Single ended induction heater その1

こんばんは。

最近自励式に非常にハマっていて特にIHの回路を考察してました。ちょっと前まではPFCを作っみたんですが、出力電力を測ろうとして電子負荷つないだら配線ミスって回路燃やしてしまいまして…それからPFCはいじってません（）まあ自励だけだと面白く無いのでZVSとかZCSなる損失低減の工夫もしています。あと、僕はマイコンを使う技術がほぼ0なので全部ディスクリートで組みます。ということで今日は自励式シングルドライブZVS高周波誘導加熱装置について書こうと思います。

まず回路の大まかな構成はこんな感じです。

非常に簡単な構成です。※よく考えたらZVS検出っておかしくね？ゼロボルト検出じゃね。
書き忘れましたがフリップフロップはZVS検出でセット、電流が閾値超えたらリセットです。
電流の閾値を可変することで実質的に素子のON時間を可変しパワーを制御できます。
ZVS検出は素子がオフしたあと、一回コイルのエネルギーで電圧が立ち上がって、降りてきて0になったところでもう一度素子をトリガするので、その降りてきて0になった瞬間を検出するだけです。
動作波形を見て行きましょう。

まずコレクタ電圧波形です。

X10倍のプローブなのでコレクタ電圧は最大55Vくらいでしょうか。
この時の電源電圧は15Vくらいだったと思います。
お気づきの方もおられるかと思いますがターンオンが若干速い気がしますね。
コレクタ電圧が最大を超えて下降して0になるちょっと前にストンと落ちています。
コンパレータで検出する際に若干コレクタ電圧を低めに検出しているのでそのせいだと思います。
これは制御電源をあとで入れた場合に初期状態でスイッチングが始まらないこと心配して低めに検出させました。ここからもう少し素子のターンオンを遅らせるといい感じになりそうです。
次に、CTで検出しているコレクタ電流です。

CTで検出してる割には綺麗に検出できてる気がします（？）。図中にあるように周波数は23KHｚ後半ですね。コイルに電流が流れて一定の上昇率で上昇して、閾値超えたら素子をターンオフしている様子がわかりますね。

これらから生み出されるゲート駆動波形です。

C1815とA1015のプッシュプルなので特にうまいことスイッチングできてるわけではないようです。欲をいえばもっとスパッと立ち上がって、ON電圧も18Vくらいは欲しいです。改良が必要です。40Wくらいの入力電力では発熱箇所はほぼ無いくらいでした。200Wくらいまで入力電力を上げるとスイッチング素子が下のような放熱板をつけて自然空冷でしたがほんのり暖かい程度でした。

損失は低く抑えられているようです。

さて、ここまでは直流の電源装置に接続して実験しました。
ﾓｱﾊｲﾊﾟﾜｰを求めたいのでAC100V電源を整流して電源を得たいところですが、商用電源は交流なので整流してデカい平滑コンデンサを噛ませて入力してやれば良いわけです。
が、こうすると力率が悪く高調波を生じやすい装置になってしまいます。
ここで、PFC機能も付加したいと思います。
電流検出の閾値を入力の脈流によって制御し、入力電流を正弦波に近づける制御を行います。

と思いましたが、よく考えたらコンデンサインプット型の回路ではないので高調波や力率はあまり心配しなくても良い気がしてきました。（7/3追記）

電流はこんなかんじになりました。

時間軸を引き伸ばした波形を撮り忘れましたが、いちおう60Hzで変調されてるみたいな波形になっているので大丈夫そうです。

次にコレクタ電圧波形です。

これを引き伸ばすと、

ちょっと上下対象じゃない感じもしますが、いい感じではないでしょうか。

ちなみに入力電力は500Wちょっとくらいです。

この時はコレクタ電圧が400Vくらいでした。

 

意外と低く収まってます。入力はAC100Vです。
さすがに電流がかなり増えてきたので先ほどの放熱板程度では触れるぎりぎりくらいの温度まで上がりました。次回は1KWを目指してさらなる損失の低減について記事を書こうと思います。安定版ができたら回路図も載せようと思います。

