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その２で電源・スイッチ・アンプ回路の検討をしたので、ユニバーサル基板に組んでテストしました。

結果、問題点が数点見つかったので、その話を書きます。



修正前回路：


■問題点１
表示を一時OFFする機能のため、スイッチ押したらオペアンプ（平衡－不平衡変換用）の電源を落とす作戦でしたが、R2→R3→R4の経路で信号が伝わるので、完全OFFできないことが判明。そりゃそうだ。スペアナ側の入力抵抗が20kΩなので、R3を30kΩとしたら入力が1/4にしかならない！保護用ダイオードD2も仕事するので、もうちょっと減衰するかな？とはいえ、結果的には電源OFFしてもスペアナは反応したまま。痛恨のミス。

■問題点２
回路のデバッグをしていると、上記の回路が一時OFF中かどうかが単純に分からない。モニタ用のLEDが欲しい。

■問題点３
これは問題点というわけではないのですが、たかがスペアナ表示にステレオ回路は要らないだろうと、片chだけ配線し、片chはGNDに落とすパターンとしたのですが、ふと、片ch入力と両ch入力で表示レベルに差があるのかしらと思って試したら、両ch（左右逆相）＜片ch＜両ch（左右同相）の順でS/Nが良くなりました。スペアナ内でL+Rを単純加算で合成しているらしく、完全にLRが逆相だと無信号と同じになりました。
ということは、片chをGNDに落とすのではなく、両chにパラで同じ信号を出力した方がよさそうです。

■問題点４
今回使用した三端子スイッチングレギュレーター　ROHM BP5293-50、

高効率なのはイイ感じ（手で触っても全く発熱なし）なのですが、どうも高周波のモスキート音みたいなチーーという音が耳につきます。データシートには「音」のことは一切言及なし。どうしたものか。発振でもしちゃてる？？


そして回路を以下に修正しました。


■問題点１対策
2SC1815+2SA1015でオペアンプの電源を制御する回路はやめて、2SC1815のみで出力側をGNDに落とす方法に変更。むしろ単純な回路になりました。バイアス6Vかけてるので、これをGNDに落とすとR4の分だけ電流が流れるので、R4はちょっと大きく。
ちなみに確実にミュートするには、トランジスタのコレクタとエミッタを逆にして（コレクタ側を接地）、ベースに通常時は負電圧をかけるやり方が定石らしい。しかも2SD2144とか、それ向きのトランジスタがあると。今回は負電源がないし、それなりに（スペアナが反応しないレベルまで）ミュートできれば十分なので、普通のエミッタ接地にしています。

■問題点２対策
上記OFF回路の変更によって、74HC02のゲートが一個浮いたので、そこにモニタ用のLEDをぶら下げました。

■問題点３対策
両chにパラで同じ信号を出力すると、負荷（スペアナ側の入力抵抗）が半分になって、DCカット用コンデンサC6によるカットオフ周波数が上がるので、容量を少しUPしました。

■問題点４対策
BP5293-50のパッケージをふと指で押さえると音が止むことに気づきました。そういうことであれば、制振ゴムを貼るとかで何とかなりそうです。


基板検討は終わったので、次、マウント方法について書きます。

スペアナDIYキット製作と車載の検討　その１の続きです。

車載に必要な追加回路として
・DCDC
・バランス－アンバランス変換
が最低限必要ですが、それだけだと基板の面積が余っているので
・LED表示のOFF機能
を追加しようと思いました。気分によってチカチカが鬱陶しいときに、切れるように。空きDINのスペースに設置する関係でメカニカルな電源スイッチを置くスペースがないので、小型のタクトスイッチを基板裏に仕込んで、それでON・OFFをトグルで切り替えできるような回路です。

プッシュスイッチでトグルする回路を探していたら感動的な回路がありました。冒頭の図、詳細はこちらに解説があります。何とこれだけでチャタリング除去もできてしまうという優れものです。ただし、インバーター２個だけだと初期状態が不定なので、初期状態を固定するにはNORかNANDを使う必要があるとのこと。手持ちのロジックICを漁ったら、丁度良くNOR（74HC02）が1個だけありました。20年近く前に買ったような？
まぁ動作確認したら普通に動いたので(ﾟεﾟ)ｷﾆｼﾅｲ!!

