生理痛体験回路図

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https://www.interaction-ipsj.org/proceedings/2025/data/pdf/3A-01.pdf

## ✅ 論理ゲート部（NOR回路：74LS02）

```
IC: U5D (74LS02)
Pin 1: SW（入力）
Pin 2: 11（入力）→ 同GND？
Pin 3: → U5A Pin 5 へ（出力）

IC: U5C (74LS02)
Pin 8: Pol（入力）
Pin 9: GND（入力）
Pin10: → U5A Pin 6 へ（出力）

IC: U5A (74LS02)
Pin 5: U5D 出力
Pin 6: U5C 出力
Pin 4: Pulse1（出力）→ U1 の R1 入力へ

IC: U5B (74LS02)
Pin12: U5D 出力
Pin13: U5C 出力
Pin11: Pulse2（出力）→ U2 の R3 入力へ
```

---

## ✅ PhotoMOSリレー制御部

```
Pulse1 → R1（330Ω）→ U1（PhotoMOS AQV212）
U1:
- A1/B1: R1を介して Pulse1 入力
- A2/B2: GND
- 出力: K1/K2 → JP2 → EMS+

Pulse2 → R3（330Ω）→ U2（PhotoMOS AQV212）
U2:
- A1/B1: R3を介して Pulse2 入力
- A2/B2: GND
- 出力: K1/K2 → JP1 → EMS-

EMS出力: J2（Audio Jack 2 Ground 5 Switch）
- EMS+
- EMS-
```

---

## ✅ 昇圧部・トランス・整流回路（右下）

```
IC: U4（PMC_VPS5850A）

U4:
- Pin 1: EN
- Pin 2: VD1（+VDD）
- Pin 3: GND
- Pin 4: CLK
- Pin 5: VIN
- Pin 6: VD2（+VDD）

U4 出力 → T1（トランス）
- Lp1-Lp2（プライマリ）
- Lm1-Lm2（センタータップ付き）

→ C4（コンデンサ）
→ D1（ダイオード）
→ L1（68mHインダクタ）
→ C1（10uFコンデンサ）へ平滑
→ 出力電圧 VPP（刺激信号用高電圧）

Q1：NPNトランジスタ → VPP出力強化
```

---

## ✅ Chop信号による制御

```
Chop（外部制御信号）→ R9（330Ω）→ U3（PhotoMOS AQV210）

U3:
- A1/B1: Chop信号
- A2/B2: GND
- K1/K2: T1トランスの入力切断・導通制御（ON/OFF）
```

---

## ✅ メモ・注記

```
【回路ロジック】
- Pulse1：SWとPolによってVPP側へ導通
- Pulse2：SWとPolによってGND側へ導通
- Chop：信号断続による周期的刺激（刺激間隔の制御）

【論理表】
SW × Pol → P1/P2 制御
- 0 × 0：0 / 0（何も出力しない）
- 1 × 0：1 / 0（Pulse1出力）
- 0 × 1：0 / 0（何も出力しない）
- 1 × 1：0 / 1（Pulse2出力）

【端子情報】
- EMS+：Pulse1リレー出力
- EMS-：Pulse2リレー出力
- VPP：昇圧された電圧（刺激に使用）
```

---

## ✅ 使用部品リスト（主要素子）

| 番号     | 部品名       | 型番／種類                       |
| ------ | --------- | --------------------------- |
| U1/U2  | フォトリレー    | AQV212                      |
| U3     | フォトリレー    | AQV210                      |
| U4     | 昇圧コントローラ  | PMC\_VPS5850A               |
| U5A〜D  | NORゲート    | 74LS02                      |
| Q1     | トランジスタ    | NPN（型番不明）                   |
| T1     | トランス      | 不明（センタータップあり）               |
| L1     | インダクタ     | 68mH                        |
| D1     | 整流ダイオード   | 不明（シリコン型？）                  |
| C1, C4 | コンデンサ     | 10μFなど                      |
| J2     | EMS出力ジャック | AudioJack2\_Ground\_5Switch |

