免責事項

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2015年12月29日火曜日

バンバンバンバン

こんにちは。お元気ですか?僕は元気制度やめてるので元気かどうかは言わないことにします。
題名の通り基板買いまして、
 これで心置きなく工作できます。

できます。

2015年12月24日木曜日

もぅーいーくつねーるーとー?

なかたです。

以前の記事に続いてドリッドリアーチャチャに関する記事ではないです。
KKTが「クリスマスイブくらいは記事書かなきゃ」的なこと言ってたんですが、まだ書いてませんね。
今回は前回の実験結果や他の実験結果等を振り返り


みなさんはどんなお正月を過ごしましたか??
 
 
 
 
 
 
 
 
 
と思ったら下書きを発見しました(11月の) 。

2015年11月28日土曜日

2015年11月27日金曜日

速報

なかた明日記事書きます!!!!!!!!!!!!

2015年11月23日月曜日

秋月部品でゲートドライバを作る

こんにちは。最近朝の寒さに服装を合わせると昼暑くて困ります。kの方です。
今日は祝日で、社畜でも学畜でも無い僕は悠々と休みを楽しんでおります。

題名通り、最近秋月で良さ気な部品が新商品として入っているので、そいつを利用してパワー回路の要、ゲートドライバを作ろうというお話です。当初は真面目に作っていたのですが途中でミスが多かったので小学生の工作みたいな部分が多々ありますのでご注意願います。

僕が目をつけたのはこの部品、
写真の一番右にあるSOPのPchNch各一個入りのMOSFETモジュールです。一個50円と経済的です。で、今回使用する主要な部品もお写真に写っております。左からSOP→DIP変換基板、ピンヘッダ(足細い)、前述のMOSFETモジュールです。
そもそもゲートドライバといっても色々あるわけですが、今回は制御系の信号を電流増幅し、ハーフブリッジやフルブリッジ等で使用するパルストランス(ゲートドライブトランス)を駆動する用途を考えております。そこで便利なのがトランジスタやMOSFETによるプッシュプル回路なのですが、トランジスタは蓄積効果による遅延、MOSFETは速度は申し分無いのですが安価にコンプリメンタリペアが入手しづらい点、が難点だと思います。MOSFETのプッシュプルは別にコンプリじゃなくてもいいのですが、特性が揃ってる方が良いですし秋月に入荷したのが丁度良かったってのが大きいです。
さて、取り敢えずSOPをDIPに変換してしまいます。
 ブレッドボードに挿すといい感じに固定されるということを発見した功績から私は後日賞を受賞すると思います。既出だと思います。

SOPって意外と小さいですよね。

適当にハンダ付けしてしまいましょう。僕は数に余分を持たせて部品を購入したので失敗しても大丈夫です。

余談ですがこの部品を2つ作った時点で1個なくしまして合計3個作りました。

これでめでたくMOSFETモジュールがDIPで手軽に扱えます。ちなみにこの変換基板だとICの放熱がイマイチだと思うのでプリント基板や生基板削ったりデキる人はそうやって作って放熱をきちんとすると良い結果になるのでおすすめです。

ちなみに生基板を削ってみた場合
 こんな感じでパターン描いて

適当に削って

ハンダ付けして終了です。なお写真のパターンはミスがあるので。

さて、このままMOSFETのプッシュプルを組んでみた人ならわかると思いますが、トランジスタと同様にNとPのゲートをまとめて動作させると、50kHz程度で無負荷でもMOSFETモジュールがかなり発熱します。ちなみに周波数を上げると更に発熱(=損失)が増えます。MOSFETのパワー回路なら300kHz、IGBTでも150kHzくらいまではドライブしたいところですが、これでは負荷を繋がなくてもMOSFETモジュールが壊れそうです。僕も最初組んだ時、発熱がひどくて困ったのですが、MOSFETモジュール部分の消費電流や、無負荷時の消費電流を調べていくとどうやらプッシュプルの上下素子の同時ONだということが判明しました。 

