ぽんず製造所

当ブログの記事を参考にして行った事により、いかなる不都合が発生としても当方は一切の責任を負いません。全て各自の自己責任でお願いします。

キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ②

前回の記事で3つ電源が必要でクソって話になりました
なんでそんなに電源が必要かって言うと、ハイサイドの電流検出をするために制御回路がハイサイド側にあるからです。 
ローサイドでハイサイドの電流を読めればややこしい回路にならずに済むので、方法をググってみるとオペアンプを使う方法があるようです。
しかしなかなか良さげなオペアンプが見つからない...
しばらく秋月を漁っているとこんなもの
ちと高いですが専用ICほどいいものはないので使ってみます。
ブレボで一旦動作確認をしたかったので変換基板にハンダ付け

CU4sHr4VAAAeb4J

簡単に回路組んで試験してみましたがいい感じに動いているようです。 
これでハイサイド側に制御回路を持ってくる必要がなくなり電源問題が解決しました。
ゲート電源はレギュレーターでいいや。うん。


制御回路側も新しいの組みたいなぁーーーーとか思って考えてたらマイコンで組めそうだということに気がついた
PICマイコンの中には「CLC」というマイコンの中に好きなロジック回路が組めるという機能があるものがあるのです。これを使えば簡単に回路を組めるのでは??
って思って秋月を漁ってみたらありましたよさ気なマイコン
PIC16F1705です

I-08578
(画像は秋月より)

こいつは なんとかアナログなんとかマイコン というもので、普通のマイコンよりアナログ機能が強化されています。値段も安いし性能・機能もいいのでかなり使いやすいマイコンです。ただ、14ピンじゃ若干足りない気もするが。
 
んでもってCLC, コンパレータ, ADC, DACなどを組み合わせてマイコン内部をこんな感じにした
36364
そのまんまマイコンに移植した感じです。
CLCにはSRラッチと、SとRが同時に1になるのはダメなのでそれを防ぐロジック回路、プログラムで動作したり停止したり制御できるロジック回路を組み込んでいます。これでも1モジュールでできてるってなかなかイイっすね
なんで最小電流VRは直接コンパレータにつながってないのかというと、VRが最小>最大になったときに動作がおかしくなることを防ぐためです。プログラムでDACに制限をかけて強制的に最小<最大となるようにしています。
あとはプログラム次第で色々できるね
まぁマイコンを使ってもほとんどペリフェラルに頼ってるのでプログラミング的要素は少ないです


回路ができたので基板を作った
今度はちゃんと設計して作ったよ!

CIMG0014
CIMG0013

裏には顔面実装のゲートドライバがついてます。
こんな感じでカッターでパターンを切って実装しました。

a4ac46ae-62c0-4398-c3d9-95c65eeb6881
(waifu2xて拡大しまくってみた)

マイコンのシリアル通信機能を使ってPCと通信できたりもします。
さすがに接続時はチョッパは動かしませんが。
とりあえず最大電流値と最小電流値を送ってみてます

CWAlPV_VAAAWSkY
無題1

最大電流は17A、最小電流は15Aくらいまで設定できます。


それでは本番です

CWAlQ_AVAAAFBPm


うまく動いているようです。
入力24V
コンデンサ360V3750uF
コイル電流設定値は画面のスクショのやつ
コイルは700uHのを使ってみました。定格7Aですが10A以上流しちゃってますwでも意外と大丈夫っぽい
入力平均240Wで出力は200Wくらいで前と変わりません。まぁ方式や電源が変わってないので当たり前だが
もっとでかい電源があったらもっと高出力にできるはず。

抵抗で負荷をかけて出力電圧を見てみました。
原理的に抵抗値を変えても出力電力は同じになるはずです。さてどうなるか?

50Ω
CIMG0016

75Ω
CIMG0017

100Ω
CIMG0018

125Ω
CIMG0020

150Ω 
CIMG0021

出力電力を計算すると

50Ω 241W
75Ω 221W
100Ω 216W
125Ω 212W
150Ω 217W

となり大体同じ電力になります。(・∀・)イイネ!!

スイッチング素子あたりがダバァしてたのでモジュール化しました
めちゃつよインフィニオンのMOSFETとはやくてかわいいダイオード

CIMG0015

端子間が近くて若干怖いッスね

基板もヒートシンクにネジ止めしてコンパクトにまとめてみた
コイルは固定方法が決まらずになんとなく乗っけられて放置されてます..........

