簡単な電子制御回路の作成方法

2015年11月11日

一応FETの保護付きです

という事で前回の日記のコメントにて
待望されていた方々が思いの外多いのかなーという感じで、コメントの速さに驚きを隠せませんでしたがw
今回、遂にやりたいと思います。
　

ちなみに簡単とは言っても猿でもできる訳ではありませんので悪しからず；
最低限必要な知識と道具は用意して下さい。
飽く迄初心者ではなく初級…あたりに向けた説明書きとなりまして、ネットに転がっている画像に説明を足して掲載したりしますのでお気をつけ下さい。
　
　
では先ず回路の作成に絶対必要な道具から
・ハンダこて　　無い方はホームセンターへGo！熱量は最低限15W。30Wあれば十ニ分
・ハンダ　　　　↑に同じく。
・こて台　　　　無くても何とかなるかもしれませんが、あった方が火傷や床焦がしはしないと思います；w
・カッター　　　ユニバーサル基盤を綺麗にカットするために
・ニッパー　　　↑に同じく。加えて配線の被膜剥きにも重要

：持ってたら良い物：
・ハンダ吸い取り線　こて先とはんだの間に挟むと余分なはんだを吸ってくれます
・バイス(ミニ)　　　基盤や配線を固定してくれるのではんだ付けに集中できます
・ピンセット　　はんだ付けの際指が近くにあってアッチッチを防げます
・フラックス　　あると無いとでは仕上がりがえらく違いがありますが、無くても十分に作れます
・ホットボンド　あると便利な絶縁・配線・パーツの固定グッズ(特にケーブル根元等耐久性↑)
・熱収縮チューブ　全体の絶縁にあったら良い物。安心感は別格(回路全体が入る経)
・テスター　　　あると便利な万能・電気検査道具
・エアガン用ニッケル水素バッテリー(or乾電池)　　動作テスト時に有用(後述)

こんなものかな？

次は肝心の電子パーツ
わかりやすいショップで先週辺りカートに入れた時の画像がありますので
金額を参考にしてみて下さい
(初回日記更新時の在庫・価格です、現在価格は確認を)

と、まあこんな感じでしょうか
ああっと回路だけで忘れてましたが…動作させる為には配線も別途必要ですね；
次世代は知りませんがスタンダード電動ガンならば、18AWGのケーブルがあれば全部通るはずです
できれば導線の断面積が大きい方が高効率なのでゲージ数は16AWG～を推奨します(入るかどうかは現物確認を)
スイッチの配線は20・22AWGなどヒョロヒョロのでも良いですが、簡単に千切れない位の耐久性だけは考慮して下さい
だいたい赤・黒の18AWGケーブルが安くて1M60円位～高くて500円(銀線等)
20AWGならその半額位ではないでしょうか？

パーツに関してはご自身で買う場合は、少なくとも秋月電子の方で商品検索する場合にも
↑の画像にあるパーツ型番やスペックを入れれば簡単にヒットすると思います

それと回路を1個作るにはほんの少しだけ金額が高いですが、それでも微々たる差でしかないので
失敗などの為にパック買いで予備があっても良いんではないでしょうか？
支払いがデフォルトだと着払いになっていますが、カード1回払いであれば手数料もかかりませんので、送料含め約1000円強となります

パーツの数が増えるだけ1個単価も徐々に下がって行くので、初めて作成する場合は、FETやコンデンサ等は3・4個あっても良いかもしれません
ちょっとしたミスやショートでほぼ1撃死してしまう物なのと、単価がかなり安いので損も極めて小さいと思います

それと抵抗のサイズに関してなのですが、とりあえず1/4Wサイズになっていますが
更に小さい1/6Wサイズ等もあり、基盤スペースも若干小さくできるので、手先が器用な方なんかはそちらでも良いかもしれませんが
秋月電子の取り揃えでは種類は少ないので、同店で買う場合は必ず一部が1/4Wサイズになってしまうと思います

