先日投稿した カブ系エンジン用自動進角CDI ~その3~ シリアル接続で小型化する。を元にしたCDIの作り方ページを開設しました。→カブ系エンジン用自動進角CDIの作り方
今回は敷居を低くするため、切削で作る方式ではなくユニバーサル基板にArduinoNANOを載せる方式で作っています。
またこれまでは下の様なハードウェア的なコントローラーで動作を設定していましたが、これも同時に作ると結構大変なので第一段階はＰＣで設定する事にしています。
ＰＣからの設定は、当初はコントローラーがやり取りする情報をArduinoIDEのシリアルモニターから手入力する方式で記載していましたが、これだと結構面倒です。
そこで急遽C#でGUIなツールを作成しました。このツールはコントローラーのエミュレータになっていて、ハードウェアコントローラーと同じ操作をＰＣ上で実行できます。
ご興味がある方は下記リンクをご参照ください。
また、これまで投稿したCDI製作関係へのリンクです。
カブ系エンジン用自動進角CDI自作の続きです。
先日の自動進角CDIですがサイズが大きくてカブに積み辛かったので小型化しました。
またコントローラーとの接続がパラレル接続だと線を伸ばし難かったので、シリアル接続に変更する事で扱いやすくします。
シリアル接続するにはコントローラ側にもマイコン(本体同様ATmega328p使用)を載せる必要がありますが、配線を伸ばせるとコントローラーをハンドル近くに設置してタコメーター代わりにも使えるのです。
まず本体側・・・
シリアル化によりコントローラーとの接続本数が減ってスッキリしています。
そしてコントローラー側。
こちらはマイコンを追加しています。また本体からケーブル経由で12Vを供給するので、コントローラー内に5Vを作り出すレギュレーターも載せています。
ケーブルを通す電源は5Vにしても良かったかな？LCDのバックライトに比較的大電流を流すのでレギュレーターを通す前の12Vを使ったんですが。。。
そして本体基板のパターンを設計。
なお図では両面基板ですが実際には片面基板に切削して表側(赤色)パターンはジャンパーで配線します。
シリアル接続にした事でコンパクトになり、ほぼ純正CDIと同じサイズにできました。
追記：前回はArduinoNANOの基板を載せていましたが今回はATmega328Pを直接実装したのでこれも小型化に効いていますね。
基板はいつもの様にCNCで切削します。
ところで切削で使う刃物は以前からオリジナルマインドさんで売られている「土佐昌典VC」を使っていますが、だいぶ前から使っているので刃先が劣化して切り跡ががケバ立ってきました。
これ、最近オリジナルマインドのページで見つけられなかったので販売が終了したのかと思っていましたが実は探し切れていなかっただけで、またちゃんとあった事が判り、今回新たに購入しました（１本￥2980円。これ凄くイイんですがちょっとお高いんですよね）。
まあとにかく切削実行！・・・結果、下の写真の様に上下に２回切っていますが、下側は深さ0.15mmで切削したら深すぎたので上側の0.1mmでやり直しました。
使い古した刃物で0.1mmだと切れていない事があったので0.15mmにしたのですが、断線したところがあります。
やはり新しい刃物は切れ味が良く0.1mmでバッチリです。
今回は表面実装のマイコンを載せるのでピッチが細かく、また高圧部分もあるので短絡の心配を減らす為に不要パターンを手作業で剥がしました。
そして部品を搭載。レギュレーターの極性を間違っていた部分はパターンをカットしてジャンパーで修正しました。
その後ArduinoNANO用ブートローダーを書込み、そしてファームも書込みます。
部品搭載後の表側。
高圧用コンデンサは前回のと見た目が違いますが1μF,630Vの同等品です。
コントローラーとの接続用に4pinのXHコネクタを設けています。
そしてコントローラー側のパターンも作って・・・
切削！
こちらは実験的に不要銅箔もCNCで取り除いてみたところ、切削時間は大幅に伸びますが手作業で剥がすよりも楽です。刃物は半月刃を使っていました(土佐昌典VCは切れ幅が狭いし第一勿体ないので)。
切削直後はまだ細い銅箔が残っていますが、これは手作業で除去します。
そして実装（裏面）
本体に接続するケーブルは4芯接続なので古い電話線を使ってグルーガンで補強しています。