CIMG0029

まぁいいんじゃね

それはそうと電流設定するときにいちいち外してPCにつけるのがめんどくさいんですが
LCDをつければ解決することに気がついた(今更)
しかしLCDをつけられる程度のピンが余っていなかったのでURAT-1602LCD変換基板を即席で作りました。

CIMG0024

ん?I2C接続のLCDをつかえばこんなの作る必要なかったじゃん?と記事書いてる途中で気づく
もう作っちゃったから仕方ないね、プログラム変えるのもめんどくさいのでこのまま使います
この画面を使うのは調節するときくらいで、実践では取り外すしあんまり問題ない


前の記事でも書いたけど、
コイルが15Aまでいけるけど電源が24V10Aでフルに活用できない→12V生地区でもっと電流流そうぜ→12V15Aでは24V10Aより電力が低い
ということでした。
なら生地区と電源直列にして36V10Aにしようということを考えたのですが、今度はハイサイド電流検出ICの耐圧がギリギリになってしまって結局意味がないのです。
どうしようかなぁーーーと寝ながら考えてたらローサイドで測れるっぽい回路を思いついたので次はその回路を作ってみます。 と言うかなぜいままでこの回路を思いつかなかったし......

キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ①

前回のお茶の間レールガンで充電回路が問題になってました。
ZVSドライバーを試しにちょっと作ってみたのですが出力は出るものの安定動作しなかったりします。しかも携行型=バッテリー動作なわけでバッテリーの電圧が変わると不安定になる可能性もあります。ってかあの回路もともとキャパシタチャージャー用じゃないしねぇ
そこでコイルガンやレールガン等のEML全般向けに使えるようなコンデンサ充電用昇圧チョッパを作ってみようと思います。


昇圧チョッパの基本的な回路図
Untitled
まずクッソ適当で簡単な動作原理
MOSFETをONにしてのコイルに電流を流してエネルギーを貯めます。
適当なタイミングでMOSFETをOFFにしてコイル電流を止めようとしますが、コイルなので電流を流し続けようとします。この電流がダイオードを通って出力となります。
出力の電圧はコイルに電流を流してる期間と止めてる期間の比で決まります。
しかし負荷がコンデンサとなると、充電していくうちに出力電圧が変わるのでその時の最適な周波数・デューティ比があるはずなのです。
よくある555を使ったチョッパは発振周波数とデューティ比が一定です。
例えば、DT=50%で出力のコンデンサの充電電圧が低いと上の図のようなコイル電流になります。
逆に電圧が高いと下の図のようなコイル電流になります。

1

上の図は、コイルに貯められたエネルギーが放出(コイルの電流が減る)される前に次のサイクルにいってしまうのでコイル電流が増えていってしまいます。いずれコアが飽和しちゃいます
下の図は、電圧が高くなるほどエネルギーを放出する(コイル電流が減る)時間が早くなるのでコイル電流が0まで戻ります。しかしそのあと0Aのままでニートな時間があるのがわかります。
キャパシタチャージャーは第一に出力が求められるのでニートでは困ります。逆に過労死(コアが飽和)しても困るので、タイミングよくスイッチングして最適な電流を流してあげる必要があります。

そうするためには、コイルの電流を監視して、一定の電流になったらMOSFETをOFF、コイル電流が減ってきたらONするという動作をすればいいのです。
ブロック図を考えてみるとこんな感じ(てきとう)
114514
コンパレータ2つとRS-FFで構成されてます。
動作は図の通り
1919810
これでコイルが飽和することもなく、無駄な時間もなく、出力の負荷にかかわらずちょうどいい周波数・DT比で動かすことが出来ます。この方式すでに誰かやってそうだけどね
よく見ると(よく見なくても)コイル電流の立ち上がり時間は同じで立ち下がりが変わるだけなのでPFM変調になってますね
こういう動作するICがあればいいんだけどなぁパット見なさそうなんだよなぁ自分の検索能力が低いだけか
※それっぽい動作するやつありました詳細はこちら
そういえばコイル電流は0Aまで戻さなくてもいいです(というかあまり戻さないほうがリっプル率が低くなって出力を高くできます。代わりに素子ターンオン時ZCSじゃなくなりますが

で、制御回路を作ってみた

CIMG0026

この落ちてた基板と落ちてた部品で作った雑感な
試作なので問題ない(言い訳)

LM393で最大・最小を検出、RS-FFのICの手持ちがなかったのでNANDでRS-FFを組んでみた。 
セメント抵抗がシャント抵抗です
この回路の欠点は制御回路がハイサイド側で動いているので、MOSFETを駆動するのにはレベルシフトをする必要があるということ
今回はレベルシフト兼ゲートドライバとしてゲトドラ内臓のフォトカプラ TLP250H を使いました。TLP250"H"ねTLP250は使っちゃダメだよ(Hより高いし性能悪い(けど使ってる人多いよねウーーーンって感じ))
あと主電源と制御回路電源とゲート用電源の3つの絶縁電源が必要で最高にめんどくさい
まぁ試験的回路だし電池で済ませましたが

