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。

簡単にランプ波を作る

QCWDRSSTC用のランプ波(のこぎり波)簡単に作れるような回路を考えたので紹介します。
(違う用途で調べて来られた方は参考程度にしておいたほうがいいと思います...)

基本的にはコンデンサを定電流充電すると電圧が線形的に上がっていくことを利用します。

①定電流ダイオードを使う
回路です。

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多分これが一番早いと思います。
定電流ダイオードで定電流充電し、MOSFETがONになるとコンデンサにたまった電荷を放電しランプ波にします。
これは一番簡単だとは思いますが、欠点がいっぱいあります

・充電電圧がVCC電圧に近づくと直線じゃなくなる
満充電付近になると、電流が流れにくくなって最後のほうが直線じゃなくなっちゃいます。なのでVCC-1Vくらい(CRDによる)までの電圧を使うようにすればきれいな直線が得られると思います。VCC電圧をちょっと高くしておくのもありだと思います(たぶんテスラなんか近くに12Vラインとか通ってるっしょ)

・ランプ波の傾きが変えにくい
傾きはコンデンサの容量を変えるかCRDの電流値を変えることでしか変えられません。両方とも半固定抵抗のようには可変できないのでピンポイントの値を見つけるのはなかなかめんどくさいと思います。

・QCW用のランプ波っぽくない(?)
QCW用ランプ波は、下の画像の左のような波形にしているものが多いです。しかしこの回路では右のような波形なのであまりよろしくないかもしれません。実際放電にどう影響するのか知りません。

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②トランジスタを使う
回路です。

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これはちょっとめんどくさくなりましたが基本的な部分は変わっていません。
まず上のPNPトランジスタがONになるとコンデンサの充電が開始されます。ベース電流は常に一定なので定電流充電をすることができます。
次は放電するときですが、上に書いたことと同じです。定電流で放電できるので、①で問題になっていた段々電圧を下げていくという動作ができます。
そしてこの回路はベース抵抗を可変させることでランプ派の傾きを変えることができます。PNP側の抵抗を変えれば立ち上がりの傾きを変えられるし、NPN側を変えれば立ち下がりが変えられます。
しかしこの回路にも欠点が

・トランジスタの種類や温度、個体差などで変わる
コレクタ電流はベース電流*hEFですが、hFEは様々な条件によって異なってきます。種類で変わるのはもちろんですが、同じ種類でも温度で変わったり、個体差もあります。なので回路を組んだら一回確認してみると良いと思います。

・ベース抵抗がデカい
大きめの抵抗を付けてベース電流を小さくしているのですが、テスラコイルのノイズがこの部分に紛れたらガバガバになりそうですよね。大したことじゃないです。それだけです。






ということで実際に実験してみました。

①の回路
CRD=E-101(1mA)、MOSFET=2N7002、C=1uF、VCC=5V
黄色がランプ波で水色がMOSFETのゲート電圧

実験したけど画像撮り忘れました!!1
(今度実験したら撮っとくよ)

まぁまぁです。電源が5Vなのでコンデンサの電圧が3.5Vくらいで充電を止めてます。
ちなみにそのまま充電していくと

実験したけど画像撮り忘れました!!!
(今度実験したら撮っとくよ)

こんな感じで最後のほうが曲線になってしまうので注意が必要です。





②の回路
PNPTr=2SA1015GR、NPNTr=2SC1815GR、ベース抵抗PNP側=470kΩ、NPN側=100kΩ、C=1uF、VCC=5V

DS1Z_QuickPrint41

綺麗です。理想に近いと思います。

①と同じように充電を続けてみると、
※実験なので充電時間を長くしたと言うかコンデンサの容量を少なくしています

DS1Z_QuickPrint40

電源電圧のすぐ近くまで直線を維持できていますね。電源電圧まで達するとそれ以上は電圧は上がらないので上が平たくなっています。




と、こんなかんじで比較的楽にランプ波を作れたと思います。あとは入力パルス幅を調整したりする回路を設ければいいと思います
また、この回路は簡易的なものなので、ガチでやる場合はなんかちゃんとした定電流回路を使ったりそもそもマイコンから出力させたりすることをオススメします

