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。

テスラコイル

自動二次コイル巻き機

もう1年近く前になりますが、自動二次コイル巻き機を作りました。記事書いてないことを思い出したので今書きます。

テスラコイルはあの二次コイルを作らなければもはやテスラコイルとして成り立ちません。
でもコレを巻くのは非常に面倒で大変。1000回くらい巻かなければいけません。
ということで自動でコイルを巻いてくれる装置を作ってみました。
今までも電動ドリルの先に塩ビパイプを取り付け、半自動で巻けるようにしていました。
しかし、巻いてる時の調整は手で行わなければいけませんし、巻数もカウントできません。巻数は使った銅線の重さを量る、または巻取り長を測って線の直径で割ることで大体の巻数は算出できますが、スキマや誤差で正確には測定できません。
そこで、巻数をカウントできて、調整も自動でしてくれる、というのを目標にしました。

まず。正確に巻数をカウントするために、今回は巻取り用モーターにステッピングモーターを用いることにしました。DCモーターでもいいですがフィードバックが必要になると思います。
次に、線を巻いていくと巻くべき場所が移動するので、巻く場所を調整する必要があります。
これも正確に移動させる必要があるので同じくステッピングモーターにします。

そんでもって適当に回路を作りました。

DSC_1102

左から、制御回路、モータードライバ基板、ステッピングモーターです。
制御回路には秋月の福箱から出たものを使ったり、部品箱の奥底にあったものを使って、極力お金をかけないようにしてみました。部品の消化にもなるし
モタドラはなんだか大げさですが、学校に大量にあったICをいくつか頂いてきた(許可済み)ものなので文句は言えないです


次に巻き取るところを作りました。

DSC_1100

真ん中にコイルをセットします。 
一応最大40cm程度のコイルまで巻けるようにしました。右側の板は下のアルミ棒に沿って移動できるようになっているので任意の長さで調整できます。

巻線を自動送りするところも取り付けました。ネジ送りになっていて細かな移動が可能なはずです。

DSC_1117


これは巻線を掴む部分です。
こんな感じで線を通したらフタで挟み込みます。

DSC_1056

布を使ったのでいい感じに線を摘んでくれます。ネジで挟み具合を程よい感じに調整することも出来ます。ピッピッって糸が張る感じです。



さて、この時点でハードはほぼ完成なのでテスト用プログラム書いて動かしてみました。
この時ステッピングモータは二相励磁で動かしていて、その分解能が低かったためか、モータが思ったよりガクガク動いてあまりよろしくありませんでした。
そこで、マイクロステップ駆動というものでもっと細かな制御をすることにしました。電流値を細かく制御するらしいのですが、マイコンで制御するのは大変めんどくさそうなので専用ICのTB6608FNGつ使うことにしました。

制御基板のLCDの裏は空きスペースとなっているのでそこに実装しました。

DSC_1075

結構発熱しそうだったので銅板貼っつけてその上にIC載せました。配線はUEWでやりました。
そしてその上にクールスタッフ貼って放熱はバッチリです。(結局、実際動かしてみると思ったより発熱しませんでした...)

DSC_1078

結果として制御基板とMDが合体して1枚になり、ステップ数も細かくなり、モータの制御も楽になって一石三鳥です。
ついでにDCジャック付けました。

DSC_1177

基板を取り付けて完成です。

DSC_1193

全体的にかなり雑な作りなのは、急いで作りたかった・安く済ませたかった・まぁでもそれなりに使える、を求めた結果です。許して


ソフトはこんな感じになりました。



turnsは巻いた数、densityは巻取り間隔です。横の矢印は巻く方向とかです。
RotationModeはコイル側だけ回します。ニス塗りのときに有用です。MovementModeとかは送り位置の調節とか用です。


VU管とはこんなの作って連結します。

DSC_1145


試しに巻いてみました。途中で間隔を変更しながら巻いてるのでこんな感じになっています。

DSC_1138


本番用コイル(約800巻)を巻いてみました。動画は40倍速にしていますが本当は約10分かかりました。



出来たやつ
DSC_1188

782回巻いたらしいです。
DSC_1184

キレイに巻くにはどうやらセッティングにコツがいるようで、それまでUEWを結構無駄にしてしまいました。あまりにも雑に作ってしまったので精度の悪さや歪みなどがあり、その影響もあると思います。
しかし手巻き/半自動巻よりかだいぶ楽に制作できるようになったので良かったです。

