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。

2015年12月

キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ③

前回では、出力をあげるために入力電圧を上げようとしましたが、ハイサイド電流検出ICの耐圧がアーーーッってことで無理でした。
そこで今回はハイサイドで電流を検出するのではなく、ローサイドで検出して、入力電圧を上げられるような回路を作ってみました。

前回まではこういう回路構成でした。
114514
これを
こう
810
ローサイドにシャント抵抗を持ってきました。
頭が弱いから今までMOSFETのソースだけにシャント入れようとしてて、それだとコイル電流じゃなくてFET電流じゃね??ってなってたんですが
コンデンサバンクもシャント抵抗より上流につけて解決しました
GNDから浮いちゃってキモい気もするが...まぁそんなに影響はないと思うけど

ハイサイド電流検出ICは必要なくなりましたが、その代わりシャント抵抗の電圧を増幅するアンプもなくなっちゃったんで新しくアンプを付ける必要があります。
マイコンの中にはオペアンプが入っているのでそれを使うことにします。
したがってマイコン内部の構成もオペアンプを通してからコンパレータに入力するように変更。
1919
(帰還抵抗等は省略)

オペアンプの出力が内部でコンパレーターとつながってるようで、わざわざ外部に出力しなくてもいいみたいです。
オペアンプは非反転増幅回路で6dB=2倍に設定しました。
オペアンプを追加したのとピン配置を若干変更しただけでプログラムは殆ど変わりません。

新基板はこんな感じ

CIMG0033

ほとんど空きスペースですがそこにはコイルが載る予定です。
一番右の半固定抵抗と横の抵抗はコンデンサの電圧を測るための分圧回路です。将来的に自動充電停止や電圧をLCDに表示させたり..みたいなことを考えてます。


いざ動かしてみようとしてもなんか上手く動かない
15Vレギュレーターから22Vがでる。





KKTみたいな池沼レギュレーターかな??と思ったらパスコンつけてませんでした池沼は僕でした
身内ネタすいません

適当にパスコンつけて再度電源ON、一応昇圧するけどなんか不安定
どうやらオペアンプが発振か何かを起こして(実は原因不明)、数百kHzでMOSFETが駆動されてたようです。MOSFETが発熱するのも無理は無いね
マイコンのオペアンプには高周波モードと低周波モードがあって、高周波モードで動作させてたのですが、低周波モードにすると正常な周波数で動きました。が、今度はどうも出力が弱い
仕方ないので高周波モードで最大電流と最小電流を調節してなんとか動作するようにしました。



音が(・∀・)イイネ!!
ちゃんと周波数自動調整されてるね
そういえば前の基板も今回の基板もだけど、コイル電流を調整することで出力を可変できます

 


そのあと不安定な原因をしばらく探ってたのですが全くわからない。
試しにオペアンプを外してコンパレーターに直接入力してみましたが良くならず...

いろいろいじっててなんとなーくシャント抵抗とマイコンの間に10kΩくらいの抵抗を入れたらそれなりに動くようになりました
入力抵抗

一応一通り動くようになったので本来の目的、36V入力で出力を上げてみるというのをやってみます。

抵抗負荷(150Ω)

CIMG0036

電源に無理させてみたら233V、360W出すことができました。まぁ直後に電源落ちましたが

コンデンサ充電もしてみようと思いましたが電源が落ちてしまうので電流を調節
充電開始!と思ったら...動かねぇ...

_人人人人人人人_ 
> マイコン死んだ < 
 ̄Y^Y^Y^Y^Y^Y ̄ 

5V系の配線が36Vラインに接触しちゃったみたいです...
感覚での測定になっちゃって確証はないですが150Jを0.5秒位で充電出来てたので300W程出ていたと思う。

今回の回路は目標出力を出すことはできましたが、動作が不安定で、終いにはマイコンを殺してしまうというなんとも言えない結果になりました。 
とりあえずマイコン買ってこないとなんもできないです...

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 
5000兆円欲しい!