テスラコイル用の光ファイバー通信回路

テスラコイルは曲を演奏したりするときにPCなどとつないでインタラプタ信号を送りますが、PCが壊れたり誤作動しないように光ファイバーを使って通信することがあります。
これがその光ファイバーケーブルと送信コネクタ、受信コネクタ。S/PDIFコネクタです。

秋月電子から画像を拝借させていただきました(すいません)
C-09596

光コネクタは通信用の規格に沿ってデータを送るようですが、テスラコイルでは光コネクタに直接インタラプタ信号を入力している人が多いみたいです。その時にLまたはHの信号をコネクタに一定時間以上連続で送った時に、出力がHかLに固定されてしまうのです。そうなるとテスラコイルが常時稼働で壊れる可能性があります。

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少々ググってみると、本来コネクタに送る信号はLやHが連続した信号を送ってはいけないようです。
そこでテスラコイル界隈では光コネクタ自体を改造して無理やり直接信号を送ろうとしています。

改造したコネクタ。
CIMG0345

しかし、改造するのがめんどくさい
まず光コネクタから中の素子を抜き出してフォトトランジスタ等の光センサに交換します。光センサの調達は大きさとか応答速度とかで結構苦労しますし、新しい光センサを組み込もうとしても、位置合わせが難しかったりして大変です。それでも動かなかったり満足な性能が出せなかったりします。
自分だけかもしれないですがインタラプタのパルス幅を小さくしたらうまく送信できないなんてこともありました。


そんなわけでコネクタを改造しなくても済む転送方式を考えてみました。 
こんなかんじです。

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インタラプタ信号を直接光コネクタに入れるのではなく、変調回路を通します。まず数MHzの信号を作り、インタラプタ信号がHの時はデューティー比80%を、Lの時はデューティー比が20%になるようにする、というものです。これで必ずHとLが繰り返されるようになります。
デューティー比を変化させているので一応PWM変調ということになります。

送信側の回路はこんな感じです。

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XORの片方にインタラプタ信号を、もう片方に1MHz,DT比80%の信号を入力します(厳密に1MHz80%である必要はないです)
すると、インタラプタ信号がLの時にD比20%の信号が出力され、Hの時に80%のが出力されることになります。あとはこの信号を光コネクタに入れるだけです。

発振回路も一緒に組むとするとこんな感じの回路でしょうか......
XOR ICを使った時はXORが余ると思うのでその余りで発振回路を組んでみました。

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多分マイコン使ったほうが楽です

次は受信回路です。
受信回路はデューティー比でHかLを判断し、搬送波(1MHzのやつ)の成分を取り除ければいいので、ただのCRローパスフィルタを使ったものを考えてみました。

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光コネクタから出力された信号をローパスフィルタを通してロジックICなどで整形してやるという簡単なものです。
とても簡単な回路ですが、光ケーブルが接続されてない場合や引っこ抜かれた場合、光コネクタに連続でL信号を送っていることと同じになってしまいます。すると結局出力がHかLに張り付いてしまうという欠点があります。

それを解消するために以下のような回路を考えてみました。

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CR回路とダイオードとNOTを組み合わせたよくあるアレを3回路使ってます。
回路の動作説明がクソめんどくさいので割愛します。
各定数が意外とシビアなので回路図に載ってる定数じゃなくする場合はシミュレーターでいろいろ試してから作ってみたほうが良さそうです。回路図に載せたものは少なくとも動きました。
ついでに言うとCR回路にくっついてるダイオードはショットキーバリアダイオードじゃダメみたいです。ショットキつかって動かねぇってなって結構悩みました。普通のシリコン1N4148なら動きました。
あとNAND ICにはシュミットトリガなものを使ったほうがいいかも。
光コネクタとこの回路の間にバッファかましたほうがいいかもしれんな