さて、ここでこの秋月素子のデータシートを拝見します。見るべきはゲート閾値電圧(Vgs(th)Gate Threshold Voltage)です。この電圧を超えるとFETがONし始めますよーという電圧です。当然Nchはこれ超えた時、Pchはこれを下回った(負電圧として大きくなる)時にONします。データシートを見るとN、Pchとも最小±1VでONし始める可能性がありますね。
ここで、PchNchそれぞれのゲート同士を一緒に接続して、そこに振幅12Vのパルス波を入力した時のことを考えてみます。
まず入力電圧が0Vの時はPchFETはソース接地なのでゲートに-12Vがかかることになり、これは-1Vより小さい値なので当然ONします。Nchはゲート電圧が0VなのでONしません。また、入力電圧が12Vの時はPchFETのゲート電圧は0V、Nchは12VなのでNchのみがONします。ここまでは何も問題はありません。
次にパルス波の立ち上がり、すなわち0→12Vになる瞬間です。理論上はパルス波の立ち上がり時間は無限に小さいので問題無いように思えますが、実際は立ち上がるのにも時間がかかります。ここで問題が起きます。0Vからゆっくり上がって1Vになった時、PchFETはゲート電圧が-12→-11VになっただけなのでまだONです。しかしNchFETはゲート電圧が0→1VになったのでここでONしてしまうかもしれません。ここで同時ONが発生するのです。同様の理由で立ち下がり時も同時ONが発生します。

ここまで文字だけで申し訳ないです。この問題を解決する回路が下の図です。
ゲート抵抗と並列に接続しているダイオードがミソです。PchFETはOFFする際ゲート抵抗の効果を受けずに高速にOFFし、NchFETも同様OFFする際に高速にOFFします。つまり両方ONだけを遅らせていることになります。こうすることで、入力の立ち上がり、立ち下がりにおいて今ONの素子がOFFしてから、OFFだった素子がONする、という動作を実現することができます。
この回路のダイオードと抵抗の効果はかなり大きく、無しで組むと50kHz程度+無負荷で触れないほど熱くなっていたMOSFETモジュールが、120kHz+600V200A二素IGBT子負荷でも暖かいくらいで済みます。上図の回路を2つ逆相で動かすのがオーソドックスかと思います。
ダイオードはスイッチングがそこそこ速い汎用ダイオードならなんでも使えると思います。抵抗の選定ですが、50Ωや100Ωではあまり効果がありません。経験がある方は驚かれるかもしれませんが、現状330Ωで前述の動作を満たしております。しかし動作を見た感じですともう少し大きくても良いかもしれないというところです。しかしあまり大きくし過ぎると今度はスイッチング損失が増えそうなので少々難しいところです。また実験を行って最適値が出たら追記します。

実験から470Ωくらいで良い感じです。


実際に作ってみた感じ。
 実はこれ盛大にミスっています。抵抗が51Ωで小さすぎな上、ダイオードの向きが逆です。

なんとか修正したもの。誰が見ても酷すぎるという感想しか出てこないなんじゃないでしょうか。

しかし、何はともあれ半完成です。FETモジュールの向きに注意しましょう。

 取り敢えず600V200A二素子入のIGBTモジュールのゲートを負荷にしてみます。ゲートドライブトランスは1:1でIGBTのゲート抵抗は4.7Ωです。100kHzドライブ時はゲート抵抗も熱々になります。

 あまり綺麗ではないですが一応電源電圧の13Vくらいまできちんと振れています。IGBTなら本当はもっと高く18Vくらいまで振らせるべきですね。レベルシフタ等も内蔵してもうちょっと実用的な回路にしていきたい所存。

 最後に立ち下がりと立ち上がり。IGBTモジュールの規定立ち上がり立ち下がり時間は上回っているので概ね問題なさそうです。

秋月で安価で購入できる部品である程度のゲートドライバが組みあがりました。良かった。

それでは、今日はこの辺で。

2015年11月1日日曜日

デーブイデーレーザ

こんばんは。KKTの方です。あまりのネタ(写真)の無さに驚愕しつつ仕方なく題名の通りDVDレーザなるものを作ってみました。日常系アニメの静止画を流す露骨な尺稼ぎのような記事です。
なお、DVDレーザは手軽にできるため、制作する際は十分安全に注意し、何が起こっても自己責任でお願い致します。
DVDレーザなんてネット上に五万と資料があるので今回は全てを省略します。

