ぽんず製造所

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昇圧チョッパ

【コイルガン向け】キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ⑥

またチョッパを思いついたというか、作ってみたかったというか、やりたいことがあったのでその事前実験というかをやってみました。
キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ①~⑤では全てPFMという方式で動作させていました。
今回はこれをPWM方式で動作させることにします。理由は次回

新たに基板を作るのがめんどくさいので⑤で作った奴をプログラムだけ変更してPWMで動作させることにします。
普通なら出力電圧は一定でいいのですが、キャパシタチャージャー用は出力電圧が変動します。なのでDT比も出力電圧によって変えなければいけません。
DT比は 1-(入力電圧/出力電圧)*100[%] でいいみたいです(テキトーにググっただけ)
プログラムとしてはADCで現在の出力電圧を読む、上記式を計算する、PWMモジュールにその値を入れるといった感じです。ADCは測定誤差が小さくなるように50回読んで平均させてます。このせいで次回DT比更新まで2msくらいかかっちゃってますがまぁ問題無いでしょう。
PWM周波数はマイコン的に一番やりやすかった7.8125kHzにしました。
また、出力電圧によってDT比が変わるということはコイルのピーク電流値が変わるということなので、出力電圧が低い時はコイル電流が小さく高い時には大きくなるはずです。これも実際に見てみましょう。

動作風景



PWMなのでちゃんと音の周波数が一定ですね


3750uFのコンデンサを充電した時の波形です
黄色:コイル電流
水色:MOSFETゲート電圧
ピンク:出力電圧

充電全期間
黄色がひどいことになってるのは無視して

DS1Z_QuickPrint14

336Vを1.052秒で充電してるので出力は約200Wです。適当にやった割には結構出ますね
でますよ

拡大
充電初期

DS1Z_QuickPrint16


充電中期

DS1Z_QuickPrint15

充電後期

DS1Z_QuickPrint17

周波数は変わらずにデューティー比だけが変わってる様子がわかりますね。 
それと予想通り出力電圧が高くなるとコイル電流が増えてるようです。
コイル電流の変動がよく分かる画像

DS1Z_QuickPrint18

コイル電流、充電初期はピーク7A程度ですが後期になるともう30A程度流れちゃってますね...コイル飽和しまくりっすね
デューティー比が上がるとコイル電流が増えちゃうのは方ないことなのでD比制限を掛けてもいいかもしれないです(出力は落ちると思いますが)
また今は全期間が臨海モードでの動作ですが、初期だけ連続モードで後期に臨海モードに切り替えるなどすれば出力の変動が抑えられるかもしれません。
こういうところを見るとPFM動作は電流値や出力電力が変動しないのがいいところかな―とか思ったりします(???)
記事書いてて思ったけどPFMなPWMできるんじゃね?と思った(?)

ちなみにDT可変の様子
速くて見難いかもしれないけど 

 

まぁこんなんやね
今のところ順調です。 

【コイルガン向け】キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ⑤

マイコン買ったんでこの前のチョッパ完成しました

こんな感じのが

CIMG0043

こうなって

CX9dBt4U0AAaqls

こうなって

CYBWbrfUoAA7P6R

完成 

CIMG0049
CIMG0050

コイルが変わってるのは仕様です
あとシャント抵抗起こしてそこにゲート電源用レギュレータつけました 

今まではボタンを押せば動作、みたいな感じでやってきましたが、マイコンにUARTで動作信号を送ると動作し始めて停止を送ると止まるようにしました。
チョッパからは電圧情報が返されてきます。
また補助機能的に自動充電停止機能をつけました。
動作の状態などはプログラムで色々設定できるからいいね

\パカッ/

CIMG0054

このフィルムコンがそれなりに重要でして

CIMG0057

チョッパからコンデンサまでが長い場合、配線インダクタンスでチョッパ側に過電圧が発生してしまって運が悪いと素子が死にます。
この過電圧を抑えるために出力の直後に適当なコンデンサを入れています。直後に入れて配線インダクタンス成分をなるべく小さくします。
とりあえず0.47uF2シリで0.235uFくらい入れてみました。
2シリになってるのはスペース的に入りそうな薄いフィルムコンが手持ちにこれしかなかったのと耐圧が足りなかったから

コンデンサがない場合の出力直後の電圧(シミュレーション)