なんかこれはこれで定数も基板作るのもめんどくさいので、結局CRローパスとパルス幅制限を組み合わせたものが楽かもしれませんね。パルス幅制限もできてケーブル未接続問題も解決できるわけですし。

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変調信号ですが1MHz80%でなくてもかなり適当でいいみたいです。H時とL時のデューティーの比が高い分には良いみたいです。ちなみに80%の逆の20%にするとインタラプタ信号の反転を出力することが出来ます。
PWMというかどちらかと言うとパルス幅で信号を判断してる感じするのでPFMやPDM変調でも動くと思います。

回路を試作してみた。
受信回路は一番めんどくさいやつと同じです、送信回路はマイコンで済ませちゃいました。

1443257913289

この転送方式は2年くらい前に考えたもので、既に自分のテスラコイル達に使われていますが、今のところ不満点はありませんし、昔の改造するやつより性能もいいです。

そういえば、秋月で売っている受信コネクタのデータシートにはHレベル出力=2.5V以下とか書いてありますが、あれは3.3V系で動かした時のデータのようで、5Vで動かした時は5V近く出力でてたので一安心です。まぁ出てなくてもレベル変換を通すか電源を3.3Vにすればいいです(適当)

今日はこの辺(あたり)で。

NCP1654を使用したPFC回路の試作

自分はコンセントからDC数百Vを得るために全波整流や倍電圧整流などを使うことが多々あります。
小電力ならこれでも問題ありませんが、大電力になると辛いものがあります。

これは全波整流を使用した時のコンセントの電圧(緑)と電流(赤)の波形(シミュレーション)です。

キャプチャ

電圧は頭が潰れてるし、電流もなんかぽこぽこお山ができたような波形になっていますね。これがとてもつらいのです。

そこで登場するのがPFC回路です。
PFC回路については下記のサイトに詳しく書いてあったので参考にしてください。
最新アナログ基礎用語集 - 力率改善回路 (PFC) - TI:http://www.tij.co.jp/lsds/ti_ja/analog/glossary/pfc.page
PFCについて:http://www7a.biglobe.ne.jp/~dft/pfc.html
さらに自分の経験を付け加えると、平滑コンデンサにかなりの電流が流れるようで、とても熱くなります。
そしてリプルを抑えようと容量を大きくすれば突入電流対策が必要になってきます。
これらの問題を解決してくれるのがPFC回路です。

PFCとは言ってもいろいろ種類があるようですが今回は一番一般的っぽい昇圧チョッパみたいな回路のものを使います。
数十kHzというコンセントの周波数より圧倒的に高い周波数でスイッチングして電流を正弦波に近づけようとします。回路構成はモロ昇圧チョッパなので出力電圧は入力電圧より大きくなります。製品では300後半~400Vの電圧にしてるものが多いようです。

そんでもってNCP1654というPFC ICを使って作ってみたやつ

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とっても雑だけど試作だから気にしない
なんか無駄にデカいフィルムコンとかついてますがその辺にあったものを使っただけです。
インダクタですが今はなき秋月のコイルを使用しています。

これが制御回路

DSC_1477

無理やり2.54mmピッチの基板に取り付けられてるSOPのICが今回主役のNCP1654君です。
このICはメーカーから設計用のExcelシートがダウンロードできて簡単に部品定数などを決められます。データシートも丁寧に書いてある用でゆとりのぼくからしたらかなり使いやすいICなのです。
実は以前NJM2375でPFCを作ろうとして失敗しており、設計の楽な今回のICを使ってみたわけです。
このICは電流連続モード(CCM)なので数百~1kW2kW余裕で制御してくれますのん(信頼)
今回は500Wで設計しました。Excelに値をぶち込むだけで計算してくれます。

そしてこれが500Wの負荷!