あとSBD(ショットキーバリアダイオード)なのですが、一応今回作る回路では一般的な負荷レベルのカスタム(とその他箱出し状態)では必要が無いのと
この秋月電子さんでは電動ガンに使えそうなスペックの物がありませんでしたので
もし必要であれば100Vで3～5A位のSBDを別途お探し下さい
　
最後にヒートシンクですが、秋月で手に入る最小のヒートシンクがぼちぼち大きいです
一応私のMP5Kの内部スペースには入りそうな感じだったので注文してみました(前回日記の最後の画像w)
こればかりは他の電動ガンの内部構造によりけりなので、スペースと相談して下さい
秋月のこの箱型のヒートシンクが入らない場合は、ホームセンターで1mm～1.5mm厚のアルミ板を購入し、自分で好きなサイズにカットして3Mミリネジ穴をタッピングなどで開けて下さい
どうしてもフィンが付いたヒートシンクが良い！という方はパソコン内部の小型チップ用などを代用しても良いと思います

忘れてましたが、FETとヒートシンクとの固定にはネジやナットが必要なので、無ければホームセンターでM3ミリネジ＆ナットを必要な長さ大きさで購入して下さい
それとヒートシンクとFETとの間には熱伝導グリスやシート類があると、発熱した際には効果が上がると思います
が、そもそも制作に失敗していたりメカロック状態で通電放置ではまず即死発熱なのと、そうでなくても『常用で熱い』という事はメカに変な負担がかかっているか、出力の弱いバッテリーで使い続けるなどの割とダメな状況ですので
その要因をまず取り除かないと、ゲーム中に突然死を引き起こす原因になり兼ねないです

私はFETx2を載せていますが、FETとヒートシンクにはネジ1本とナット数個だけですが、最初の搭載からずっと生き続けています

多少道具と手間がかかりますが、ヒートシンクの自作は最終的なサイズで見れば最もアリな選択肢です
あとキットボーイのFET回路には1mm厚のアルミ板が使われていましたので、高さは10mm以下です

ではアイテムが揃ったので作成してしまいましょう

まず先に
今回はFETの販売では有名なキットボーイさんのFET講座にある説明書きと画像に、各パーツ詳細を書き足してみました

個人的には非常に分かり易いですが、これではどう繋がっているかが分からない…みたいな方の為に次の画像があります
　
コチラ↓

こちらもFET講座にあった画像にわかりやすく色々書き足しています
1/4Wと1/6Wサイズの抵抗が入っていたり、画像左側の黒いダイオードがワンサイズ大きかったりしますが
この画像がリビジョンとしては古いFET回路であることと、現行で市販されているこちらの回路を確認してみても
パーツが均一に同等の物が搭載されていたので、電気的には大丈夫なんだろうと思います

というか、少しでも回路なりをはんだ付けした経験がある方は、もう↑の画像だけあれば同じものが軽々と量産できると思います

これを見ても裏側が分からない！とか不安な方はもう少し続きます

こちらの画像が、キットボーイ回路を丸ごとパクった同サイズの基盤と回路となります(拡大推奨)
しかし抵抗が1/4Wサイズで大きいため、同じように配置すると高さが出来てしまうので、一部パーツを斜め配置にしたりしています

それとこの画像の回路なのですが、一度電動ガンに搭載して動作チェックまでしましたので
配線を乗せたハンダ部分がだいぶ汚く見えてしまっています；
左上の赤丸の部分なんですが、くっ付いてはいませんので！真似して作る方は重々気をつけて画像の通りに線を確認しながらハンダで結線して下さい；

画像が見難いと思われた方はごめんなさい！
頑張って上下の画像を見比べて下さい！（

それと気をつけて頂きたいのは、こういったFETの頭？の部分の金属が露出している箇所、ネジ穴が空いた部分ですが
ここは『D：ドレイン』と直結したむき出しの導体なので、ヒートシンクを搭載する場合は絶縁もしっかり行って下さい

最悪なのが回路完成！動作OK！ヒートシンク熱くない！でメカボックス等の金属の近くに配置して組み込んでみたら
フルオート止まらん！(´；ω；｀)ﾌﾞﾜｯ
みたいな症状ですが、まさにメカボックスや本体メタルにヒートシンクが触れてしまっていてスイッチが入りっ放し！　+　FETも一撃死！の電流が流れ続けてしまいます
そうなったらほぼ1から作り直しですのでお気をつけて…

　　
あとこの回路ですが、FET1石でも一般的なライトカスタム…メカボックスに高負荷・高負担となるレベルのパーツが入っていなければ
まず壊れる心配はありません
発熱具合も、12Vや11.1VであってもM120より超えるようなスプリングや、それを回す為にとモーターも海外製なんかでなければ大丈夫だと思います