またコントローラーは前回と同じケース(MDF材で作成した)に収めています。
現状MDF材ですが、ずっと使うなら防水が必要ですね。
本体側は3Dプリントしたケースに収めます。
これも現状オープン状態ですが、十分にテストした後は樹脂で埋めて防水するつもり。
では前回と同じカブ（息子が50ccをボア/ストロークアップした107ccエンジン搭載車）に積んでみます。
ＣＤＩ本体の小型化によりサイドカバーを閉めやすくなりました。
コントローラーは長めの4芯ケーブル(古い電話線)で接続。
ケーブルを1.5m程度に伸ばしたので見やすい場所にコントローラーを設置できる様になりました。
点火部分はソフト、ハード共に前回から変わっていないので走った感触は前回のままです。
試行錯誤の後が残ったままで汚いですが現状のファームウェアを掲載します。
マイコン(本体、コントローラー共)にはArduino NANOのブートローダーを書き込んだ上でこのスケッチを書いています。なのでもし追試される方はArduinoNANOをそのまま使う方が手っ取り早いかもしれません。
本体用→https://www.hoihoido.com/data/CDI-AC6.zip
コントローラー用→https://www.hoihoido.com/data/CDI-AC_Control.zip
なお前回の投稿ではコントローラーをパラレルで接続していました。今回の本体用ファームはシリアルコントローラー、パラレルコントローラー、どちらにも使用可能です(前回投稿の回路図で作ったCDIに書いても使える)。
この回路図やファームウェアを参考にされる場合は事前に「免責・著作権・肖像権・リンク」のページを御一読願います（要は何か問題があっても責任持てませんよとか、自作するのは自由ですが販売とかを考えられるなら相談してねとか、そのあたりです）。
前回、自作の自動進角CDIを50ccカブに積んでみて効果が今ひとつ体感できなかった事を書きました。
その後、息子がもう一台ジャンクの50ccカブをボア、ストロークアップにより107cc化したので、そちらに積んでみたところ、効果が見られました。
はっきり効果が見られたのは低速側です。
純正CDIの点火タミングは全回転域で上死点前27度(BTDC27°)に固定されているのに対し、自作CDIはアイドリング回転数付近は17°に設定しています。これにより、まずキックスタート時のケッチンが発生し難くなりました。また走り出しの加速もスムーズです。
一方高速側は最大37°程度にしてみましたが効果があるのか無いのか判りません。50cc程度なら急な上り坂で全開走行を試せるかもしれませんが107ccともなると公道で試す訳にいかず、多分サーキットとかシャーシダイナモで試さにゃハッキリしない気がします。
いずれにしても50cc用純正CDIよりは良くなるので107ccカブではこのCDIを使います。
という事でもうちょっと安心できる形にしたいと思います。現在の状態（上の写真）だと雨の日は心配ですもんね。
という事で純正CDIと同程度のサイズになる様、以下の点を踏まえて作り直そうと思います。
・ArduinoNANOを載せるのをやめてATmega328pを直接載せる。
・コントローラーとの接続をUARTに変更する事で、本体⇔コントローラー間の配線本数を減らす。
・最終的には樹脂で埋めて防水する。
では下記の基板パターンで試作してみます。まずは切削で基板を作る予定。
・・・なのですが切削用刃物がだいぶ劣化していて上手く削れなかったので刃物入荷待ちです。
50ccエンジンだと効果が感じられなかったけど、107cc化したエンジンでは特に低回転側で効果がありました。
なお90ccカブの純正CDIが15°~28°の間で変化する様なので高回転側をあまり増やしても効果ないのかもしれません。実際はどうなんでしょうね？
どなたかこのCDIを試してみられますか？
前回(タイミングライトの時)書いた様にCDIを作っています。
ネット上では色々試された先輩方がおられるので参考にしながら制作中。
なおCDIとはバイクの点火プラグに火花を飛ばす為の回路です。詳しくはこちら→Wikipedia CDI
上記Wikipediaにも書かれている通りCDIには交流式と直流式があります。
先日イジくったDioチェスタは直流式なのでCDI内部で直流12Vを2~300Vに昇圧し、これをコンデンサに貯めた後、一気にイグニッションコイルに流してプラグに点火します。ざっくり書くと下図の構造になっている様です。点火用の電源は直流12Vだけなので内部に昇圧回路が必要です。