あと、名前を変えました。なかたじゃない方はkktに進化しました。

では、今日はこの辺で。

4046について その1

どうも、なかたじゃない方です。

 宣言通り更新します。

早速本題ですが、海外のテスラやIHの作例を見てるとよくCD4046や74HC4046等のICをPLLに使用しているのを見かけます。4046は2個の位相比較器と1個のVCO（電圧制御発信器）が入っていて、丁度テスラやIHのようなLC共振回路を制御するのに便利なんですね。LC共振回路はLとCのインピーダンスが打ち消し合って0になるポイントが共振周波数となりますが、特にIHのような負荷の状況がコロコロ変わってしまう回路はその都度共振周波数を合わせ直してやる必要があるわけです。そこで4046でPLLを構成すれば、自動的に負荷の状態に合わせて周波数を勝手に調整してくれるという神的なことができるわけです。

しかし、作例の中には4046の位相比較器を使っているもののうまくVCOと接続されていないものや位相のずれを考慮していないものもありました。 ということで今回は4046を完璧に使いこなせるように各ピンの機能や、周辺回路を考えていこうと思います。

まずはすべての基本となるデーターシートを見てみましょう。
http://eeshop.unl.edu/pdf/CD4046BC.pdf
まず簡単なVCO部分から見ていきます。

 少し見づらいですが、問題ないでしょう。
6，7ピンは内部の発振回路用のタイミングコンデンサです。9ピンがVCOINでここの電圧で、周波数を制御します。周波数の下限と上限は 11，12ピンで決まります。データーシート内にコンデンサと抵抗のいくつかの組み合わせでの周波数の変化のグラフがあるので参考にしましょう。ここを可変抵抗にすればVCOで可変できる周波数の範囲も変わるので調整には便利かもしれません。そして5ピンですがこいつはVCOの出力を禁止するピンで、注意したいのがVCCに接続した時に発振が禁止されます。普段はGNDに落としとけば問題ありません。4ピンがVCOの出力でここからデューティー50％の矩形波が出ます。CD4046なら最大0から18Vまで振れますが電流はあまり取れないので直接駆動できるのはLED程度でしょう。
続いて二個の位相比較器（PCⅠ、PCⅡ）についてです。PCⅠは図の通りEXORを利用した位相比較器となってます。PCⅡはフリップフロップを使用した位相比較器です。両方共入力は共通の14、3ピンで、ここは最低でもロジックレベルの信号を入れるのが望ましいでしょう。実験したところダイオードのクリッパで0.6V程度にした信号では作動しないことがありました。しかしICの耐圧を超えてもまずいのでツェナーダイオードかショットキーでクランプするなどして対応しましょう。
さてPCⅠの出力ですが、EXORの真理値表を思い出すと二入力のEXORでは入力の値（HI LOW）が異なる時のみ出力がHIですね。 ということは2つの入力が完全に一致している時は出力はLOW、どちらかが遅れたり、進んだりしていると入力の立ち上がりと立ち下がり
で少しHIになってLOWみたいな感じになるのは想像できますね。

 3つの波形のうち上下2つが比較したい信号入力で真ん中がPCⅠの出力です。比較対象の上の信号が2パルス目からt秒遅れているのでEXORの出力が変化しているのが見て取れます。先の2パルスは完全に同じなので出力はLOWのままです。
お気づきの方もおられると思いますが、このPCⅠではどちらの信号が遅れている、進んでいるというのを検出するのは少し難しい気がします。PCIを使用する場合は位相差が0の時に周波数を上限か下限に近づくように制御される（と思う）ので、位相がずれる方向を一定にしておく必要がありそうです。

そこでPCⅡの出番です。こいつはフリップフロップを利用したもう少し高度な位相比較器で2つの信号の位相差から位相が進んでいる、遅れている、合っている、と三種類の状態を出力することが可能です。これを使用すれば、周波数を上げるべきか下げるべきか検出することができるのです。どんな動作になるのか実際に回路を作って実験してみました。

とても簡単な回路です。

 13ピンからの出力でLED光らせるだけです（やべぇこれめっちゃ楽しい）
これをファンクションジェネレーターとハーフブリッジとLC、適当なドライブ回路につないで、共振周波数付近で周波数を前後してみると、入力周波数が共振周波数以下の時は下側のLEDが点灯（つまり出力はHIGH）、入力周波数が共振周波数を上回っている時は上側のLEDが点灯（つまり出力はLOW）します。位相がほぼ同じ時には両方のLEDが点灯します。こいつの出力をVCOにつなげば共振周波数を追尾してくれること間違いなし！と言いたいところですが、実は回路の様々な部分で位相のズレが生じます。電流も観測しながらファンクションジェネレーターをいじるとよく分かるのですが、共振電流が最大つまり共振周波数とピッタリな時よりちょっと前や後でLEDが両方点灯します。 理想的な回路では共振した時に入力と出力の位相がピッタリ合うはずですが、すこしズレているようです。位相の基準入力をファンクションジェネレーターから、ゲートドライブトランスの直前にしてもまだずれているので、ゲートドライブトランスやその後のパワー回路での位相ズレがあるようです。これを補正すれば完全に共振周波数でPLLをロックできるはずですが、それについてはまた次回ということにしましょう。
 それではまた…