まず調理前の材料。
DVDマルチだと明るいレーザも取れるし赤外線も取れるし好都合です。倍速の速度が早いほうが高出力なようです。ちなみに僕はこのDVDドライブのフォルムが大好きでして集めまくってたらもうすぐ20台超えそうで処理に困り始めました。楽しい。

分解していきます。
欲しいのはピックアップの部分だけでそれ以外はあまり用途が思いつきません。数mmのレーザダイオードのために外側や制御基板を捨てるので少々無駄が多い工作だと思っています(僕は)。
 取り出しました。
 ひとまずこの状態で動作確認してみることにします。ちなみにDVDマルチなのでCD用とDVD用それぞれ一個ずつレーザダイオードがついています。経験上ピックアップから簡単に取り外せるほうがCD用の赤外線レーザダイオードです。レーザダイオードが2個ついてるので2個までなら壊してもプラスマイナス0なので問題ありません。

 とりあえず50mAくらい流してみましたが全然明るくないので赤外線の方みたいです。
 こっちがDVD用ですね。80mAほど流していますが非常に明るいです。

 DVD用のレーザダイオードを取り外しました。壊れました。

赤外線の方はうまく取り出すことに成功してました。

非常に暗いですが、出力は意外と取れますのでご注意ください。
追記:書き込み用でしたら130mAくらいまでは流しても大丈夫だと思います。多分。

秋月のレーザモジュールに挿入するとうまく集光してコンデンサのパッケージを焼き払っている赤外線レーザの図。

 名前も書けました(KKTと書いてある部分)。

残念ながら以上です。1個のレーザダイオードの取り出しと駆動に成功し、途中で1個壊しので、結果的にはプラスマイナス0だと思います。あと前回得意気にPLLテスラコイルなんとかがみたいな話しましたがごめんなさい。

それでは、今日はこの辺で 。

2015年9月30日水曜日

ギリギリセーフ

なかた9月中に記事書くとか言ってたけどセーフみたいやね。

2015年9月28日月曜日

4046応用的な

おはようございます。こんな時間に活動している人はものすごく健康的な人か不健康な人なのでしょうか。kktです。最近ゲームばっかしてたら寝てる間もそのゲームをする夢ばかり見るようになってきたのでそろそろ控えようと思いました。

前回記事でIHのことを書いたりしたのでその辺の写真をちょっとだけ…。回路構成は簡単で、例のPLL回路からIGBTのハーフブリッジをドライブして、インピーダンス変換トランスを介して加熱コイルおよび共振系をドライブしています。IGBTは600V200Aなモジュールでして、ドライブは意外とうまく行っているようで発熱は自然空冷でなんとかなっています。僕が個人的にポイントだと思うのはインピーダンス変換の部分でして、そこを少し。
赤い線が一次側、二次側は銅管を通過させているだけです。トランスによるインピーダンス変換は巻数比の二乗の比でインピーダンスが変わるので画像だと一次側からは二次側のインピーダンスが8^2倍、64倍に見えます。こうすると何が良いかって二次側が共振してかなり低インピーダンスになっても一次側にはそんなに電流が流れず、入力電圧を上げることができる点だと思います。入力電圧を上げれるようになれば同電力でも損失がより少なくなりますし、電流の点では素子も破壊しにくくなりますしあまり損は無いんじゃないかと。ちなみに、最大出力付近ではピーク150Aほどの電流が二次側には流れ4mmの銅管ですと数百度まで温度が上昇します。しかし一次側は図のようなビニール線でも少し暖かくなる程度で、共振電流を直接素子に流す必要のないことが分かります。
ただし、このサイズのコアがなかなか入手しづらいことがネックになるのではないかと思います。これは日本橋でたまたま見つけて購入したものですが、一般的にはフライバックトランスのコアなんかが良いんじゃないかと思います。

次にIHにおいて重要なのがLC共振系ですが、Lは適当に銅管やら巻いたらできあがりです。しかしCは低ESRかつ高耐圧でないと安定した出力は得にくいようです。しかし、そういったコンデンサは高価であります。

そこで、電子部品のコスパが非常に良い秋月さんのこいつです。
 商品名忘れましたが高耐圧フィルムコンデンサみたいのだった気がします。小さいですが630V0.01uFです。こいつを並列にたくさん繋いでやって容量を稼ぎつつ耐電流も増やす作戦です。
不安になってきます。
???