ふぇぇずしふと

1ヶ月くらい前のことですが、フェイズシフトフルブリッジ回路の実験をしてみました。
フェイズシフトフルブリッジというのは、フルブリッジ回路のアームごとの位相をずらして出力を可変できるというものです。

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アームの位相が同じならば負荷に電流は流れません。

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半分ずれた時は負荷には少しの期間だけ電流が流れます。

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完全にずれた状態、つまり普通のフルブリッジの状態では常に電流が流れます。

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出力可変ならPWMかなんかでやればいいじゃんと思われるかもしれませんが、フェイズシフトならデューティー比を50%固定で出力可変できるので、GDTなどPWMに向いていない回路で使用できます。
あとスイッチング損失を低減できたりするみたいです。



実験風景 きたない

DSC_2066

自分がこんな回路の実験するのはもちろんテスラコイルを作るためなのでほぼテスラコイルと同じような回路構成となっています。
適当なLとCで共振回路を組み、フルブリッジで駆動します。CTで共振電流をフィードバックして動かすようになっています。


波形です。
黄色と水色が各アームの出力(というかこれはゲート波形だけど)、ピンク色が電流波形です。

これは出力小=位相がほぼ同じ時の波形です。
位相が若干ずれてる程度で電流もそれほど流れていないのがわかります。

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そしてこちらが出力最大=位相を完全にずらした時です。
電流が先程よりかなり流れてますね。

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そんでもって全期間?を見た波形。
黄色に対して水色がずれてるのがわかります。電流値も小~大までありますね。

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全体図。電流値を徐々に大きくしています。

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んでもってQCW用の波形にしてみました。若干回路の調子が悪いです...

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でもまぁいい感じですね。
で、なんとなくこのままテスラの1次を駆動してみたら...

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放電出ちゃった....

テスラコイルでけものフレンズの曲を演奏した

最近記事のネタもないし、紹介を忘れていた(?)動画のことでも書こうと思います。


随分前のことですが、けものフレンズOP曲の「ようこそジャパリパークへ」をテスラコイルで演奏しました。



本来NT京都の宣伝用に作った動画です。
のほほーんと適当に投稿したらけもフレブームに乗ったようでなんかメチャクチャ伸びてしまいました...こんなことならもうちょっとちゃんと作っておけばよかった...
MIDIはわいえすさんの【MIDI】ようこそジャパリパークへ(けものフレンズOP)を耳コピしてみたです。ありがとうございます。


その後セルリアンの曲も投稿してみました。



今回は前回の反省点を活かすとともに動画の最後の部分でちょっとしたテスラコイルの紹介を入れてみました。
この動画ではテスラを2本用意し、片方は普通のSSTCでメロディー、もう片方はQCWでドラム音という動作をさせています。
最後のしんざきおにいさんの曲ではQCWのほうにメロディーをやってもらい、放電に触るときだけQCWで手に放電を伸ばしてきてもらおうとか考えてたら普通の放電にあたってびっくりしました(池沼)
演奏データ作成は白河しらさんです。白河しらさんのファミコン実機音源で、けものフレンズのBGMを演奏 すごーい編を見てこれダッと思い直接お願いしてデータ頂いてしまいました...ホントすいません。ありがとうございます。

そうそう、ねとらぼさんでも取り上げてくれました。
テスラコイルの放電音で演奏する「セルリアンのテーマ」に驚きの声 これがセンボルトペンギンか…… - ねとらぼ
あと
週刊ニコニコランキング #513 -3月第1週-でジャパリパークを、
週刊ニコニコランキング #523 -5月第3週- 修正版(なんか削除されてて見れない)でセルリアンを取り上げてもらえました。
うれしいです。ご視聴ありがとうございます。

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。
5000兆円欲しい!
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