最初はこれを対象に考えていましたが、Dioチェスタは息子が友達に売り払ったのでもうありません。
という事で今回は交流式のカブ系エンジン(カブ50とかJazz50。)を対象にしようと思います。
交流式のざっくりした回路は下図の様な構造。発電コイルが発生する交流が元々2~300VあるのでCDI内部では整流するだけで済みます。これはシンプルで済むのですが直流電源がCDIには入っていないので制御回路に複雑な処理(マイコンとか)を入れようとすると5V程度の電源が欲しくなって、これをどうするかを考える必要があります。
正規品CDIの動作に当たりをつけるため、Jazz50の波形を見てみました。
※注意：「正規品」と書いていますが中古バイクなので本当に正規なのかというと保証はありません。
まずステーターコイルからCDIに入ってくるAC入力。
AC入力は本来正弦波のはずですがCDI内の整流回路の影響でギザギザの波形になっています。
ここから想像混じりですが以下の動作をしていると思います。
まずフライホイール1回転で4サイクル分の交流波形が出て、整流した電荷を段階的にコンデンサに貯めていく。その後点火する事で電荷が抜ける・・を繰り返す。
LT-Spiceで試した結果、整流部分は以下の回路になっていると辻褄が合います(TP1の波形)。
ACジェネレータの内部抵抗は分からないのでとりあえず波形が近くなる値を入れました。
また回路中V2、IGNは電荷を抜く為にあります(実物ではサイリスタに相当)。
ダイオードD2がなぜ要るのかはわかりません。これが無いと負電圧期間が全然違う波形になりますが、それでも動作上は問題なさそうに思えます・・・負電圧期間にD1に加わる逆電圧を減らす為かな？という予想をしています。そうであれば今回使用しているダイオード(IN4007)は逆耐圧1000VなのでD2を無くしても良いかもしれません。
次にタイミング入力とイグニッションコイルに出力する信号を見ます。
CH1(黄色)がタイミング入力、CH2(青色)がイグニッション出力。
※２回分の波形が重なってしまいました。
タイミング信号は＋の山の後に－の谷が来るみたいですね。この内の＋3Vのあたりで点火している事が判ります。
最終的には進角・遅角機能を盛り込みたいですが、まずはとにかく動作するものを作ってみようと思います。
ネット情報を参考に最初に試したのは下の回路。
C1およびD1,D2でAC入力の振幅を2倍の直流に昇圧してC2に貯めておき、サイリスタ(TY625)にトリガを入れるとC2に貯めた電荷がイグニッションコイルから引き抜かれて点火する仕組みです。タイミング信号はQ1で受け、このままだと逆相になるのでQ3でもう一度反転してからサイリスタのゲートに伝えます。
AC入力を倍電圧整流にしたので上で見た波形にはならない筈で正規版CDIとは回路が違っていると思いますが、まずは確実に火花が飛びそうな方法にしています。またQ1,Q2を動作させるために外からDC5Vの電源を入れる必要があります。正規版CDIはDC電源は不要ですが、これも一旦確実に動作しそうな方式でやってみます。
ではバイク(息子が整備中のJazz50)に繋いで・・・
キックするとあっさりエンジンが掛かりました！！
では波形を見てみましょう。オシロを持ってきて・・・
まずはCH1:タイミング入力、CH2:AC入力。
予想通りAC入力はグニャグニャで正規版CDIとは違う波形になっています。
真ん中あたりのガクンと下がっているところが点火タイミングでしょう。
次にCH1はタイミング信号のままでCH2をC2の左側端子(ほぼC2の充電電圧を表示)に繋ぎ変えてみます。
※タイムスケールは変更しています。
C2は倍電圧整流の効果で600V以上にまで上がっていて、点火の威力はあると思いますがコンデンサやサイリスタの耐圧ギリギリなので、倍電圧整流は止めた方が良さそうです。
では倍電圧整流を止めるためにC1を短絡してみます。
これでAC入力としてはLT-Spiceで試した回路と同じになりますが、今度はエンジンが掛かりません。
掛からないながらもキックの瞬間に撮った波形は下の通りです（プローブは上と同じ接続）。予定通りC2は300Vに下がっています。エンジンが掛からないのは電圧が下がったためでしょうか?