とりあえず動かしてみた



ちゃんと動いてるっぽいです。
入力24V
コンデンサ400V560uF
コイルは秋月の大きい140uHのやつ使いました。某9Aのは高周波に対応してないしまず9Aも流したらコアが飽和しちゃうしあんまりおすすめしないです
電圧計の反応が遅いので遅く充電されてるみたいになってますが実際は0.5秒もしない
出力は多分100Wくらいでてます。555チョッパの3倍くらいやね
周波数・DT比も自動調節されているみたいで、調整してわざと自励音を鳴らしてみると↓キュ↑ィィ↑ーーンって感じの音がしますw

調節したら200Wくらいでました



コイル定格が15Aなのでそれくらい流せばもっと高出力にできるはずですが、なにしろ電源が10Aまでっていうね
それ以上流すと電源落ちます
なら生地区とかにすればいいと思ったけど12Vで15Aだと200Wもいかないしあんまり意味ないのよね(だいたい家にある生地区腐ってた気がする)

とりあえずそこそこうまくいったっぽいので次は電源が3つでクソなのを解決したいと思う 

レールガンを携行型にできるかもわからんね

久しぶりの更新ですがとりあえずおうち引っ越しました
その影響であんまり工作ができてないのですがそれまでにやったことかきます

NT用れるがんでは400Jで効率2.3%とかいうまぁまぁな効率を記録したわけです。音速超え、出力10Jくらいです。
そこでちょっと思いついたのですが、400Jって意外と持ち運べそうだし携行型レールガンワンチャンあるんじゃね...?って
目標は音速超え、出力10J以上効率2%以上とします。 


スイッチ。
スパークギャップスイッチや電解孕みなどは大電力を扱える利点はありますが、溶着するし効率も悪いし接点もいずれ消耗してしまうので携行型は半導体化が不可欠です。
今回はこのサイリスタを使います。スペックは1.2kV560Aパルス6.3kAです。これくらいのスペックだと何kJとかいけるんじゃないかな(よくわからん)(インダクタを挟めば云々かんぬん)

CIMG0008

電極となる適当なアルミバーと端材アクリルを切り出して挟み込んで完成じゃ

CIMG0007
CIMG0006
CIMG0005

雑だけど試作なので問題ない


で、あとは普通に配線して撃つだけ。
レールガン本体はNT用れるがんでいきます。
充電はZVS不ドライバーを使ったよ

結果

CSS4d2MVEAAxe5K

普通に音速超えてるやんw
コレは期待できそう

入力486J
出力412m/s 6.79J
効率1.55%
でした。1.5%程度でも弾が軽いから音速超えちゃったんやね


もう一回撃ってみると

CSTPdX0UEAAxe2O

500m/s超えました。
出力538.7m/s 11.608J 
効率2.611%でした。
実はこの子の効率過去最高記録だったり。 


動画



ZVSドライバーのチャージ音がかっこいい
電圧とか初速は見ての通り
出力413.2m/s 10.244J
効率2.213%

という感じで意外と携行型も夢ではないようです。
目標も軽々と超えてしまったので効率3%超え目指そうかなーって思ってます。
いいこと思いついてたりするし、あのなかた氏とお話してたらいいこと聞いたんで早く実験してみたいなぁと思ってます(するとは言ってない)
現段階では充電回路が問題になってます。ZVSドライバーは安定性がないしチョッパは出力若干低いし

そういえば携行型構想を考えてる最中に外人が携行型レールガンを作ったという記事がTwitterで流れてきました。
http://www.gamespark.jp/article/2015/10/19/61052.html 
いやーなんか先越された感じがしてなんとも言えないですが....ってこれデカすぎやん!本人も重すぎてすぐ床おいちゃってるやんけ...この1/4くらいの大きさで作れたらなーと思ってます
でも流石は海外見た目がロマンがあるなぁ
記事をよく読むと殺傷力がーとかいってますのであまり威力を求めるのもいけないかもしれませんね。出力10Jでもかなりの威力があるしね。でも兵器として作ってるわけじゃないんだよ僕は
兵器として作ってるわけじゃないけど傍から見たら兵器作ってるのと一緒だもんねーうーむ 


それとなんとなく三相インバータとか作ってた

CSkdgcBU8AINAuc
 
基板が三層になってます 三相だけに
ゆーて各基板ともスペース半分以上余ってるからただの基板の無駄なんだよね
マイコン→ゲートドライバ→MOSFETって感じでシンプルな作りになってます。
三相インバータとして作りましたが、プログラム次第で2つの半橋だけ動かして単相を出力したり色々できます。

