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。

PICマイコン

1石お手軽誘導加熱

Twitter上で誘導加熱が流行って(?)いたので自分も作ってみました。

DSC_0014

1石で動作する回路です。
IHクッキングヒーターや炊飯器、電子レンジのインバータなど、わりと身近にある家電に使われてる方式だったりします。

缶に水入れて沸騰させてみました。



電源には24Vの電源装置を使っています。本当はAC100V突っ込みたかったのですが、高耐圧な素子がなくて今のところ24Vで我慢しているところです。


基本的な回路図です。

1石共振

L1が加熱コイル、C1が共振コンデンサ、M1がメインのスイッチング素子です。
回路の簡単さでは自信があります。将来保護機能などの拡張も楽にできるようになっています。

まず、「動作開始」と書いてある電源から一瞬電圧が出力されると、回路が動作し始めます。※一瞬(1usくらい?)じゃないと動作おかしくなるかも。
その先にあるORが1になると、さらにその先の「A」の回路に入力されます。この回路はパルスの立ち上がりエッジを検出する回路で、連続的に1が入力されても一瞬だけ1を出力してくれます。

赤:ORの出力(A回路の入力)
緑:A回路の出力
A回路


Aの回路の先にはSR-FFがあります。Sに1の信号が入力されるのでQが1、そしてMOSFETがONになります。そしてL1に電流が流れ始めます。
この時、MOSFETのドレインの電圧は(理想では)0Vです。ドレインの横にある分圧回路で分圧されたあと、コンパレータに入力されます。
そういえばこの分圧回路はあんまり分圧の意味をなしていません、どちらかと言うと高電圧が入力された場合にはダイオードを通ってクランプされるような動作をします。
話を戻しますと、コンパレータの-には分圧された0V、+に基準用の電圧がかかるのでコンパレータの出力は1となり、ORに入力されます。
今度は「B」の回路を見てみましょう。ORの出力が1のとき、50kΩの抵抗を通ってじわじわと1000pFのコンデンサに充電されていきます。電圧が上がっていき、しばらくするとその先にあるSR-FFの閾値に到達し、Rが1と判定されるのでQが0になり、素子がOFFになります。
つまり50kΩと1000pFの大きさで素子をONしている期間を決定しています。
(ちなみにこの時Aの回路は一瞬だけ1になるのでORの出力が1でもAの出力は0になっています)

赤:ORの出力(B回路の入力)
緑:B回路の出力
B回路


素子がOFFになるとL1の電流も途切れたいところですが、そういうわけにはいかず、かわりにC1へ電流が流れていきます。これでなんとなくL1とC1で共振します。
この時はD電圧は高電圧になってるので、コンパレータは出力0となり、Aの回路もBの回路も出力0なので、SR-FFは変わらず素子はOFFのままです。

L1とC1が共振するとなんかしらんが勢いで勝手にドレイン電圧が0Vまで戻ってくる点があります。
この0Vになった瞬間、コンパレータが1となり、SR-FFが1、そしてMOSFETがONになります。
このようにして発振が続いていきます。

そして注目してもらいたいのが素子のON/OFF時のドレイン電圧です。
ターンオフ時はC1に充電される時間があるため、いきなりドレイン電圧が上がることはなく、0Vから徐々に電圧が上がっていきます。その後、共振で0Vまで戻ってきます。今度はこの点で素子をONにします。
要するにうまいことZVS動作をしていて素子のスイッチング損失がほとんどゼロにできるんです。考えた人頭いいですよね...

