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。

2017年04月

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

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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

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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

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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。
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