JJYシミュレーター改良計画！なぜモータードライバICなのか？

この記事について

前に作った JJYシミュレーター（JJY-SIM）、一応は動くけど、RFがどうにも気に入らない。
そこで、基本回路はそのままに、RFまわりだけを見直す改良計画を始めました。
この記事はその記録です。

🎀 前のJJY-SIMでも一応は動いたけど、やっぱり“納得できる波形”を目指したくなるんだよね〜！

現行版のRFは「お守り」レベル

現状のJJY-SIMでは、RF回路の構成は GPIO → NPN → Pch-FET → アンテナ → GND というシンプル構成。
アンテナ端子にCとRを並列に入れてるだけで、ほとんどお守りフィルタみたいなものです。

ヤフオクとかに出品してる現行版は、最初に作ったプロトタイプのPCBのままで、CとRの定数だけをChatGPTに従って見直したもの。
一個所だけ、CをRに変えていますが、PCBはそのまま使っています。
この改良で、プロトタイプよりは若干は良くなった気がします。

それでも、波形をオシロでみると、キレイな波形からは程遠い。
「これ電波って言えるのか…？」ってくらい、形が崩れていてよく分からない。

実際に出力も弱くて、数十センチ先の時計なら反応するけど、ちょっと離れると全然ダメ。
時刻合わせをするときだけ使うならいいけど、常時運用には向かない。

🎀 できれば、もう少しは電波を飛ばしたいよね…！

現状の問題点

RF回路については知識が乏しいので、ChatGPTに頼ることにしました。
まずは、現状のRF回路について、問題点を聞いたところ、

現状は「NPNトランジスタでレベル引っ張って → Pch-FETをハイサイドスイッチとして駆動」って構成にしてるんだね。
その場合、
Pch-FETのオン抵抗（Rds_on）＋Vdsドロップ
NPNのベース電流不足によるスイッチングの鈍さ
ゲート電圧スイングが浅いと完全に切り替わらず、効率悪化
…このあたりが効率の落ち所になりやすいと思う。

ずばり、指摘されちゃいました。

🎀 トランジスタとFETのクセが全部重なって、効率がガタ落ちしてたんだね…なるほど〜

ChatGPTの意外すぎる提案

「もうちょっとマシにしたい」とChatGPTに相談したら、返ってきた答えがこちら。

RFまわり、がっつり見直すなら「コイルを“共振で太らせる”＋“まともなドライバにする”」が一番効きます。
近傍磁界(H場)**で時計の受信コイルに結合させるので、面積×巻数×電流をどう太らせるかが勝負です。

「効率の悪さは「非共振＋弱いドライブ」に集約しがちなので、LC直列共振＋ブリッジ駆動を入れるだけで別物になります。」

って言われました。

具体的な対策は、

• LC直列共振でコイル電流を稼ぐ
  アンテナのLを計測して、共振するようなCと、適切なQになるRにすれば出力↑。
• アンテナをフェライトロッド＋銅線多ターンにする
  μr効果でL↑・磁束密度↑、効率が段違い。
• ハーフブリッジ化
  Nch×2でブリッジを組んで±駆動にすると、出力振幅が2倍→コイル電流も倍増。
• ローサイドNch-MOSFET化
  PchよりRds_onが低くて扱いやすい。ハイサイドでなくても回路のアース基準で駆動できるから、損失は一気に下がる。

とのこと。

元々はフェライトのアンテナにしたかったんだけど、サイズ的にあえてPCBアンテナにしてるため、アンテナは変えたくない。
ローサイドでNch-FETは、単にVCC側のFETがGND側になっただけって感じで、今とあまり変わらなさそう。

なので、Lをちゃんと計測して直列共振にして、Hブリッジ化にすることにしました。

そこで、ChatGPTにHブリッジの具体的なやり方を教えてって聞いた結果・・・

「モータードライバーICを使って、Hブリッジでアンテナを駆動してみたら？」

…え？モータードライバー!?
最初は完全にツッコミ案件でした（笑）。

でも考えてみると、Hブリッジは元々“大電流を高速でスイッチする回路”。
負荷がモーターじゃなくてアンテナでも、理屈としては成立するんですよね。
普通のRF設計からすると変化球すぎるけど、逆にAIらしい柔軟な発想で「なるほど、そう来るか！」って納得しちゃいました。