---




## 🔧 回路図に登場する主要部品一覧（パーツリスト）

| **記号**     | **部品名（カテゴリ）**    | **型番または仕様**                 | **主な役割**                  |
| ---------- | ---------------- | --------------------------- | ------------------------- |
| `U1`       | フォトリレー           | AQV212                      | Pulse1信号でEMS+出力を制御        |
| `U2`       | フォトリレー           | AQV212                      | Pulse2信号でEMS−出力を制御        |
| `U3`       | フォトリレー           | AQV210                      | Chop信号によって昇圧回路のON/OFF制御   |
| `U4`       | DC-DC昇圧コンバータ制御IC | PMC\_VPS5850A               | 昇圧制御・PWM発振（VPP生成）         |
| `U5A〜D`    | 2入力NORゲート        | 74LS02（4回路入り）               | 論理回路（Pulse1 / Pulse2制御生成） |
| `T1`       | 昇圧用トランス          | 不明（センタータップ付き）               | 高電圧生成用の昇圧                 |
| `Q1`       | NPNトランジスタ        | 不明（2端子記述、スイッチング用）           | VPP出力ドライバ                 |
| `R1,R3,R9` | 抵抗               | 330Ω                        | フォトリレー駆動電流制限              |
| `R5,R6`    | 抵抗（出力直列）         | 不明（値記載なし）                   | EMSラインの電流制御／保護            |
| `C1,C4`    | 電解コンデンサ          | C1: 10μF / C4: 値記載なし        | 平滑・チャージポンプ構成              |
| `C3`       | バイパスコンデンサ        | 値記載なし                       | 昇圧IC電源安定化                 |
| `L1`       | インダクタ            | 68mH                        | 昇圧回路のエネルギー蓄積              |
| `D1`       | 整流用ダイオード         | 不明（ショットキー or Si）            | 整流およびVPP側電圧保持             |
| `JP1,JP2`  | ジャンパピン           | 不明                          | EMS接続の切替                  |
| `J2`       | オーディオジャック        | AudioJack2\_Ground\_5Switch | EMS電極出力端子                 |
| `SW`       | 入力スイッチ（論理信号）     | GND/High                    | 刺激出力のトリガー入力               |
| `Pol`      | 入力切替信号（極性選択）     | GND/High                    | EMS+ / EMS−の極性反転用制御       |
| `Chop`     | PWM or Pulse信号   | 外部信号                        | VPP通電の周期的ON/OFF制御         |

---

## 🧠 パーツの分類別まとめ

### 🔲 IC／論理回路

* **74LS02**（U5A〜D）: NORゲート、Pulse信号生成
* **PMC\_VPS5850A**（U4）: 昇圧制御（トランス駆動）

### 🔲 フォトリレー

* **AQV212**（U1, U2）: EMS出力切替用
* **AQV210**（U3）: Chop信号によるトランス駆動制御

### 🔲 トランス・電源系

* **T1**: 単巻／センタータップ昇圧トランス
* **Q1**: VPPドライブ用NPNトランジスタ
* **L1**: 昇圧用インダクタ（68mH）
* **D1**: 整流ダイオード（ショットキー推定）

### 🔲 受動部品（抵抗・コンデンサ）

* 抵抗: 330Ω（x3）＋未記載値の直列抵抗
* コンデンサ: 10μF（平滑）他、小容量バイパス用

### 🔲 接続端子

* **JP1/JP2**: EMS端子分岐
* **J2**: EMS出力ジャック

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## 💡 補足：動作概要

* **SW / Pol**で出力極性を選択（Pulse1 or Pulse2がON）
* **Chop信号**で周期的に昇圧信号（VPP）を出す
* 出力はPhotoMOSを通して\*\*EMS端子（J2）\*\*へ
* 信号のON/OFF制御や強さは**外部PWMやスイッチ制御**で可能

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### 【1】フォトリレー制御部（Pulse1/Pulse2制御）

#### 入力論理（SW, Pol）と出力信号

$$
\text{Pulse1} = \overline{SW + \overline{Pol}} = \text{SW} \cdot \text{Pol}
$$

$$
\text{Pulse2} = \overline{SW + Pol} = \text{SW} \cdot \overline{Pol}
$$

ここで、各記号の意味：

* $SW$：スイッチ信号（刺激のON/OFF）
* $Pol$：極性反転信号
* $\cdot$：論理積（AND）、$+$：論理和（OR）、$\overline{\cdot}$：否定（NOT）

---

### 【2】フォトリレーON時のEMS信号経路（PhotoMOS）

PhotoMOSリレーは入力信号によって内部スイッチ（MOSFET）が導通：

* Pulse1 = 1 → EMS+ 端子に VPP を接続
* Pulse2 = 1 → EMS− 端子に VPP を接続

それぞれのリレーは、次のような等価スイッチと見なせます：

$$
I_{\text{Relay}} = \frac{V_{\text{VPP}} - V_{\text{EMS}}}{R_{\text{PhotoMOS}} + R_{\text{series}}}
$$