赤:ドレイン電圧
緑:ゲート電圧
zvs


「動作開始」は一瞬電圧を出力します。こいつがないと発振が開始しません。
コンパレータの基準用電源はZVSタイミングの調整と、MOSFETのRdsやIGBTのVce_Satの対策みたいなものです。
分圧後のコンパレータへの入力なんですが、寄生容量のせいでなんか遅れ気味になっちゃうみたいです...。自分のやつはこれが逆にいい感じの動作をしてくれててZVSタイミングを調整できます。でも寄生容量利用するとか気持ちわりぃよね

素子のON時間の設定はBの回路の抵抗値で調整できるのでここを半固定抵抗またはボリュームにして出力の調整をすることが出来ます。B回路の後ろにコンパレータくっつけても良いかもしれません。
ただしあんまりON時間を短くしすぎると周波数が高くなったり、電流があまり流れなくなってドレイン電圧が0Vまで戻ってこなくて発振が止まっちゃったりするので注意です。

また、上記の回路はすごく基本的な部分だけの回路図なので何の機能もついていません。過電圧・過電流検出回路をつけたり、動作/停止の制御もできると良いかもしれませんね。
あと回路図上ではゲートドライバも省略してるので実際作る時は付けましょう。


自分は上記の制御回路をPICマイコン内に組み込んで簡単に仕上げました。IH本体の回路は中でロジック回路組むモジュールとコンパレータと周辺回路で完結してるので、マイコン的お仕事は動作開始のパルスを出すことしかしていません。

DSC_0012


この回路はZVS動作できるのが良いところですが、自分のは発熱が結構あるのでうまくZVS出来てないのかもしれないです。オシロで見た感じはまぁZVSどうなになってる気がするんですけどねぇ...。ON抵抗で普通に発熱してるだけかもしれないです。わかんないです。

黃:ゲート
青:D電圧
紫:D電流

077

なんか電流波形がひどいね
とりあえず簡単に作れたので満足しています。




===追記===
回路いじってたらもうちょっと簡単にできました。
基本構造は同じです。試作してないのでわかりませんが動きそうな気がします。
OR(A1)の後ろ~バッファ(A2)の間の部分で、立ち上がりエッジ検出とON時間のタイマーを兼ねました。真ん中の10kΩの抵抗(R2)を調整すれば出力可変(ON時間可変)できるはずです。
RS-FFが消えたのは大きいと思います。マイコンに組んだとしても外付け部品が少なくなるのは嬉しいことです。

キャプチャ

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。

ドラム風に放電できるインタラプタ

テスラコイルでドラムっぽいこと昔からやってみたかったんですよね
QCWDRSSTCがドラムに最適だなとか思ったんですけどもうちょっと手っ取り早くやりたいなと思って(作る技量もないし)
インタラプタの方を改良してドラム風な放電ができるようにしてみました。 


とりあえず動画

うまるーん


けいおんのやつ


らき☆すた


ドラム音は、強制的に(通常のパルスに比べて)非常に長いパルスを1パルスだけ送っているだけだったりします。
放電が長くなるのと、通常の音楽の放電が中断されるのでポツッって感じに放電できるわけです
確か200us~1ms(ベロシティによって可変)のパルスだったと思います。

あと同時に通常の放電についても、ベロシティによってパルス幅可変にしました。
これによりパルス幅は74HC123制御ではなく全てマイコン制御になりました。マイコンがバグってもテスラ側に保護付けといたので大丈夫だと思います。
これで小さい放電(小さい音)とか大きい放電(大きい音)とか表現できますね!
動画内ではうまるちゃんの一番最後のピ↓ロ↓ロ↓ロ↓ロ↓のところとかわかりやすいと思います。

放電テスト的な↓

ボリュームも無理やり追加したので全体的な音量調節もできます。

アッそういえば74HC123を使わなくなったので、代わりに光コネクタ用の信号変調マイコンを取り付けました。ピン配置を合わせるために一回基板に実装してからソケットに刺さっています

CvYKjvQUEAAjX0x

テスラコイルといえば光コネクタの受信側の改造が必要でしたが、このマイコンを通すことで改造が不要になりました。これについてはまたいつか記事にしようと思っています。


実はどれも文化祭にあわせて改良した機能です。おかげでいい感じに放電させることができました。
それでは、今日はこの辺(へん) で。

PIC16F1705でWS2812Bを動かす

WS2812Bはシリアル通信で制御できるRGB LEDです。WS2812Bについての概要は他のサイト等でググってみてください
今回はPICマイコンでWS2812Bを動かす方法(?)を紹介しようと思います。