唯一心配なのは、雨や銃内部に配置して金属パーツ・メカボックスに当たってショートしたり
メカがロックした状態で長時間トリガー引き続けたり(バッテリー性能によりけり)しなければ大丈夫だと思います

セミもフルも一切動かない場合は早急にトリガーを引くのをやめて、メカボをバラすか外側からラッチ等を解除してリセットして下さい
FETが死ぬか、そうでなくとも寿命は縮んでいますので…
　
　

では最後に、ここまでで上の回路を更に小型化させ更にFETを2石にさせた物です
基盤サイズはだいたい2/3位でしょうか。同じく電動ガンにて動作チェックをさせた後に外した物なので、ハンダがうす汚く見えますが…

それとコンデンサーがやけに巨大ですが、試しにデカい物を搭載したらどうなるのかな？と480μFが家にあったので入れてみましたが…
よくよく考えると多分これ、セミオートを2・30分くらいずっと引き続けても大丈夫だよ的な回路になっただけで…実践ではまず役に立ちませんね；w
実際の動作にはなんの差も感じられませんでした

この回路のコンデンサはサージ対策と共にコンデンサの電力を使いFETの動作を機敏にする役割ってだけなので
多分セミオート50連発程度までなら100μFくらいのサイズでも十分足りる感じがしますね
ただ単価がそれほど差が無いので、基盤サイズや安心マージンとしても220μFでいいとは思いますが…

あと元々のキットボーイさんの回路のユニバーサル基板は縦7穴・横5穴で35穴ある基盤でしたが
こちらは7x3穴で全21穴に、加えてFET2石となっています

ちなみに現在はジャンパーがどうにも嫌で、更に穴の数が減って5x4の20穴になりジャンパー無しの状態でFET2石です
流石にこれ以上小さくするとジャンパー本数も増え結線も大変で、しかも電気ロスが大きくなりそうな不安があるのでやりません…
4x4の16穴ユニバーサル基板などが最安価格ですが、間違いなく配線が暴れると思います…
…頭の柔らかい方はうまくできる可能性があるかもしれません？
　
　
で、配線するとこんな感じです
　
　

ｺﾞﾁｬｧｯ

どう日記を買いて画像を使おうか考えていませんでしたので、実はこれ
回路作成→動作確認→配線外し(さっきの画像)→配線再結線(今の画像)→次の画像
みたいなとても無駄な作業をしています；；
おかげでハンダがひどく汚いですが、使い捨てというか見た目気にせず丁寧さゼロに動けば良い体で作ったのでご了承下さい…
多分こんな状態のまま搭載し続けていては、個人的には怖く感じます。

そういえば定規なんかを置いてこの完成サイズでもと考えていたけど、スッカリ忘れていました；
ケーブルを抜いて回路全体サイズが、だいたい長さが40mm位で幅は15mmで、部品パーツよりヒートシンクの方が背が高いのでコチラも15mm位です
表面実装のチップ型電子パーツなどを揃えれば大きさが半分以下になると思いますが…
あとはヒートシンクをアルミ板にするなどで高さは半分以下になりますね
パーツを全て同等スペックの表面実装品で組んだ場合は、基盤やヒートシンク含めても5mm未満で済みそうです

労力と金額が個人的には吊り合わない感じがしましたのでやりません；w
搭載できて動けばいいのです！
　
　
それではテストに入りましょう

2/3サイズに小型化させたFET回路のテスト画像です
テストですので、いきなりリポやリフェなどのバッテリーでの動作テストは極力避けた方が良いです
作成した回路がどこかでショートしていた場合、最悪はリポバッテリーなどが暴走して怪我や火災になる恐れも十分ありますので
お手持ちのバッテリーにニッ水などがあれば安心感は増すかと思います

ということで↑の画像ですが、バッテリーを接続した状態でモーター配線にテスターを当てると、約380mVと表示されています

これはコンデンサーからの電力で、バッテリーから続々と小さい電気を吸い上げていますので、テスターの表示が0V～400mV辺りまでをぐるぐる延々と回っています
この回路を搭載した電動ガンに、バッテリーを接続したまま1日放置してしまいますと
リポ・リフェなどでは容量によっては危険なので、その点は重々気をつけて下さい
心配でしたらアラーム等でオートカットする物などを用意する事をお勧めします
　
　
ではトリガーを引いてみましょう