で、このロジック出力を使って、スペアナの表示を表示を切るのですが、いくつか案があります。

■5Vの電源供給を停止
真っ先に浮かぶスペアナ基板に供給する電源を止める案です。0.5A級のスイッチングが必要、かつ上述のロジック回路の5V電源は確保する必要があるので、DCDCの後に入れる電圧降下の少ないハイサイドスイッチ、ということになり、P型のMOS-FETにしたいのですが、これは生憎、手持で丁度いいのが無かったので没。

■入力をミュート
このスペアナは無入力がしばらく続くと、スリープモード（一番隅のLEDを1個だけ残して全消灯）になるようでしたので、この仕様を活用して入力をミュートすることを考えます。スペアナへの入力をミュートするには、バランス－アンバランス変換回路の入力側を切る、出力側を切る、オペアンプの出力オフセットを過大にしてクリップする（DCカットすると出力０になる）、オペアンプの電源を落とす、といった方法が思いつきますが、確実なところで「オペアンプの電源を落とす」案を採用しました。こちらは電流が少ないので手持ちの2SC1815/2SA1015で十分対応できます。

→2020/7/8　この方法は失敗でした。出力側を切る方法に変更しています。　


全体を回路図にまとめるとこんな感です。


左半分がトグルスイッチ回路です。定数は若干変えてあります。トリッキーな回路なので念のためシミュレーションしてみたのですが、どうも先述の記事のとおりだと初期状態を「ON」に固定できませんでした。よってC8とR14で時定数回路を組み、更に、もう一個インバーターを通して初期状態ONを作っています。この出力（5V）を2SC1815/2SA1015を使って14Vをスイッチします。その後、アンバランス－バランス変換回路（右半分）用の定電圧をツェナーダイオードで作ります。

バランス－アンバランス変換回路に使うオペアンプは昔買ったLF411Cを使いました。音質関係ないので何でもいいと思います。ここにスピーカー出力（＝BTLのバランス信号）をぶち込みます。それっぽく動けばいいので片chだけです。
このオペアンプの電源を落とすと入力のバイアスが無くなって入力端子＜0Vとなってヤバそうな感じがするので保護用のダイオード入れています。

14V→5V変換は三端子レギュレーターだと発熱が気になるのでDCDCを物色したところ、秋月電子で丁度いいのがありました。定格1Aで240円です。「三端子DCDCレギュレーター」だそうです。


基板の実装検討したところ、この部品点数でも小さいユニバーサル基板（72×47mmのやつ）で余裕で空き地ができました。

意外と入りますね。もっとなんか詰め込むかぁ！？、否、製作進んだら、また続き書きます。

「懐かしのオーディオスペアナとスピーカー配線考」で書いたスペアナの車載計画です。AK1616-GというスペアナキットをAliExpressで$26くらいで購入し、1カ月くらいかかってようやく届きました。早速組み立てと動作確認をしました。




■キットの中身
届いたキットはこのようなもので、なんとドキュメントの類は一切なし！


といっても基板のシルクで大体分かるのと、ハンダ付けの必要な部品はDIPのバーLED16本と基板間コネクタ3点のみなので、まぁ簡単です。ただし、段取りを間違えるとえらい目にあいます（あいました）。基板間コネクタはLEDの下に隠れるので、先につけなければなりませんが。調子に乗ってLEDをどんどんつけていったら１か所やらかして18ピンもあるLEDを剥がす羽目にorz　パッドが死なないよう祈りながらハンダ吸い取るわけですけど、向こう半年分くらいの運を使ってしまった気がします。

さて、落ち着いてメイン基板を眺めてみる。主要なチップは、写真左から

汎用OPアンプ（LMV358）
LEDドライバ（SUM2017）
マイコン（STM32F103C8）
謎IC（ATMLH916）
LEDスイッチ（ICN2012）
といった具合です。72MHzのCortex-M3でリアルタイムFFTしてる感じでしょうか。OPアンプとマイコン以外は中国ローカル品のようです。ATMLH916は、ATMEL製かと思いきやそうではなく、コピーICっぽいですが、データシートが見つからず詳細不明。役割を考えるに、設定記憶用のEEPROM？