おまけ：つかったファンクションジェネレータ

あ。

お久しぶりです。

生きてます。

近いうちに更新すると思います。

(´,,•ω•,,｀)わわっなかたさんですか？

お久しぶりです。

なんと今日はテスト一日目です！

更新してる暇があるんでしょうかね…。

さて、例の真空管アンプですがなんとなく進んでおります。

前回では空中配線だったんですが一部を基板に配線しました。

基板と言っても普通の穴あき基板ではなく表面が銅板の奴です。

それを自作プリント基板加工機（ボール盤にルーターの砥石を噛ませただけとも言う）で加工したのがこちらです。

 

こんな感じで掘れ♂ます。

 上に乗っかってるのは真空管ソケットです。

見たらわかりますが、ドライブ段の真空管だけ基板化しました。

割と見栄えがいいですね。

 

これをグラインダーで希望の大きさに切り取ります。

横の方に傷があるのは仕様ですｗｗ

 

 なんかいい感じですねｗ

これに部品を実装していきます。

なぜか手の上に載ってますねー

部品の配線をしなくていいのでとても楽です。

基板も簡単に作れますし素晴らしいです。

ただあまり小さいパターンは掘れないですが。

で、音出しした結果ですが宙ぶらりん状態よりはかなり安定して動くようです（当たり前かｗ）。

ノイズレベルも一定で、少し減ったと思います。

ヒーター電源も60Hzのトランスからとるようにしました。

なぜかたまに出力段の真空管がｼﾞｰｼﾞｰなりますｗ

まだアウトプットトランスがまともなやつを使ったことがないので分かりませんが、現状はインピーダンス比が無茶苦茶なものを使ってるので本来の性能を発揮できてないと思います。

おまけ。

真空管関連でこんなものを…

そう！ニキシー管です！

学校のゴミ捨て場で拾いました。

画像が妙に横長なのは後ろによろしく無い物が写りこんでいたためですｗ

 かっこいいですね！

ちなみに電圧は160Vちょっとで、 ドライブには専用ICを使っています。

数字の表示は負理論の二進数で制御できるようです。

表示させている数字は…おわかりですよね？

では、今日はこの辺で。

ｴﾙ・ﾌﾟｻｲ・ｺﾝ（ｒｙ

超音波振動子をいじってみるPart1

こんにちは。
なんだかんだで結構間が開いてしまいましたね。

今日は超音波振動子を少しいじってみたのでそれを少し書きます。
それと、前回二枚の圧電素子が並列になっていると書きましたがどうやら私が買った物は一枚のようでした。ごめんなさい。

では、早速実験風景でもご覧ください。

超音波振動子の上に網があるんですが、それに水滴をたらして水滴を霧化させて超音波が発生しているか、共振しているかなどを調べます。

こんな感じでコードを付けてます。
かなり適当ですね。
駆動回路はTL494の発振回路の出力をプッシュプルに入れてコンデンサとコイルつけて整合した簡単な回路です。
ですのでもちろん自動で共振させるなどと言う機能はついていません。

そのため、高精度で周波数を合わせるために多回転ボリュームを使用してします。

水滴を付けている様子↓

棒が汚いですｗ

こんな感じで水滴を付け、電源を投入して周波数を変えていくと…

水滴が霧化します。

この回路ではかなりパワーが弱いので相当共振させないと霧が出ません。
多回転ボリュームをもってしても、霧が出る範囲はほんの二三回転です。

 パワーは弱いですが数滴の水滴はすぐになくなってしまいます。

この上に水を張った容器を置いて中に金属棒などを入れると若干汚れが落ちます。

おそらく超音波洗浄機になっているでしょう。

 これからは電源電圧を上げて、回路も変更してPLLにしたりしてパワーアップを図りたいと思います。

予定では100Wほどの出力を目指します。

また進んだら記事を書きます。

では、今日はこの辺で。

乱文失礼しました。