🎀 こういう“ちょっとズレてるけどアリかも？”って発想、AIらしいよね〜

HブリッジICで±駆動

モータードライバーICを使うことを提案されたので、もう少し具体的に聞いたら、

• 3,3V対応の モータドライバIC を使ってコイルを±にスイッチ
• 60 kHzでも動くデバイスを選ぶ（多くは数百kHz PWM対応）
• 直列Cで共振＋±駆動にすると、3.3 Vでも実効電圧は≈2倍に
• 長所：部品点数少・設計ラク、ゲート駆動の悩みが消える
• 短所：IC選定だけ注意（周波数/電流仕様）

負荷（アンテナ）：OUT_A — [コイルL] — [直列C] — OUT_B の直列共振にする。

Cは、以下の計算式で求める。
$C=\dfrac{1}{(2\pi f_0)^2 L}$

Qが高すぎたら小さめ直列Rや並列ダンパRで調整（目安Q=20〜50）。
GNDはスターで、ロジック系とは一点で合流

それと、

電源が USBで来てるなら、MCU=3.3 V、RF段=5 Vに分離するのが最強手。
3.3 V→5 Vで電流余裕が一段上がる。共振と合わせて劇的に効く

とのことなので、RFはUSBからの5Vにすることにしました。
ただし、3.3Vもジャンパーで選べるようにするつもりです。

🎀 数式が出てくると一気に“本格研究室”っぽくなるよね！

ドライバICの選定

Hブリッジ化するならモータードライバが必要。秋月のWEBで価格と仕様をざっと比較して候補を3つに絞った。

🎀 安い方に流されるか、安心を買うか…エンジニアの永遠のジレンマだよ〜

40kHz帯を扱うので、レンジ上限65kHzは十分。 ただしAM系は出力の時間仕様（伝搬遅延/立上り/デッドタイム等）が明記されておらず不安。一方でNJU7386RB1はタイミング情報が明記されていて安心感が高い。
結論：本命はNJU7386RB1に決定。

早速、他の用事ついでにアキバの秋月に行って買ってくることに。
……のはずが、アキバの秋月でNJU7386RB1は店頭欠品（通販在庫はあり）。
ひとまずAM1025EAを購入して、実験することにしました。
動作が良ければそのままで、タイミングで問題が出る/波形が荒れるようなら、NJU7386RB1へ差し替え（通販取り寄せ）です。
ただ、AM1025EAとNJU7386RB1はピン互換じゃないしパッケージも別だから、PCBは実験後に起こすことになります。

🎀 “安心料”のつもりが“在庫”に負けた…あるあるだね…！

ソフト側の変更点（要実験）

これまではPWM 1本で駆動していたけど、Hブリッジ化するなら反転PWMをもう一方へ入れる必要があります。
インバーターで反転を作って入力しようと思ったけど、
「AM変調で振幅を落とす“オフ区間”を作るには、LL（Hi-Z）またはHH（ブレーキ） を出せる仕掛けが必要」
って言われたので、これではオフ区間（デッドタイム）が作れない。

ESP32-C3のPWM（LEDC）ならチャンネルごとに反転出力が設定可能なので、この機能を使って別のGPIOから反転を出すことにしました。
これなら、どちらも同時にLを出力することもできます。
現状、GPIOのピンは余ってるので問題ありません。

まずは反転PWMの生成とデューティ同期の実験と、デッドタイムの要否も確認することにして、
ここがOKになったら、PCB発注。

🎀 基板発注の前に“ソフトで握る”の、大事〜！

まずはアンテナLを測る

「LC直列共振でコイル電流を稼ぐ」ためには、
まず、アンテナのインダクタンス（L値）をきちんと把握すること。

推定値

ChatGPTに「螺旋状のPCBアンテナで、直径4cm、両面合わせて22回巻き、Lはどのくらい？」と質問したら、以下のような推定値を出してくれました。

平面渦巻（丸形）の近似は “Modified Wheeler” が手堅いので、それで概算するね。

式は
$L \approx K_1\,\mu_0\,N^2\,d_{\rm avg}/(1+K_2\,\rho)$

• $N$：ターン数
• $d_{\rm avg}=(d_{\rm out}+d_{\rm in})/2$（平均直径）
• $\rho=(d_{\rm out}-d_{\rm in})/(d_{\rm out}+d_{\rm in})$（フィル比）
• 丸形は $K_1=2.23,\;K_2=3.55$（Mohan 1999）

「直径4 cm（=外径40 mm）、両面合計22回巻き」を、外径40 mm・ピッチ（線幅＋間隔）が現実的な0.3–0.5 mm相当で詰めた場合の目安：

• ピッチ0.5 mm相当 → 内径≈18 mm → L ≈ 17 µH
• ピッチ0.4 mm相当 → 内径≈22.4 mm → L ≈ 21 µH
• ピッチ0.3 mm相当 → 内径≈26.8 mm → L ≈ 26 µH