■操作概要
基板に３つ（∧∨＜）のボタンがあり、これで各種調整ができますが前述のとおり、説明書がないので手探り．．．を覚悟したところで、AliExpressの商品説明をよく見たら操作概要が書いてありました。難解だったので解読結果をメモ。

∧∨クリック：スペアナ演出切替え
＜ダブルクリック：スムージングON・OFF（イマイチ違いが分からない）
＜トリプルクリック：LEDの1セグ目（一番下）の常時表示ON・OFF
∧∨同時長押し：上下反転
∧∨＜同時長押し：LEDチェックモード（全点灯）、＜長押しで終了。
∧長押し：輝度UP
∨長押し：輝度DOWN

＜長押し：調整モード、＜長押しで終了。
　バー速度、ピークホールド時間、ピーク減衰スピード、スムージング
　を∧∨で調整。

＜長押し（10秒）：初期設定に戻す

■動作テスト
入力はステレオミニプラグで、レベルはAGC（オートゲイン調整）と商品概要に書いてあったので、ある程度の入力レベルがあれば、よし成りに反応するようです。ヘッドホン出力をつなげてみたところ、かなり音量上げないと反応しませんでしたが、動作確認はできました。上述の調整モードであれこれ弄ったら反応速度も申し分なく（これ大事。かつての蛍光表示管のように！）、いい感じの表示になりました。

■車載の考察
さて、車載するにあたっての考察です。
まず電源ですが、商品説明見ると5V 0.6Aとなっています。ACC電源から5V作ると、14V→5Vと10V近く降圧することになり、３端子レギュレーターだと発熱が物凄そうです。消費電流を実測したところLED全点灯しても0.1～0.2A程度でしたが、それでも2W近く発熱。試しに手持ちの３端子レギュレーターで実験したら案の定、数分で放熱フィンが触れなくなりました。ノイズの観点では３端子レギュレーターも捨てがたいのですが、スイッチングDCDCを調達する必要がありそうです。秋月電子で数百円くらい。100均の（300円？）シガープラグのUSB電源をバラしてもいいかも。

また、現在使用している楽ナビだと、プリアウトがないことが判明。サブウーファー出力があるのでこれを使おうと思ったら、LPFを切れないようです。なのでスピーカー出力からラインレベルを作ることを考えます。スピーカー出力はBTLなので、手軽にやるなら変換トランスでしょうけど、スピーカー以外に誘導負荷をぶら下げるのがどうにも気持ち悪いのと、感度調整ができないので、OPアンプで検討します。例えば
こちらで紹介されている平衡→不平衡（バランス to アンバランス）変換ですね。これを元に以下のような回路で変換を行うこととします。



負電源を用意するのが面倒なので電源電圧/2だけオフセットかけて、出力でDCカットしています。スペアナの入力に使うだけなので出力のクオリティは(ﾟεﾟ)ｷﾆｼﾅｲ!!
また、入力がAGCとはいえ、どれくらいが丁度いいのか分からないので、47kΩの可変抵抗でゲイン調整できるように。30kΩが基準（ゲイン１）で、それより大きいと増幅、小さいと減衰となります。こんなことしたら入力インピーダンスが不平衡になりますけど、まぁ元々インピーダンスが低いスピーカーラインに入れるので、ノイズの影響は(ﾟεﾟ)ｷﾆｼﾅｲ!! 予定です。

整備手帳でちょっと書いたのですが、コンデンサーチューンの一環で、EDLC（電気二重層コンデンサー、スーパーキャパシター）を電源ラインに入れるカスタマイズがあるのですが、ちょっと疑問に思っています。