発熱がすごそうなので追い打ちをかけて水冷にします。(?)
 なんか残念感が漂ってきますがかっこ良くないこともないので良しとします。余談ですがこれ見た方に絶縁について質問を数回頂いたのですが、正直よく分からないです。油のほうがいいに決まってますが電気分解されたところで短時間だったら大丈夫じゃね?ってのが本音です。

さてこれでIHの基本要素は大体揃いました。以下楽しいIHの写真でお送りいたします。
 なんかこの写真前回載せた気がします。
コイルに近づくとデジカメに妙な縞が走るのはダメな奴ですかね。
 ボルトとナットを加熱。溶解まで持っていけそうなんですがまだちょっと改良が必要。

ここで加熱コイルを変更。
 CPUクーラくんは何もしてないです。ただの台座です。
コイルの口径を小さくして小さい加熱対象における効率UPを図りました。
 悪くなさそうです。温度高そうです。写真撮るの忘れましたが、M5のネジなら温度上がって花火みたいにパチパチなりかけるとこまでは行きました。

しかし調子こいてると
 加熱コイルまで赤熱しだしました。4mmは細い(遺言)。
おかげで、なまされてとても柔らかくなってしまいました。
で、ここまで赤熱してんのになぜ溶かせないのかと思ったあなた。色々あるんですが、まず最大入力である1500Wを連続で入力してるといろんなとこの発熱が大変なんです。例えば銅管同士をつないでいるハンダが溶け落ちたり、
あろうことかコンデンサの水が沸騰したり。

あと不思議なことに金属を加熱していると、温度によって入力電流が変わってきます。赤熱してくるとだいぶ入力電流が増えるんですが、溶解寸前で頭打ちになってそれ入力電圧上げないと電流が減っていきます。周波数との関係もありそうです。

なお、PLLが追尾するのは共振周波数であって最適な負荷状態ではないので、無負荷でPLLが勝手に共振周波数に追尾して入力電流がアホみたいに流れることがあるので注意しましょう。

 これで今日の記事はおしまいです。駄文失礼しました。

~次回予告的なこと~
これは偶然発見したんですが、ある方がPLLでテスラコイルを作っておられるようでして、当ページをご覧になったようでした。ということで次回までにPLLSSTCについて少し実験してみることにします。ちょっとだけ実験してみたのですが、共振周波数が高い小さいコイルではシングルドライブが簡単で良いのですが、これにはやはり一次側を共振させないと放電が伸びない上に効率が悪そうだと思いました。何かあればお気軽にコメントしてください。

それでは、今日はこの辺で。

2015年9月22日火曜日

4046について その4

こんばんは。kktです。実はテスト期間中です…。
4046シリーズ記事もとうとう最終回になると思います。よく4回も続いたな
ようやく位相補正回路を組みまして、基板が完成しました。
面倒だったので配線図書かずに作ったらなんか左に寄りました^^
左の方にある8ピンX2はゲートドライブICを載せます。個人的にあまりDIPのゲードドライバは許容損失的に好きじゃないのですが、インターフェースが楽だったので誘惑に負けて使用。ちなみに実験ではゲートドライブICの出力で主スイッチング素子であるIGBTのゲート駆動用のMOSFETのプッシュプルを駆動するという本末転倒なことをしております。