さーじ

コンデンサあり(実測)
ピンク:出力直後, 水色:ゲート

NewFile7

結構抑えられているようです


コイル電流波形を見てみた
大体動作はあってるけどなんかものすごく汚いしヤバイです......逆になんでこれで動くのか

コンデンサ充電初期と充電後期のコイル電流です
黄色:コイル電流 水色:ゲート

NewFile3

ちゃんとD比が変わってるのがわかります。

NewFile6


あとテキトーに効率計算してみた
黄色:コイル電流
水色: 電源電圧
ピンク:出力コンデンサ電圧
負荷は抵抗負荷150Ω

NewFile10

電源が平均23.1V
コイル電流を見るためのシャント抵抗が22mΩで電圧がの平均が268mV=12.1818...A
なので入力281.4W

出力は199Vの抵抗負荷150Ωなので264W

出力/入力で効率93%......??で計算あってるのかな
これがあってるなら効率結構良くて嬉しいです......が、なんか計算ミスしてそう。それに電圧が上がれば上がるほど効率が落ちると思うのであんまり考えないでおこう
あと抵抗負荷じゃなくてコンデンサ充電だともっと出力も効率も落ちますし


まぁチョッパが完成したのでこれをレールガンに搭載しようと思います。というかもともとそういう目的で今までやってきたんだしね




ーーーーおまけーーーー
レールガン用のでかいコンデンサを充電してみた


【コイルガン向け】キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ④

※書き溜めてて公開してなかった記事を今頃公開してますなので書いてることがすこ~しずれてます



あけましておめでとうございます。
いやー1年早すぎですね、早すぎて2015年は(も)特に何もしなかったね


前回のチョッパはマイコンをまだ買ってないので進展はないです

で、この新チョッパを専用のICとかで簡単に動かせたらいいよねって思ってたんですよ
そしたらあったんですよ

まずチョッパのブロック図はこんな感じでした
810
こちらがそのICのブロック図
2つのコンパレータがRS-FFに入力してるあたり完全に一致している...
4545
そのICとはなんと


555
です!!!!!


周波数固定型の555チョッパの出力の低さを改善しようとして色々考えてきたけど、最終的に555に戻ってくるっていうね
今回は555をちょっと変わった使い方?をすることで新チョッパと同じ動作をするようにしてます

簡単に回路を作ってシミュレーションするとこんな感じになります。

1
 
赤が出力のコンデンサ電圧で、緑がコイル電流です。
太い帯状になってるのはめっちゃスイッチングされてるからそう見えるだけです。
しっかりコイル電流が一定の範囲でスイッチングされていますね。

拡大バージョン
緑は電流で変わりないですが今度は赤がMOSFETのゲート電圧になっています。
こちらは充電初期のもので、DT比が低いのがわかると思います。

2

電圧が高くなってくるとこんな感じになります。
DT比がすごく高くなってますね。しかしコイル電流値は充電初期と変わりません。

3


シミュレーションもうまくいっているので実際に作ってみました。
サイズは前回の半分くらい

CIMG0060

コイルは炊飯器からとったアレです。詳細不明だけどまぁ使えるっしょwてきな
シャント抵抗はいつもの0.022Ωのセメントじゃなくて0.1Ωを4パラして使ってみました。セメント抵抗が減ってきたしこっちの0.1Ωがいっぱいあるからってだけね

制御回路分離できます。 ちいさい

CIMG0061

そして動く...

と思うじゃん? 
なぜか動かないだよね
は???????また池沼ICかよと思いながらデータシート再確認したんだよ
そしたら「VCTRL Control Voltage 2.9~3.8V」とか書いてあるんだよ
シャント抵抗電圧を直でコンパレータにぶち込もうとしてたので5ピンは0.3~0.4Vくらいになってるからそりゃ上手く動かないわけw
やっぱりシャント抵抗の電圧アンプは必要だったか...

もうやっつけでオペアンプを乗っけたやつを作りました💢💢
設計間違えてピンソケット裏につけるはめになりました💢 

CIMG0062
CIMG0063

1.27mmピッチ基板はいいぞ

CXjYBq7UQAAkKdN

はい
ピンソケット逆につけたせいで制御回路だけ出っ張っちゃってます

CIMG0064


実験風景

CIMG0065

抵抗負荷150Ωで117Vでてます。入力が瀕死の生ちく11Vってこともありますが、出力は弱めで90Wくらいです。 15Vとかにしたら130Wくらいでます。
出力が低いのはコイル電流値を調節できないっていうのが大きいと思う。最大電流の設定値が小さくなってるみたいです。オペアンの増幅率を変えられるようにすればよかったね
まぁ小型コイルガンとかの実験の電源くらいには使えるんじゃない? 


というわけで汎用部品で簡単に新チョッパを作ることができました。

【コイルガン向け】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...

【コイルガン向け】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。

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(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......
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