もともとオーディオ系統の電源用に、超巨大電解コンデンサ（EDLCではない、電柱みたいなやつ）とか、サブのバッテリーを入れる手法が伝統的にあったと思います。それとは別に、エンジン系に効くとして、電解コンをバッテリーの端子に入れる所謂ホットイナズマに代表されるようなコンデンサーチューンが出てきた。これが2000年代初頭、みんカラの初出は2002～2003年くらいです。
2010年代になるとホットイナズマの○○倍とかいって、EDLCを使った事例が出てきたようです。みんカラの初出は2009年くらい。
私は、2010年ぐらいまで、みんカラをよく見ていましたが、その後（フォレスターを買うまで）離れており、その間にEDLCが広まったようですね。

EDLC自体は昔からありました。私が電子工作少年をしていた90年代、トラ技の広告にあったEDLCを見て「すごい容量だから家のアンプに入れてみよう（改造）」と思い立つも、スペックを調べてオーディオには適さないとガッカリしたことを覚えています。内部抵抗が高すぎて電流流せない＆耐電圧が低すぎるのです。あくまで「バックアップ電源用」の理解です。

それが、コンデンサーチューンのレポとして、「トルクとか燃費は良く分からんけど、オーディオの音は良くなった」というのを良く見るにつけ、エンジン系への効果は自分も良く分かりませんが、オーディオに通用するものになったのでしょうか。ここ十年くらいで何か技術革新があって、「バックアップ電源用」という理解が過去のものになったのでしょうか？ちょっと調べてみました。


■内部抵抗
EDLCは耐圧が低いので、車載で使うには複数個直列にする必要があります。秋月電子で手に入るEDLCを例に考えてみると、例えば、 25F 3Vだと、車載では最低5個、余裕を見ると6個は直列にする必要があります。

このデータシートを見ると、ESR(等価直列抵抗)：25mΩ(1kHz)、40mΩ(DC)となっています。思ったよりは低いですね。低インピーダンス品となっているので、この辺が技術の進化でしょうか。でも6個直列だと、150mΩ(1kHz)、240mΩ(DC)となります。これが結構大きいんですよね～

普通の電源用低インピーダンス電解コン、例えば 4700μＦ16Ｖ105℃　ルビコンZLHだと13mΩ(100kHz)です。もちろん並列接続すれば更に抵抗は減ります。


■リプル除去性能
電源ラインにコンデンサーを入れた時の波形のシミュレーションをしてみます。
オルタネータの発電波形を、そのままぶち込んで、ナビ・ヘッドユニットの根元に、コンデンサーを入れた時の波形です。負荷はスピーカーを想定して4Ωです。



上がEDLCスタック（25Fを直列接続で約4.2F）、下が単発の電解コンです。容量だけ見たら890倍ですが、EDLCは内部抵抗が高いので、全然リプルが取れないことが分かります。
実際、各コンデンサーメーカーのアプリケーションノートには、大電流系の回路へのEDLCの使用は非推奨（抵抗が高いので発熱大）となっています。

先日の整備手帳で実施した電解コン追加は約9400uFですので、下のシミュレーションと同等以上の仕事はしてくれている筈です。


■充電電圧のアンバランス
EDLCの直列接続は、もう一つ、厄介な問題があります。容量バラつきからくる、充電電圧のアンバランスです。
上述のEDLCでは容量誤差+30% ～ -10% となっていますので、単純に直列接続すると、それだけ電圧も偏ります。試しに下のような容量誤差があったとすると、


一番小さい子は3Vの耐圧を超えてしまいます。容量が均等なら15/6=2.5Vの計算になりますが、容量が全く同じということはないので（温度や経年劣化でも変わるので厄介）このようなことになってしまいます。

ですので、電圧アンバランスを簡易に解消するには、一般的には下の回路のようにバランス抵抗をパラに入れます。ただし、バランス抵抗は「徐々にアンバランスを解消する」ので、電圧が安定するまでは、やはり過電圧になる可能性があります。



例えば470Ωのバランス抵抗にすると、電源投入後1188秒（≒20分）で、3V以下まで落ちます。抵抗を大きくすると安定する時間は短くできますが、もちろん消費電流は増えます。（470Ωだと暗電流5mAくらいです）

■コスト
例のEDLCは単価460円、これが最低6個必要です。電解コンなら100円です。EDLCと同じ値段だったら27個買えますので、これを全部パラにしたら0.127F、0.5mΩの超高性能コンデンサーアレイになります。

