダイオードの耐圧はDCコイル電圧の10倍くらいの耐圧が必要なので、120V以上のダイオードを使えば良い。今回は1N4007(耐圧1000V)を採用した。

 

と言う事で、三連基板の一枚辺り、並列接続ダイオードが四個、サージ吸収ダイオードも四個必要になる。その結果、リレー制御基板の上に多数のダイオードを取り付ける事になったのだ。

ラッチングリレー式スピーカーセレクター基板の動作確認する

実験用の定電圧電源を使って電源を供給した。

SN74HCT00とSN74HCT14を使っているラッチングリレー制御回路にはDC5Vを印加する。

一方、ラッチングリレーはDC12Vタイプを使っているので、二台目の定電圧電源はDC12Vに設定した。

写真 DC5VとDC12Vの2電源を供給して実験開始

なお、DC12Vリレーを採用した深い理由は無い。

同シリーズで、コイル電圧は3/5/6/9/12/24Vの六種類があったのだが、手持ちのACアダプタは12Vが多いので12Vタイプのリレーを採用したのだ。

CMOS IC駆動電圧は5Vなので、5V版リレーを採用すれば5V単電源で行けたかも知れない。

でも、正確に言えばリレーコイルの並列接続ダイオードを入れたのでその分の電圧降下があるので0.7V程度は少なくなる。5V電源ならコイルに印可されるのは4.3Vくらいか。

リレーはコイル定格電圧±5%の範囲にて使⽤してください。

引用元 PanasonicのDWリレーの仕様書

4.3Vと言うと、5Vの86%なので、±5%の範囲(4.75~5.25V)に入らない。でもまあそれでも多分動作するとは思うが、単電源で行く必要性はあまり無いので12Vリレーを選択したのだ。

動作するがコイルから振動音が聞こえる

この基板を使って作る本番機ではモーメンタリ型プッシュボタンスイッチを六個付ける予定だが、ここではスイッチを取り付ける場所を電線でチョンチョンと接触してスイッチ代わりにして動作確認した。

その結果、いい感じでラッチングリレーがカチカチと音を立てて切り替わっている。

良い感じだ。

でも、何かおかしい。

DC12Vを供給している定電圧電源の電流表示を見るとリレーが切り替わったあとも50mA程度の電流が流れ続けているのだ。ラッチングリレーを使っているので、リレーが切り替わる一瞬だけ電流が流れるはずなのだが。

採用したラッチングリレーのセットコイル/リセットコイルの抵抗は360Ωなので、一瞬だけ流れる電流は

12V / 360Ω = 33mA

と計算できる。スイッチを押したタイミンングで現在セットされている二個のリレーのリセットコイルが反応する。その直後にスイッチが押された基板の二個のリレーのセットコイルが反応する。

従って、最大で

 33mA x 4 = 132mA

程度の電流が一瞬だけ流れるはずだ。

セットコイル・リセットコイルに通電する時間は設計では共に40ミリ秒程度にしている。

ところが実際には、何故かコイルが切り替わったあとも50mAほどの電流が流れ続けている。

かつ、リレーの辺りから微かな音でジリジリ鳴っているような音が聞こえるのだ。

その50mAの電流はそのまま放置していると数秒後とか数十秒後に自然にゼロになる場合もある。あるいは、何十秒経っても流れ続けている場合もある。

う~ん、おかしい。発振でもしているのか?

でも、74HCT00で作成したD-latch回路の部分はテスターで計測すると正しく動作しているようだし、その出力パルス信号を使ってラッチングリレーを駆動する回路は、初期版ラッチングリレー制御回路とほぼ同じなので、正常動作するはずなのだが…

分からんw

と言う事で、暫くは別の作業をして頭を冷やす事にした。

ちなみにコイルに印可するパルス幅を40ミリ秒にした理由は以下の通り。

DWリレー使⽤上の注意事項
● セット、リセットパルス時間
  ラッチングタイプのセット、リセットパルス時間については使⽤周囲温度の変化やご使⽤状況における確実な動作のため、コイル印加セット、リセットパルス時間はコイル定格電圧で、30ms以上とすることをおすすめします。

引用元 PanasonicのDWリレーの仕様書

振動音問題が解決して無事に完成したスピーカーセレクター基板

今回作成したラッチングリレー制御回路は以前にLTspiceでシミュレーションしていたので、その回路図を眺めていたがジリジリ音が鳴る原因が分からない。

写真 動作確認作業中のラッチングリレー式スピーカーセレクター兼アンプセレクター

念のために、オシロスコープでコイルの下流部分(並列接続ダイオードのアノード側)をプローブして波形を観察したところ、リレーが切り替わったあとにはDC12Vで安定すべきにもかかわらず、なぜかDC12Vに鋭いスパイク状の周期的なノイズが重畳している

焦っていたのでオシロの画面を写真撮影するのを忘れていたが、ワテの記憶では下図のような感じ

図 テクトロのオシロで観察された周期的なノイズ波形

それがジリジリと言う音として聞こえているようだ。

時間軸スケールは500μsなので、一周期は1300μsくらいか。周波数だと769.2Hzくらい。まあワテの耳に聞こえたジリジリ鳴る音もそれくらいの周波数だったので辻褄は合う。