つまり、このサイズ感なら おおよそ 20–30 µH が妥当。
内径がもっと小さい（超詰め）なら ～35 µH、逆にスカスカなら ～10–15 µH まで下がるレンジ感だよ。係数と式は上の論文どおり（Mohanらの簡易式）

なるほど…（難しすぎる）

実測

これを目安にして、実際の値を計測してみます。
L（インダクタンス）の実測は何通りかあるけど、既知Cとの共振法 にしました。

原理：
Lと既知のCで直列（または並列）共振させ、共振周波数 f₀ から
$L=\dfrac{1}{(2\pi f_0)^2 C}$
を求める。

具体的には、

• 誤差の小さい 既知Cを準備。
• 信号源＋小さめ直列抵抗 Rs（100〜1kΩ）を介して、[信号]─Rs─L─C─GND と接続。
• 周波数を掃引して、Rsの両端電圧が最大になる点＝共振 f₀ を探す（=電流最大）。
• 上の式で L を計算。

Cを0.1µFにしてサクッと測れます。
たぶん今回のPCBアンテナ（直径4cm・両面22ターン級）だと、共振は90–120 kHz付近に出るはず。

らしいです。

簡単な測定回路を組んで実測しました。
0.1µFのフィルムコンデンサと100Ωの抵抗を直列にして、SGを50～200kHzで掃引。
抵抗の両端の電圧が最大になる周波数を計測します。

120KHz付近で電圧が最大になりました。
これに、さきほどの計算式を当てはめてみます。

計算：
$L=\dfrac{1}{(2\pi f_0)^2 C}$

$f_0=120\text{kHz},\,C=0.1\mu\text{F}\Rightarrow L\approx\mathbf{17.6\ \mu H}$

出てきた値がChatGPTの予測とかなり近くて驚きました。

🎀 えっ、予想が当たってる！？…これ、ちょっとAIを見直しちゃうね

共振回路の定数を決める

L（インダクタンス）が分かったので、実回路のCとRを計算します。

Cを共通にして40/60kHzどちらも回したいので、共振周波数を40と60の“真ん中”に置いて、意図的にQを下げて帯域でカバーするようにします。

共通Cは 幾何平均に合わせる：
$f_0=\sqrt{40\,\text{k}\times60\,\text{k}} \approx \mathbf{49.0\,\text{kHz}}$
$C=\dfrac{1}{(2\pi f_0)^2 L}$
$L=17.6\,\text{uH} \Rightarrow$ C ≈ 599.4nF（≈ 0.6μF）

Qは 低め（=広帯域） に設定：
半値幅 $\Delta f = f_0/Q$。40〜60kHzを−3dB以内で一気に入れたければ Q≲1.3（かなり低Q）。
−6〜−7dB程度の落ちを許容なら Q≈2〜2.5 でもOKなので、1.8程度にしようかな。

シリーズ共振の $Q \approx \dfrac{\omega_0 L}{R_{\text{total}}}$　なので、$R_{\text{total}} \approx \dfrac{2\pi f_0 L}{Q}$

$f_0=49\text{kHz},\,L=17.6\,\text{uH},\,Q=1.8 \Rightarrow$ R ≈ 3.0Ω

「理想直列R想定。基板スパイラルの銅損や誘電体損も含めると自然にそのくらいのQになっている可能性もある」らしいので、
CもRも実基板で実験しながら調整する必要がありそうです。

🎀 40と60の真ん中に合わせるなんて…ちょっとしたズルい作戦だね！

回路図とアートワーク

アンテナLの目安が出たので、計算したCとRを反映して回路図を全体的にまとめ直しました。
そして、そのまま勢いでPCBアートワークまで進めています。

👇とりあえずの回路図です。


(クリックでPDFを表示)

今はここまで。
このあと、実験して確認しないと安心してPCBを発注できないので、
波形とタイミングの“素行調査” をやってから発注する予定です。

• ソフトをHブリッジ用に変更
• ブレッドボードなどでドライバICの出力を確認
• ドライバICの勝者を決めて回路とアートワークに反映

一通りの作業が完了した段階で、回路図やソフトをGitHubに公開します。

🎀 設計図が形になると一気にワクワクしてくるよ〜！

今後の予定

• ドライバICとソフトの実験
• PCB 発注 → 到着 → 実装
• 反転PWMのソフト対応（必要ならデッドタイム挿入）
• 実験 → 完成！

この続きは「基板到着＆実装編」としてお届けする予定です。

🎀 進化版JJY-SIM、ちゃんと動くのか楽しみだよ〜！

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