とまぁ雑談はこれくらいにして本題でありこのシリーズの最終目標であった4046PLLの回路図をまず以下に。
 SignalOutが出力、CTが電流の位相信号入力です。ボリュームで適当に位相を送らせて出力に対する位相の遅れを補正します。で、地味に苦労したのがCTで検出した信号を入力する部分です。ここに遅れがあると図中の位相補正回路(CR遅延回路)で補正しきれない場合が多く、若干周波数がずれてしまう問題がありました。結局図では簡単な形になっていますが、これだとあまりCTの信号が小さいと位相信号をICが拾えないのである程度信号の振幅がある場合は有効です。ただ信号が小さいからと汎用コンパレータ等を入れるとそこの遅延が問題になってきます。また、入力位相が180度ずれると強制的に最低周波数に張り付くので位相を拾えてるのにも関わらず、周波数が最低に固定される場合はCTを逆にしたりしてみると解決することがあります。CTの出力は交流ですが、全波整流してしまうと倍の周波数と認識されると思うので注意しましょう。

これをLC共振回路につないで、ロックしてんなーって遊ぶのも楽しかったですが、それだけじゃつまらないのでIHでも作ってみました。
ただ金属が赤熱してるだけです。画像では多分800Wくらい投入してます。周波数調整無しで動くので非常に楽ちんです。ただ、直列共振だと金属を入れない時に共振周波数に追尾すると半端無く電流が流れて素子が熱くなったり、死亡したりするのでご注意を。
 もうちょっと赤熱させてみた。変な色ですが実際は赤に近いです。もう少し入力を上げれば多分溶解できます。周波数は160kHzくらいで、PLL制御回路→IGBTのハーフブリッジ→インピーダンス変換トランス→LC直列共振って感じの構成です。これについてはまた記事を書くかもしれません。実は1kW級のPFCと繋いで定電力制御とかしたりする計画もあります。
 素子的には1500Wくらいは余裕で耐えそうですが、共振コンデンサがアツアツで大変だったり、配線してる銅バーが基板との接続部分でハンダが溶け落ちたりするのでこれくらいの入力電流が限度です。IGBTの速度的にかなりやり過ぎ感がありますが、意外と発熱は少なく強制空冷無しでも触れる温度でとどまっていてくれました。

それでは、今日はこの辺で。

2015年9月12日土曜日

4046について その3

こんにちは。kktです。
過去記事を見てるとシリーズ記事(の予定)をずっとパート1で放置してることが多々あるようです。ちょくちょく実験はしてるのでそのうち続きを書く予定です。お待ち下さい。

さて、前回LC共振回路の共振周波数を見つける回路を設計した訳ですが、結論から言いますとバッチリ動きました。特にこれといって工夫があったわけではないのであまり説明は無いです。ブレッドボード上に組んでみて幾つか問題点もあったので写真とともにどうぞ。
 

実験に使ったLとC
共振電流を見るためのカレントトランスもついていますね。

 実験回路
共振電流の波形整形にLM393を使いました。ただオープンコレクタ出力なのでちょっと応答速度が気になりますね。ついでに4046の1ピンにLEDを付けて位相状態を見ています。位相のズレが少ないほど明るく点灯します。

動作中の共振電流と駆動電圧波形
電流と電圧の位相差がきちんと0になっています。

前回微妙によく分からなかったLPFですが、取り敢えず遮断周波数35Hzにしてみて問題なく動作しています。特に波形が乱れたりだとか不安定な動作は見受けられませんでした。
上の波形は位相のズレを補正した後のものですが、やはり補正前は少しずれます。この位相のズレを補正する回路を次回は設計してより実用的な回路にしていきたいと思います。

それでは、今日はこの辺で。

2015年8月24日月曜日

4046について その2

こんばんは。kktです。
記事名でお察しの通り4046の利用についての記事です。読み返すとこのシリーズの前回の記事は表現や説明がガバガバ過ぎたのでほとんどメモ的なものだと思ってください(?)。前回は軽く各ピンの機能を説明しましたが、一番大事な負荷の位相のことを考えるのを忘れていたので考察します。

LC直列共振回路の場合を考えます。PLLのロック、アンロック状態を決める位相の状態は、基準波形に対して遅れている、進んでいる、位相差無しの3つが考えられます。今回は実際にLC共振回路を動かしてみて各部の波形を見てみましょう。ちなみにコイルは実測110μH、コンデンサは0.39μFのものを使用しましたので共振周波数は24KHzくらいでした。

