100V USB スイッチ

PCから100Vで使う家電をコントロールしたいときがある。
デスクライトや扇風機や電気ポットなど色々ある。

前回の工作では「まごの手フットスイッチ」のスイッチ部を使ったが、
今回は余ったコンセント部で100V を On/OFF できるデバイスを作ってみた。

ボタンのワンプッシュで 100V を On/OFF できるデバイスである。
プラグとコンセントが一体型となっていて、100Vの端子の片方は直結、
もう片方はケーブルを通してボタンの中にあるスイッチに繋がっている。
スイッチを On/Off することで、コンセントを On/Off できる仕組みである。

【まごの手フットスイッチ】WH2711KWP（ボタン＆コード）
Panasonic:　https://panasonic.jp/tap/p-db/WH2711KWP.html
Amazon .co.jp: 973 円
https://www.amazon.co.jp/パナソニック-Panasonic-まごの手式フットスイッチ-ホワイト-WH2711KWP/dp/B000J3ORUM/

USB インタフェースが付いて、pin も標準的に多くて、小型な定番 Arduino。
元々 Arduino Nano が定番だったが、USB mini-B 端子を使っていてやや不便。
その端子を USB micro-B に変えたのが Arduino Nano Every である。

【Arduino Nano Every（ピンヘッダ付き）】
Switch Science: 1500円
https://www.switch-science.com/catalog/6199/

珍しい改悪として、pin の印字が pin 側に付くようになり、
ブレッドボードに挿した状態では全く読めなくなっている。
そのため、こういう pin assign マップが必須になる。

100V を耐えうるリレーの中では安価で大容量である。
その上、外観がコンパクトに閉じていて、物理的堅牢性も良さそう。
端子がシンプルにネジ止めなため、配線も容易な類に入る。
スペック的に Arduino の I/O pin から直接駆動できそうだが、実際は動かない。

cf : 12mA を超えていれば導通状態になる。
http://akizukidenshi.com/download/ds/fotek/fotek_ssr.pdf / P5

本体の目立つ位置に赤いLEDがあり、導通時に点灯指示する。
開発時は備え付けのLチカで動作確認できるため、非常に便利。（←本題）

【大容量ソリッドステートリレー（SSR）24V～380VAC 40A SSR-40DA】
秋月電子通商: 1000円
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-08620/

Arduino の制御信号をトランジスタで増幅してリレーを駆動する。
トランジスタによるスイッチング回路は、プチモンテさんの記事が詳しい。

ref: https://www.petitmonte.com/robot/howto_transistor_npn.html

ハードウェア疑似コード
module AcSwitch(USB usb, AC100V ac100V) {
  ArduinoNanoEvery arduino;
  SSR40DA ssr;
  C1815 c1;
  
  usb = arduino.usb;
  ac100V = ssr.[1,2]

  arduino.5V = ssr.3;
  c1.B = R[100kΩ](arduino.D2);
  cl.E = R[220kΩ](cl.B) = arduino.GND;
  cl.C = ssr.4;
}

SSR-40DA のスペックでは、導通するには 12mA の電流を超える必要がある。
また、上限が 20mA になっている。
http://akizukidenshi.com/download/ds/fotek/fotek_ssr.pdf / P5 Trigger current

手元にあるトランジスタは C1815 の BL である。

ref: http://akizukidenshi.com/download/2sc1815-gr.pdf

ベース電流、コレクタ電流、増幅率の関係と、

$I_{\mathrm{B}} = I_{\mathrm{C}} \div h_{\mathrm{EF}}$

ベース抵抗、コレクタ電圧、ベース・エミッタ間電圧降下、ベース電流の関係から、

$R_{\mathrm{B}} = \frac{V_{\mathrm{CC}} - V_{\mathrm{BE}}} {I_{\mathrm{B}}}$

ベース電流の式を導ける。

$R_{\mathrm{B}} = h_{\mathrm{EF}} \frac{V_{\mathrm{CC}} - V_{\mathrm{BE}}} {I_{\mathrm{C}}}$

クラスが BL であるため、hEF は 350～700 である。区間 350::700 として代入すると、70::140kΩが得られて、手元にある抵抗で組みやすそうな 100kΩ を選択した。

$R_{\mathrm{B}} = 350{::}700 \; \frac{5 \mathrm{V} - 1 \mathrm{V}}{20 \mathrm{mA}} = 70{::}140 \mathrm{k\Omega} \rightarrow 100\mathrm{k\Omega}$

ベース・エミッタ抵抗 RBE は、ざっくりベース抵抗より１つ大きい 220kΩ とした。
これに関しては特に深く考えずに、２倍程度を目安に選んでいる。
抵抗は大体 1, 2.2, 4.7 系列で揃えていて、丁度 1 つ大きい値の抵抗を使うようにしている。

コレクタ抵抗 RC は、SSR の内部抵抗を割り出しながら、実測で出している。
直列に 300～400 Ω の抵抗を入れると上手く導通できる。
手元にある 1kΩ を3つ並べて 333 Ω を作って使った。

単純に受信した文字に応じて、SSR を制御する D2 pin を上げ下げしている。

Arduinoコード
int pSwitch = 2;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Ac Switch");
}

void loop() {
  if (Serial.available()) {
    int c = Serial.read();
    switch(c) {
      default:
        Serial.print("Invalid input: ");
        Serial.println(c);
      break;
      case '\r':
      case '\n':
        ;
      break;
      case '0':
        Serial.println("Off");
        digitalWrite(pSwitch, LOW);
      break;
      case '1':
        Serial.println("On");
        digitalWrite(pSwitch, HIGH);
      break;
    }
  }
}
}

PC 側は python でツールを作り、コマンドラインで On/OFF できるようにした。

PC側の制御コード（AcSwitch.py）
#need pyserial:
# $> pip install pyserial

import sys
import serial

args = sys.argv
if len(args) < 3:
    print("Format: AcSwitch port cmd")
    quit()
port = args[1]
cmd  = args[2]
seri = serial.Serial(port, 9600, timeout=1000)
print("Open [{}]".format(seri))

try:
    line = seri.readline().strip()
    print(line)
    
    while True:
        if seri.out_waiting == 0:
            break;
    
    print("send " + cmd)
    if cmd == 'off':
        seri.write(b'0')
        print("send[0]")
    elif cmd == 'on':
        seri.write(b'1')
        print("send[1]")
    else:
        print("Invalid Command: " + cmd)
        
    line = seri.readline().strip()
    print(line)
except Exception as x:
    print("Error Stop!! " + x.args)
finally:
    seri.close()