容量がだいたい70％位であろうニッ水のバッテリーですが、トリガーを引くと電圧が8.8Vを指しています
回路は正常に動作していますねー

この状態ならばモーターはしっかり元気よく回りますね！
もしリポなどしか手元になくテスターも無い場合は、適当に乾電池4本を使いライトやモバイル充電器等に入れ、両極端にケーブルを差し込んで
モーターを組み込まず外に出した状態で接続をし、トリガーを引いた時だけ回転するかを確かめれば良いと思います
電池の容量にも寄りますが、5Vもあればモーターは楽に回ります
4本電池ケースなどはホームセンターに200円程度で売っているので、代わりになる物が無い場合は火事になる前に用意した方が良いと思います

回路が失敗していた場合はモーターも一切回りませんし、回路のどこかで結線を失敗していますので見直す必要があります
最悪なのは何もしていないのにケーブルやバッテリーやFETが熱をもち始めたりする時で、火を噴いてからでは遅すぎるので大至急ケーブルを抜きましょう…
まあそういう最悪なパターンの時は、バッテリーを接続する瞬間にコネクタ接触時に火花が出るはずなので、その確認は怠らないように…
そこに気が付かずブスッと刺すと、数秒後にはFETから火を吹いたりバッテリーが急速妊娠する可能性があります；
　
　
ここまでやって安心の確認が取れたら、初めてメインのバッテリーを接続しましょう！

出ましたTRUNIGY BOLT
まったく恐ろしいバッテリーです…
こいつの所為(自分の確認の甘さ)でFET回路を2個も壊しました；w(下記)

とりあえずトリガーを引くと12.3Vですねー
現状は快調と言えると思います

まあ、その、壊した原因なのですが、その理由が

・LONEXモーターが突入電流に最大200A前後までの莫大なパワーを吸い上げてしまう超級モーターなのが一つ

・TURNIGY BOLTが表記では瞬間380A辺りまで放電可能な性能なこと

この2点に尽きますね…；w
要するに、FETのキャパを完全にオーバーしていたのです；
一応表記上のスペックでは
最初に買ったFETが、IRLB3034PbFは190A辺りまで
今回新たに私が用意したのが、IRLB3813PbFは260A辺りまで
となりますが、電子工作をした人間なら、どう考えても誰が見てもこれは誇大広告です…
まあ想像の話なのですが、少し盛っても1石だいたい100Aちょいが関の山かもしれません
なので3813石を2石用意して今は組み込んでいるんですよね；w

ただこの並列方法は簡単で制作も楽なのですが、電気回路として実は完璧ではない様で、やはりしっかりと電流制御された物ではないので
どちらかの石に大きく電流が流れてしまった場合には…という説が現状有力です
最近情報が多く出回っているのと、エアガン規制のおかげ？でそういう話を聞きませんが、至極一般的なよく見る簡素なFET回路ですと
エアガン規制される前のような時に初速100M/sを軽く超える改造でFETを3石も積んでたのに、2・3マグでFET死んだ燃えた！なんて話もありましたし…

加えて一応電子パーツを今回買う機会があったので、保全のために私はSBDも同じく買いました
100V 5Aで1本3・40円だったかな？なので必要無さそうなのに10本もまとめ買いですw
一応LONEXモーターの電力消費に間に合う計算なはずだと思います

今の所この状態で数年単位で使い続け撃っていますが、まだ快調な様です
　
　
あ、段落がもう足せない…
という事でとりあえず電子回路の話はこの辺で終了しまして
多分すぐ次の更新として出す話で〆たいと思います

一先ずのご清聴？ありがとうございました

※同年12/18追記
自作でもそうでなくともFET回路の搭載に関して気をつけるべき事
また注意事項という所で今回の日記に抜けがありましたので、後日追記しました

自作FETについての追記…
http://svgr.jp/my/mp-gale/diaries/38037
こちらも確認なさって下さい。失礼しました。

※16/05/04　追記・今更気付く画像ミス…文字と共に修正

※2017/06/15　文章再編集

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