でも本来ならこういう時にちゃんとオシロの画面を撮影しておくべきだな。あるいは古いアナログオシロもいいけれど、最近のデジタルオシロが欲しいなあ。そしたら画面キャプチャなんて自由自在に出来るだろうし。

それにしても、マイナス25Vくらいのかなり大きな振幅のスパイク状のノイズだ。電圧レンジが5Vだが、もし10Vレンジにしていればマイナス25Vよりも下に振れた波形が観察されていたかも知れない。それらの観測データを全く記録に残していない。実験データ観察の基礎的な作業を全くやっていないワテである。あかんがな。

兎に角、原因が分からん…

で、暫くして原因が判明した。

配線忘れが有ったのだ。

その配線忘れの部分はどこだったかと言うと、サージ吸収ダイオードの配線だ。

その配線忘れを修正したら無事に解決。

修正後はリレーが切り替わるタイミングで数十ミリアンペアの電流が一瞬(40m秒くらい)だけ流れて、その後は電流はゼロになる。

リレーはサクサクといい音を立てて切り替わる。

お~、エエ感じや。

ほっと一息。

まとめ

当記事では、ワテが新たに作成している6系統切り替えが可能なラッチングリレースピーカーセレクターとアンプセレクターに使う専用基板にパーツを半田付けして動作確認を行った過程を紹介した。

PCBgogoさんに発注したプリント基板は両面スルーホール、ガラスエポキシ1.6mm厚、白色レジスト、有鉛ハンダメッキ処理、銅箔30μm厚、V-Cut加工済で十枚作成した。

基板製作費が50ドルくらい、中国郵政(China Post)送料が10ドルくらい、合計六千円くらいで製作出来た。

その基板一枚(三連基板)にリレーを六個、抵抗、コンデンサ、ダイオード、ICソケットなどを半田付けした。

半田付け作業は何回かに分けて行ったが、延べ作業時間は二時間程度だ。

専用基板にパーツを挿し込んで半田付けするだけで良いので作業性は良い。

従来ならユニバーサル基板に手配線をして目的とする回路を作成していたが、専用基板を外注するようになってからはそんな面倒な手法には戻れない。

半田付け完了直後の動作確認では、リレーは切り替わったのだが、リレーから原因不明のジリジリ音が出るのと、リレーが切り替わったあとにも何故か50mA程度の電流が流れ続けている。

オシロスコープでコイルの下流部分をプローブして波形を観察したところ、リレーが切り替わったあとにはDC12Vで安定すべきにもかかわらず、なぜかDC12Vに鋭いスパイク状の周期的なノイズが重畳している

で、結局は配線忘れが有りその部分を修正したら無事に解決した。

ワテの場合、ラッチングリレーを使った電子工作をこの所よくやっていたのだが、リレーコイルに入れるサージ吸収ダイオードは、取り敢えず入れておけば良いから兎に角入れていた。

でもコイル電圧が12Vくらいならサージ吸収ダイオードが無くてもたぶん問題無く動くんじゃないかな?なんて思っていたのだがその考えは間違いだった。

今回のトラブルを通してリレーコイルのサージ吸収ダイオードの必要性を良く理解する事が出来た。

要するにワテがオシロスコープで観察した波形こそが、サージ電圧だったのだ。

ワテの理解では、サージ電圧とは一瞬だけ発生する単発のスパイク状の波形だと思っていたのだが、今回の例のように何十秒も継続する場合があるとは全く知らなかったw

と言う事で、無事に3台モノーラル分のスピーカーセレクター基板(三連基板が一枚)が完成したので、あとは同じ基板を21台分(三連基板が七枚)を作れば良いのだ。

そうすると、合計24信号のプラスとマイナス信号を開閉出来る(三連基板が八枚)。

そのうちの6信号+6信号を使って左右6組対応のスピーカーセレクター、

同じく6信号+6信号を使って左右6台対応のアンプセレクターを作る事が出来る。

そんな大量のスピーカーもアンプも持っていないのが、そんな多系統のセレクターを作ってどうする!?と言う意見もあるかも知れない。

でも、自作のぺるけ式アンプなどを今後も何台か作りたいし、真空管アンプにも挑戦したいと思っている。あるいは木工DIYもやっているので自作のスピーカーも作りたい。

そう言う場合にセレクターが有れば完成したアンプやスピーカーをいつでも聴ける状態に出来る。

そして最終的にはワレコオーディオショップを開店するのだ!

本店は秋葉原、大阪日本橋にも支店、あと全国の都道府県にも出店したい。

ほんまかいなw

と言う事で基板にパーツを半田付けするだけなので、この土、日、月(秋分の日)の三連休を利用して一気に完成させるかな。

続く

スピーカーセレクターを買う

手軽にスピーカーを切り替えられると音楽を聴く楽しみが増える。

そんな貴方にお勧めなのが以下の製品だ。手頃な値段で4系統のSPを切り替えられる。

 

もう少し予算があれば、ラックスマンの高級スピーカーセレクターもある。

 

あるいは同じシリーズでラインセレクターもある。

 

あるいは、オーディオデザイン社の以下のスピーカーセレクターも有名だ。

 

ワテみたいにアンプもスピーカーも切り換えたい人は、以下の製品がお勧めだ。

かなり高いけど。

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