（ただし、PhotoMOSの内部オン抵抗は $R_{\text{PhotoMOS}} \ll 1\,\Omega$）

---

### 【3】昇圧回路（スイッチング電源＋トランス）

DC-DC昇圧は次のようにモデル化：

#### トランジスタON時間（$t_{\text{on}}$）のインダクタ電流：

$$
I_L(t) = \frac{V_{\text{IN}}}{L} t \quad (0 \le t \le t_{\text{on}})
$$

#### トランス昇圧（理想変圧器）：

$$
V_{\text{VPP}} = n \cdot V_{\text{IN}} \quad \text{（ターン比 } n = \frac{N_2}{N_1} \text{）}
$$

#### コンデンサへの電圧蓄積：

$$
V_{C1}(t) = \frac{1}{C} \int_0^t I_L(t)\,dt
$$

---

### 【4】全体のEMS出力電圧波形（ON/OFF制御付き）

Chop信号で矩形波的にON/OFF：

$$
V_{\text{EMS}}(t) = 
\begin{cases}
+V_{\text{VPP}} & \text{if } \text{Pulse1} = 1 \land \text{Chop}(t) = \text{ON} \\
-V_{\text{VPP}} & \text{if } \text{Pulse2} = 1 \land \text{Chop}(t) = \text{ON} \\
0 & \text{otherwise}
\end{cases}
$$


---

## ✅ 1. **PWM 基本定義式**

### ● 周期（Period）とデューティ比（Duty Ratio）

* 周期（T）：

  $$
  T = \frac{1}{f}
  $$

  （ここで $f$：PWM 周波数）

* デューティ比（D）：

  $$
  D = \frac{t_{\text{on}}}{T} \quad \text{（0 ≤ D ≤ 1）}
  $$

* 出力平均電圧（理想スイッチ）：

  $$
  V_{\text{out,avg}} = D \cdot V_{\text{in}}
  $$

---

## ✅ 2. **矩形波としての PWM（Fourier展開）**

PWM信号は矩形波と見なせ、以下のようなフーリエ級数展開を持ちます：

$$
x(t) = \frac{D \cdot V_{\text{in}}}{2} + \sum_{n=1}^{\infty} \frac{2 V_{\text{in}}}{n\pi} \sin(n\pi D) \cos(2\pi n f t)
$$

---

## ✅ 3. **モーター駆動における平均電力**

PWMを用いて直流モーターを駆動する場合：

* 平均電力：

  $$
  P_{\text{avg}} = D \cdot \frac{V_{\text{in}}^2}{R}
  $$

* 平均電流（理想コイルを含むモデル）：

  $$
  I_{\text{avg}} = \frac{V_{\text{out,avg}}}{R} = \frac{D \cdot V_{\text{in}}}{R}
  $$

---

## ✅ 4. **電源制御回路（例：昇圧・降圧コンバータ）**

### ● 昇圧（Boost）型DC-DC変換器

$$
V_{\text{out}} = \frac{V_{\text{in}}}{1 - D}
$$

### ● 降圧（Buck）型DC-DC変換器

$$
V_{\text{out}} = D \cdot V_{\text{in}}
$$

### ● 反転型（Buck-Boost）

$$
V_{\text{out}} = - \frac{D}{1 - D} \cdot V_{\text{in}}
$$

---

## ✅ 5. **パルス電圧の時間関数モデル**

PWM信号を時間的に表現すると：

$$
u(t) = 
\begin{cases}
V_{\text{in}} & \text{if } 0 \leq t \bmod T < D \cdot T \\
0 & \text{otherwise}
\end{cases}
$$

または**矩形関数**（rect）を使って：

$$
u(t) = V_{\text{in}} \cdot \text{rect}\left(\frac{t}{T} - D\right)
$$

---

## ✅ 6. **制御理論との関係（PID・FPGA制御）**

PWM は「アナログ量のデジタル表現」として、次のように使われる：

* 入力 $u \in [0,1]$ を PWM デューティ比に変換：

  $$
  D = \text{clamp}(u, 0, 1)
  $$

---

## ✅ 7. **微分積分に基づく平均出力電圧**

時間 $T$ 内の平均出力：

$$
\bar{V}_{\text{out}} = \frac{1}{T} \int_0^T V_{\text{PWM}}(t) \, dt = D \cdot V_{\text{in}}
$$

---

## ✅ 補足：変調方式との比較（PWM vs PPM vs PDM）

| Modulation | 主変数            | 数式上の特徴                        |
| ---------- | -------------- | ----------------------------- |
| PWM        | Pulse width    | $D = \frac{t_{\text{on}}}{T}$ |
| PPM        | Pulse position | パルス位置を信号値で変化                  |
| PDM（ΔΣ）    | パルス密度          | 符号積分（積分 → 1bit量子化）            |

---