WS2812B系のLEDの何がめんどくさいって通信波形の生成ですよね。
少しググって調べた人ならわかると思うんですけど、信号の1パルスが1ビットの情報になっていて、このパルスの長さによって0か1かを表すというものです。
しかしこのパルスが1周期1~2us程度と、そのへんの8bitマイコンだと処理がギリギリです。C言語で書くと処理速度が遅くなってしまうのでアセンブラで書いてる人が多いみたいです。

自分がWS2812Bについて調べてる時、次のようなアプリケーションノートを見つけました。
PIC16F1509 の構成可能なロジックセル (CLC) を使った WS2811 LED ドライバ インターフェイスの作成(AN1606)(PDF)
PICマイコンは処理速度は速くないですが、周辺モジュールが豊富にあるので、これを使って信号を生成してみようというもの。
タイマー、SPI、PWM、CLCを使いLEDドライバを構成しています。CLCと言うのはロジック回路をマイコン内部に生成できるというものです。CPLDやFPGAの超小規模版といったところ。
このLEDドライバはSPIに表示させたいデータを入れるだけで信号を生成してくれるというすぐれものです。
SPIのSCK信号を長いパルスとして使用し、PWMで短いパルスを生成しています。これをCLCでSPIのSDOと合成して信号波形を生成しています。
SPIとPWMは同じタイマーを使っているので完全に同期させることができるようです。考えた人ホント頭いいですよね

もうほぼこれを参考にして(いやパクリ)作ってみました。
PICはアプリケーションノートのマイコンではなくPIC16F1705を使用しました。WS2812はとりあえず4つです。



使ってみた感想としては、モジュールの設定を済ませれば、あとはSPIにデータを入れるだけでいいので簡単に制御することができました。ただデータを送ったら次のデータを即座に用意しないと表示がおかしく(チカチカする)なってしまうので結局工夫してプログラム書かないとダメみたいですね。



ていうかこれやったのもう半年以上前だからよく覚えてないんだよなぁ...
本当はもうちょっとLEDドライバについて書く予定だったんだけどね、しょうがないね

100WLEDドライバー

私は自転車通学なのですが、最近日が落ちるのが早くなり、下校中など暗くて仕方ありません。田舎なので街頭がない場所もあります。向こうから無灯火のチャリが来てるのに直前まで気づかなくて危険だったりします。
そこで、それなりに明るい懐中電灯を作ろうと思います。
ついでに使う部品は家に眠っている部品のみとしますのでちょっとスペックが足りなかったりするところがあるかもしれません

まず光源となるLEDは、随分前に購入して放置されてた100Wのものを使います。

DSC_0498


どんな回路にするかを決めます。
今回は持ち運び式にしたいのでバッテリー駆動とします。
100WLEDを駆動するとなると、普通に抵抗で電流制限してしまうと抵抗の発熱が大きく、あまり効率もよろしくありませんし、バッテリーの持ちも悪くなります。
100WLEDはVF=35V程度あるので、バッテリーも35V以上用意すればいいのですがバッテリーの個数も増えてしまいサイズが大きくなってしまいます。
以上の点から、昇圧チョッパー式として、低電圧のバッテリーから高効率に駆動できるようにします。
それと、いままでチョッパを作ってたので回路や技術の流用ができるっていうのもあります。
バッテリー電圧は具体的には7.4~18V位を想定しています。


回路のブロック図(?)です

ブロック図

今回も制御にはマイコンを使用し、ほとんどがマイコン内で構成されてます。チョッパの制御も操作も全てマイコンで行います。
出力可変をしたいので今回はPWM方式とし、マイコン内のPWMモジュールで波形を生成します。
チョッパ部分が2セットありますが、MOSFETを交互(正確には180度ずらした波形)にスイッチングします。これはインターリーブ式と言って、リプル率が抑えられたり、小型化できたりします。
PWM波形(1相)をCOGというモジュールに入力してやると180度ずらした2相の波形を出力してくれます。
LEDの電流とコイル電流はシャント抵抗で検出します。以前チョッパを制作した時、配線抵抗の影響を受けることがわかったのと、LED電流はGNDから浮いているので、オペアンプ(OPA)は差動増幅にしてみました。GND基準で値を取得できます。
その他、LED電圧のフィードバックや電源電圧の測定用に分圧回路を設けてあります。
COGのAuto-Shutdown Controlという機能を使って、LED電圧が一定以上、またはコイル電流が一定以上になると即座にスイッチングが停止するようになっています。(プログラムで測定・計算すると反応が遅くなってしまう可能性があるため)
操作はタクトスイッチとLCDで行うことにしました。