ならば点火エネルギーを増やすため、C2に1μFを追加して計1.47μＦにするとエンジンが掛かりました。
(後で考えるとキャブレターの調子が不安定なのが影響していたのかもしれませんが。)
この状態でのCH1:タイミング信号とCH2:AC入力波形を見ます。AC入力は倍電圧を止めた事で正規品CDIと似た波形になっています。
次にCH1:タイミング信号とCH2:C2波形。
C2電圧が少し低くなっています。容量が増えた事で上昇が間に合っていないんでしょうか？
でもこの方がエンジンが掛かりやすいのは容量アップでトータルの電荷が増えているからかな。
結局、1.47μF(コンデンサ2個)は寸法的に大きすぎるので1μFに減らしたところ、これでもエンジンは回ったので1μFを採用します。本当は0.47μFと1μFの間も試して余裕がある事を確認したいところですが、そんなに高耐圧コンデンサを持っていないのです。
まず倍電圧整流は止めます。
あと5V電源もなくしたいですね。そうするとタイミング信号をバイポーラトランジスタで受ける事はできません。正規CDIがどうやっているのか判りませんが、たぶんそのままサイリスタのゲートに入れているのではないでしょうか？という事でタイミング信号をそのまま抵抗経由でゲートに入れてみます。この場合ゲート信号が－レベルの時、サイリスタのゲート逆耐圧である-5Vを超える危険があるのでダイオードD3で保護しておきます。
それとエンジンを停止させる機能が付いていなかったのでENの配線を追加しています(1号機では省いていたので停止させるのに手間がかかったのです)。バイクのキーをOFFにした時、ここがGNDに落ちるのでサイリスタがトリガーされなくなって停止します。
という事で2号機は下のかなりシンプルな回路にします。
（たぶん正規品もこうなっているんじゃないかと思っています）
これでもエンジンは掛かったので波形を見ます。
CH1:タイミング入力、CH2:AC入力
正規CDIと同様の波形になっています。
CH1:タイミング入力、CH2:IGN出力
特に何という事もないですがIGN出力を時間軸を拡大で見ました。
そして回っているところの動画。※音量注意。
なおピザのチラシは絶縁目的で敷いています。
実際のバイクで走行テストする為、同じ回路で小型版を作りました。
正規品とほぼ同サイズ(コネクタは電線経由ですが)。
適当にビニールテープで絶縁して息子のカブに積んで走ってみましょう。
（上で試しているJazz50はまだ整備中で公道を走れないのです）
カブの正規CDIを外して・・・
いい加減な方のCDIを付けます。
そして家の周りを５分程走ってみました。
特に違和感なく普通に走れるし、走行後も熱を持つ様子は見当たりません。
ミニマムなCDIを作成する事で理解が深まりました。たぶん正規品も同じ構造じゃないでしょうかね。
この後は進角/遅角機能を盛り込みたいのですが、マイコンを使うとすると上記の通りDC電源をどうするか問題が発生します。あんなガタガタで250Vもある電源から安定したDC5Vを作り出すのは難易度高そうです。空き端子から12Vを入れても良いのですが、そうするとバイク側の改造が必要です。でもできればCDIだけポン付けで交換できる様にしたいですし。。。
なおカブでも90CCのモデルだと進角機能付きのCDIを採用している様で、これがどうなっているのかは気になります。