まず、駆動周波数が共振周波数より低い場合。
 0Vラインより上の矩形波がLC共振回路の入力電圧波形、変な正弦波みたいのがLC共振回路の共振回路の電流波形です。見ての通りですが電圧波形が立ち上がる前に電流波形が立ち上がっていますので位相は進んでいます。

今度は駆動周波数と共振周波数が合っている場合
 画像のホワイトバランスが変ですいません。電圧と電流の位相は合っています。ついでに共振回路のQが常識的に高いと矩形波で駆動しても電流波形は正弦波になります。今回はだいぶ歪んでるけど…。

そして駆動周波数が共振周波数より高い場合
電圧波形が立ち上がっているのに電流波形は遅れて立ち上がっています。位相は遅れていますね。

以上より、直列共振回路の場合、PLLの制御は電圧波形を基準にすると
位相の進みを検出:周波数を上げる
位相の遅れを検出:周波数を下げる
というので問題ないはずです。



さて、共振回路の位相の状態が分かったところで、LC直列共振回路の共振周波数を探す回路を実際に作りたいと思います。いきなりIHやテスラコイルを作るのは難易度が高いので小型のCとLを直列に接続してそれをドライブすることで簡易的に負荷を再現することにしました。周波数可変範囲100~300[kHz]にし、LC回路の駆動は簡単のためとスイッチング素子用のゲートドライブICを使用することにします。

まずVCOの設計をします。
最小周波数Fminは100[kHz]、最大周波数Fmaxは300[kHz]、電源電圧5[V]とするとデータシートのFigure6より、C1=1000[pF] R2=10[kΩ]あたりで良さそうです。CもRも精度が出るような部品を使用するつもりはありませんし精度が重要な場所でもないのでむしろ可変抵抗にしてしまっても問題ないでしょう。可変範囲を後から変更できるしそのほうが良いかもしれません。
次に、R1を求めます。周波数可変範囲係数(ワイが勝手に命名)=Fmax/Fminが必要なので計算します。今回は3です。この数値からFigure7を見るとR2とR1の比が求められます。縦軸3のところを見るとだいたいR2/R1は2くらいなのでR1=5[kΩ]と求まりました。2つとも可変できるようにするとかなり広い範囲で対応できそうですが調整が結構めんどくさそうなので今回は固定にしてしまいます。
以上より、C1=1000[pF] R1=5[kΩ] R2=10[kΩ] とします。

次にVCOとPC(位相比較器)の接続部分を設計しようと思います。が、先ほどのデータシートにはLPFの設計についてほとんど記述がありません。LPFの定数設定は、周波数制御の安定性を決める重要な部分と思われるので適切に設計したいところです。海外等の作例を見ていると遮断周波数は数百Hz~数Hzとバラバラです。安定動作と過渡応答の特性を両立させるには実機で確かめる必要がありそうです。根拠は無いですがとりあえず70Hz(手持ち部品の関係ですが)くらいで試してみます。具体的にはC=0.1[uF] R=22[kΩ]にしました。

比較する位相は、実用的にLC共振回路の電流と入力電圧波形(VCOのすぐあと)にするとすると、4046が前述の動作をするには14ピンに電流の位相信号(カレントトランスかシャント抵抗で検出)、3ピンに入力電圧波形で良いことがデータシートのFigure1から分かります。これで位相が進んだらVCOへの電圧が上がり、周波数を上げることができます(逆もまた然り)。
ところで前回記事で4046の位相比較器1(XOR構成)はゴミみたいに書きましたがFig1を見ると普通に使えそうですし、よく考えたら位相比較器2の方でもどっちの入力位相基準にするかは、ちゃんと確認しないといけませんね。すいません。余裕があればPC1の方も使ってみたいと思います。

ついでに4ピンに入力される信号と実際にLC共振回路を駆動する信号はどうやら若干遅れがあることが分かっているので遅れ時間を少し可変できる遅延回路を組んで様子を見ることにします。

と、ここまで決まりましたが回路の実装はもうちょっと時間が掛かりそうなのでここで一旦今回は終了ということで、次回までお待ちください。

それでは、今日はこの辺で。