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恐る恐る電源を入れてしばらく様子を見ましたが安定して動いてるようです。
数分立つともう負荷のホーロー抵抗が250度を超えてきて、素子のヒートシンクも熱くなってきました。
試しに500W以上の負荷をかけてみましたがちゃんと電流制限されて最大でも600Wくらいしか出ないようになってました。優秀

コンセントの電圧(黄色)と電流(水色)の波形です。
電流は思ったより正弦波じゃないですが全波整流よりか全然良いです。というか電圧波形もあんまり正弦波じゃないですね(今回作ったPFC動かさなくてもこうなってるので家の中のどれかの装置のせいだと思う)

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これはコイル電流(黄色)と出力電圧(水色)の波形です。

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試作に成功したのでよかったです。
これでバンバン大電力で遊べますね。

小ネタ

大したことではないんですがNT京都前後になんか色々作ってたので書きます

NTに向けて、ふぐ氏(Twitter:@METALGEAR_TTX)開発のSEMICOと自分のMIDIインタラプタをくっつけました。
SEMICOはSDカード内のMIDIファイルを読み込んでMIDI信号を出せるやつ。これを使えばテスラコイルで演奏するためにわざわざPCを用意しないでも大丈夫!PCを壊す心配がない!というめちゃくちゃ便利なもの。もちろんテスラコイル以外でも自作物MIDI演奏系のものにも使えます。尚NTではテスラコイル自体がうまく行かなかった模様。

 



次、
やったぜ
新品なのになんか1000円以下で入手できてとてもうれしいです。
まだ回してない いつか回したい

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次、
降圧チョッパなDC-DCコンバータ作りました。
いつも使ってる24V電源から電圧を下げるために作ってみました。
両面"ノン"スルーホール基板を使って両面に部品を実装しました。

DSC_1480
DSC_1482

コイルに10A以上流すこともあるのでダイオードの損失(発熱)が馬鹿にできないということで、同期整流を使ってみました。
上の図はよくある降圧チョッパの回路ですが、ダイオードをMOSFETに置き換えてハーフブリッジの形にしました。損失はダイオードの時はVf*Iですが、MOSFETの時はI^2*Ronなのでそれなりに低損失にできます。ハーフブリッジにすると、「メイン素子がハイサイドにあるのでPchを使いたいが性能が悪い!しかしNchはドライブしにくい!」と言う問題もハーフブリッジドライバを使って解決でき一石二鳥です。

無題

ただ、MOSFETの駆動信号を作るのが大変でした。コイル電流が0Aに戻ってきた時、ローサイドMOSFETをOFFにしないと出力から逆流してしまいます。そこで、コイル電流を検出してCLCでPWM信号と合成したりなんかいろいろやって生成しています(意味不明)

黄色がハイサイドMOSFETのゲート波形
水色がローサイドMOSFETのゲート波形
紫色がコイル電流波形
コイル電流が0A付近になった時ローサイドがOFFしてるやろ?

960

これ出力の平滑コンだけど本当に頭悪そう。300uFくらいあるらしい。

DSC_1484

んでまぁCVCCのソフト組んで動かしてみたけど、使えないこともないけどフィードバックと計算が間に合ってないのか変な動作したりして実用にはなりませんでした。結構頑張って作ったのにな~見た目とかは結構気に入ってるのにな~てかこれ作って満足したやつ。素直に専用ICを使わないからこんなことになるんです。


次、
メモだけどTLP152の遅延時間を測定しました。TLP152はちょっといい感じのゲートドライバ付きのフォトカプラです。
水色が入力LED、黄色はTLP152に適当なMOSFETをつなげたゲート波形です。速度は画像のとおりです。