ダラダラと書いておりましたがだいたいこんな感じです。
そういえば、LEDに電流制限抵抗が付いていないので???ってなる方もいるかもしれませんが、原理的に出力電圧はLEDのVF以上には上昇しないようになっていて、代わりに流れる電流が増えます。チョッパの出力以上には電流は流れないので、PWMのデューティー比を調整することで出力を変えるができます。
このお陰で電流制限抵抗が不要で効率良く点灯させることができます。


チョッパに使うインダクタですが、某店でこんなインダクタが。

DSC_0500

エッジワイズコイルでとてもぱわみがありますね
実はこれを入手したのも製作動機の50%あったりします

スイッチング素子部分はIRFB3607とショットキーバリアダイオード(2素子入り)です
ダイオードのスペックが足りない気がするけど家にある部品縛りなので...

DSC_0489


基板完成

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裏面にはインダクタと平滑用コンデンサが載っていて大電流が流れる部分はIV1.6mmで配線されています
(これは製作途中の写真)

myhome

ベース基板とLCDの乗ってる基板は分離できるようになっています。
LCDは秋月のI2Cのアレ(バックライト付き) それとタクトスイッチが2つ付いています。
基板右上が欠けているのは家にある部品縛りのせいです。LCDの保護フィルムは完成したら剥がしますよ

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LCD基板の下にはPIC16F1709とゲートドライブICのIR4427が載っています
IR4427は中に2回路入っているので今回のような回路には使いやすいですね そして安くて電流も結構流せる

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LEDはとりあえず秋月ヒートシンクにつけてみました。 

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実際に動かしてみた時の動画です


ちょっと明るさがわかりにくいかも

LCDの1行目は実際の出力、2行目がバッテリーの電圧になっています。
いまのところ1W~100Wまで設定することができます。 1~10Wは1W刻み、10~30Wは5W刻み、それ以上は10W刻みで設定できます(このあともプログラムを変えると思うので今のとはちょっと変わるかもしれません)
出力制御の仕組みは単純で、出力を設定する→LED電流と電圧を測定する→出力が設定した値よりも低かったらPWMデューティー比を大きくし、大きかったら低くする、といったふうになっています。

100W連続動作させてみましたが、MOSFETたちはギリギリずっと触っていられるくらいの温度でちょっと熱いです(計算上3~4W程度の発熱(多分))
LED本体は100W全て消費しているので熱いのは予想できてましたが、流石に秋月ヒートシンクは無謀でした。強めのファンで放熱してやっと触れる程度になります。

これは例の2相PWMのテスト時の波形動画です。ちょうど半分ずれていると思います。このおかげで小型で低損失にできるってことですね。10bit分解能があるのでなかなか細かい出力設定ができるようです。
 



保護機能が動作したときはすぐに発振が止まるようになっています。
出力電圧の過電圧保護が動作した時の波形

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コイル電流の過電流保護が動作した時の波形(黄色が電流)

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といった感じでそれぞれうまく動作しているようですが、高出力時に誤作動してしまうことがわかりました。
おそらくノイズで誤作動してるようですが、もうなんかめんどくさくなったし、プログラムでも保護掛けてるし、もういいかなぁ~~ーってなって、結局保護機能はなくしました......まぁまだ一度も部品壊れてないしいいでしょ
なのでシャント抵抗を外そうか検討中...意外と発熱あるんだよね


ちょっとプログラムを変えて遊んでみた。じわっと光ってじわっと消えるやつです。



ということで基板は完成しました。あとは筐体も作らなければいけませんが基板作って満足しちゃってる感。完成はいつになるのやら 



~最近の秋月彼岸花の様子~
花は咲かずに草生えてます。草生える 

DSC_0480
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