なんかから剥ぎとった三相モーターを回してみてます 
 


精密?な制御はしてないのですぐに脱調します。

とりあえず引っ越して少ししか経ってないのでまだごちゃごちゃしてるし片付いてもどうせその頃にはテストとかもあるから工作の進捗スピードは0に等しいかもしれないね

unicraftのプリント基板

先日「unicraft」さんで基板を発注しました。http://unicraft-jp.com
今回は「unicraft紹介キャンペーン」というものを利用しました。ブログ等で紹介すると無料でプリント基板を作れるというものです。


Eagleで基板を書いたあと、ガーバーデータに変換すれば発注できます。
ガーバーデータへの変換方法はHide氏のブログで詳しく説明されています。
このブログでは「
*.gpi  ドリルデータ dri.grb」と書かれていますが、実際には「*.drdデータをdri.grbに変換」します。注意してください。

ガーバーデータに変換するとEagle上での表示と異なる場合があります。文字が切れたりはみ出したり...なんてこともあるので必ずガーバビューワで確認しておきましょう。

確認が終わったらガーバーデータをzipで圧縮し注文ページからアップロードします。
これで発注が完了です。


しばらくするとメールが届きます。
ガーバーデータに異常があったとのメールでしたので修正したものを添付して送信しました。
その際にガーバーについての質問もしました。

なんとその2時間後にメールが届いてびっくり。修正したデータがOKだったので製造開始とのことでした。質問に対しても親切に答えてくれました。
ていうかこのメールが届いたの夜中の2時。中の人大丈夫かな......

メールに書いてあるURLから製造の進捗状況を確認できます。

無題

製造が開始されてから約1週間後に基板が到着しました。
過剰なくらいの梱包なかから基板が出てきました。


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綺麗にできてます。


CIMG0435



CIMG0436


よーく見ると穴がずれてるというか各レイヤーが若干ずれてる気がしなくもない...
ずれてても0.1mmとかそれくらいだし、個人用途では全く問題ないと思う。 
 
無題

シルクの潰れやカスレもないし品質はとても良いです。


面付けして目一杯使わせていただいたのでカットします。
基板を切れるような高価な工具はないので、ボール盤で小さな穴をボコボコ開けていって折るというやり方でやってみました。

CIMG0424
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断面をヤスリで削れば完成
ちなみにこれは前の記事で書いたMIDIインタラプタの基板です。

CIMG0426

ハンダ付けしてみました。

CIMG0443

問題なく動いてます。

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素人目線での感想ですが、FusionPCBやElecrowと比べてunicraftのほうがシルクが綺麗で他はあまり変わらない感じです。
値段だけではFusionPCB等の中国会社の方に軍配が上がってしまいますが、unicraftは
日本企業なので日本語でのやりとりができ、信頼性や対応も比になりません。これらを考えるとunicraftも決して高くないと思います。
ちなみにP板.comに比べて半額ほどで製造できるようです。
信頼性の求められる基板や学校での発注ではunicraftを利用しようかなと思います。

進捗なし

久しぶりに学習型コイルガン引っ張りだして遊んでましたね
コイル巻き直してみたり

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学習結果
最適通電時間:18.73ms
初速:3m/sくらい
効率:約2%
カメラで弾速測ったから正確な弾速分からないけどどちらにせよ効率・初速低すぎ


あと久しぶりにレールガンで遊んでましたね

150621_142802 308

うん

何回か撃って
最高効率:2.36%
最高初速:486..4m/s
最高出力:55.2J
でした。 
一昔前まで効率0.1%(テキトー)でやったぜとかいってたのに今や効率2%超えは当たり前になってきてる気がする 
スチール缶2個貫通後後ろの木の板に刺さったりとかこれもうわかんねぇな
あとレールの電流の流し方を工夫して効率あげようとしたけどあんまり変わりませんでした(´へωへ`*)
お城ないからその工夫がうまく動いてるのかわからんのだけど


あとdominoにZVS
Inverter基板をもらったので作って動かしてみた
誘導加熱用コイルの外側にアルミ線で輪を作って溶かしてみました



溶けたの吹っ飛んできてアブネェ


うちの炊飯器が壊れたので分解 

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見てるだけで美味しい...IGBTとか共振コンとか美味しいっす
いままでお疲れ様でした。君たちは僕のおもちゃとして第二の人生を歩んでもらうよ
 
炊飯器からリッツ線コイルも取れたので
ZVSInverterで動かす 
コイルの上にアルミホイル乗っけてみると浮いて面白いですw(ただし誘導加熱もされてるため熱くなるので注意)



こんな感じで過去作品で遊んでばっかりです
というか高校入ってからテストやらなんやらで忙しくてやる気も起きないのよね
進捗ダメです 
5000兆円欲しい!
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