■許容温度
例のEDLCだと、周囲温度上限は65℃です。これだけでも車載で使うには不安がありますね。電解コンの場合は85℃～105℃です。

■まとめ
このように、パワー系の回路へのEDLCは、高リスク低リターンのように思います。冒頭に書いた「内部抵抗が高すぎて電流流せない＆耐電圧が低すぎる」の理解は、現代でもさほど変わっていないようでした。もともと鉛バッテリーの内部抵抗が5～10mΩというオーダーですので、EDLCより電流供給能力はあります。周波数応答を高めたいならバッテリー側ではなくて、オーディオ機器側に「電解コン」を入れた方が効果が高い。EDLCを入れる余地がありません。

容量競争の成れの果てで、他のESRとかのスペック無視で、闇雲にEDLCが使われている気がしてなりません。最近のマイルドハイブリッドにEDLCが使われるケースも承知していますが、内部抵抗が低く許容温度も高い専用設計品でしょう。汎用品で売ったら値段は万単位になると思います。

適材適所が大事ってことですね～

前回ブログはDIATONEのプレゼント応募でしたが、21日の当選発表を何事もなくスルーしました。

■懐かしのオーディオスペアナ（グラフィックイコライザー）
YouTubeで、昔懐かしオーディオスペアナを車載している動画を見ました。調べると、AliExpressで、こんなのとか、こんなのが手に入るようです。面白いですね。

80年代後半～90年代前半に少年時代を過ごした私は、いわゆる「バブルコンポ」とか「無駄に多機能なCDラジカセ」に囲まわれて育ったわけで、その象徴でもある「オーディオスペアナ」には思い入れがあるわけです。蛍光表示管（LEDではない）でグネグネ動くアレです。しかも単色か2色（上が赤い）やつが良い。KENWOODのグライコなんか相当憧れました。

なのに2000年代のカーオーディオに備わっていたスペアナときたら

こんなケバケバしいものばかりで、まったく興味がわかず。

そこで上記の製品（というか裸基板だけど）です。昔の質実剛健だった時代の雰囲気がgood。これが丁度1DINのサイズなんで、ナビの上に空いている1DINの空間にはめ込んじゃおうと画策中です。

現状、この1DINのスペースはカミさんのサングラス入れになってますので、怒られたら、「天井にサングラスホルダーがせっかくあるんだからそっちを使え！」と言うことにします。


■前々回のブログで書いたTS-C1736S
20日に注文したら翌日速攻で届きました。

取付けは連休に入ってからの予定ですが、箱を開けて中を観察．．．ネットワークが1730が箱タイプなのに対し、1736はインラインタイプでLo/Hiが分かれています。



前回「ツィーターが高い分、ネットワークをケチったか」などと書きましたが、熱収縮チューブに包れてはっきり見えない部品を隙間から覗く限り、ウーファーのLPF（写真右）はフェライトコイル１個の6db/oct、ツィーターのHPF（写真左）はフェライトコイル＋フィルムコンの12db/octのネットワークとなっていて、どうやら1730のネットワークの写真と同等の部品が使われているようで、品質的に劣るわけではなさそうです。（差はATTの有無のみ）

むしろ、ネットワークが別ということは、バイアンプができるではないか！と、当初予定していなかった悪あがきを画策中です。1736の特徴でもある中音域から鳴るツィーターも、バイアンプなら、より美しく鳴ってくれる筈です。タイムアライメントもバッチリ合わせられます。そうなってくると、当然の帰結として音像定位重視のため、リアスピーカーは迷わず犠牲になってもらいましょうと。
別にアンプもう一個積んで、一人モード（フロントオンリー）と家族モード（フロント＋リア）をスイッチ切り替えしてもいいかなとも思いましたが、うちの家族はナビで動画見たりする習性はないので...「後ろから音聞こえない！」って怒られることもないと想定しますが、そうなったら考えることにします...（その場合多分、秋月あたりのキットでお手軽アンプを自作すると思います。それはそれで楽しそうではありますが）