C8Ftk_LVYAEK-w_
C8FtlYVVMAEqNt1

If=10mA
Vcc=12V
遅延時間は100nsくらいですね。ちょうどデータシートの標準値くらいです。



次、
MIDIインタラプタのパルス幅をベロシティで可変できるようにした延長として、エクスプレッションでもパルス幅を可変できるようにしました。



自分のソフトの書き方が下手くそなんでしょうけどもうマイコンのメモリが足りてません。ハード的にも、当初の予定ではパルス幅は別ICで可変する予定だったのに改造してゴリ押しててそろそろ限界です。 


それでは今日はこの辺(へん)で。

PICマイコンを使ったノーマルインタラプタ

今までテスラコイルのインタラプターには言わずと知れたスティーブ氏のインタラプタを使ってきました。

これ
DSC_0443

しかしドラム放電やQCW放電など、単発の出力をすることはできなかったので新しくインタラプタを作ることにしました。
(や、実は左上のボタンで単発出せるんだけど接触悪かったり何回も押さないといけないしなんだかんだで使い勝手が悪かった)

スティーブ氏のものは555を使ったディスクリート構成でしたが、今回はすべてマイコンで制御しようと思います。
基本的にはスティーブ氏のものと同じ動作+ドラムモードを実装するつもりですが、マイコンを使ってプログラム次第で柔軟に動作させたり、部品数も少なく配線も簡単にしちゃおうという魂胆
あと電池の持ちも良くなるように、というかなくなっても安価に入手できるように単3の電池を使うことにします。006Pはちょっと高いよね。あんまりかわんないかも。

こちらが作った基板

DSC_1237

乾電池一本で動かせるように、HT7733を使ったDC-DCコンバータで1.5V→3.3Vに昇圧しています。
あとはメインのマイコンとボリューム類のコネクタ(ピンソケットだけど)、出力の光コネクタが載っています。

ボリューム類がわちゃわちゃしすぎてる

DSC_1242

ケースに組み込んだ。

DSC_1249

ケースはその辺にあったテキトーな物なので少し小さく操作性が悪いです 

かんせー

DSC_1248

ボリューム類は、
電源スイッチ、モード切替、バーストモード間隔、バーストモードD比
    動作状態確認LED
単発出力ボタン、単発を一定時間おきにパンッパンッってやるやつ、周波数、パルス幅
という感じに並んでます。

使用したマイコンはPIC16F18325です。NCOというモジュールを使い、かなり滑らかに周波数を変更できます。0~125kHzまで0.1192092896Hzごと(20bit)に周波数を変えられますがもはやVR値をADCが10bitなのでNCOを使いきれてない。

???
DSC_1239


動画



このインタラプタは実はNT京都にあわせて作ったのですが、来場者の方から「なんで音が出せるの?」という質問をされそうだったのでパンッパンッパッパッパパパパバーーー(伝われ)ってやって原理を説明できるモードにを付けてみました。実際文化祭で実演した時は何度かこのような質問されました。まぁ結局テスラ本体がダメだったのでNTでこのモードを使うことはありませんでした(
話を戻しますとモード切り替えスイッチを一番下にするとこのモードになります。周波数ボリュームを右から左に下げていくと周波数が上がっていきます。
そのまま、モード切替スイッチを中点にするとノーマルインタラプタモードになり、ボリュームを上げていくと周波数がさらに上がっていきます。原理説明モード→ノーマルモードの切替時に周波数を連続させたかったので原理説明モードの操作が変な感じになりました。
モード切替スイッチを一番上にするとバーストモードになります。
左下のボタンを押すと単発出力(1msくらい)を出せます。で、その隣のボリュームで一定時間おきに単発出力してくれます。
長々と書いてしまいましたが動作はこんな感じです。 

使ってみた感想としては、上にも書きましたが操作性が悪い。持ちやすいケースで作り直したいね。
それ以外は思った通りに動いてくれましたし、特に以前のインタラプタで問題になった点を解決することが出来て満足しています。以上です。
5000兆円欲しい!
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