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

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。
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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。

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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。

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
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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

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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。

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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。

???
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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。

NT京都2017に行ってきました

今年もNT京都に行ってまいりました。
NT京都関係者、来場者の方々、ありがとうございました。

いつもは鈍行で京都まで行ってましたが、今年は新幹線でワープしたのでめっちゃ楽でした。新幹線スッゲェ速いななにあれ
京都についたらちょっと設営をして、その後日本橋に行ってきました

聖地巡礼
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通天閣が近くにあった
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会場に戻り寝ようとしましたがNT前日深夜テンションでなんか出展物間に合ってない人のお手伝いとかしてしまいました。おかげで寝不足です。(楽しい)

自分はいつものレールガンと、でっち上げテスラコイルを出展しました。
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撮影は来場者の方 画像提供ありがとうございます

レールガンの動画

レールガンは去年と同じものです。

テスラコイルは写真を撮り忘れてしまったので上の写真を見てください。
回路も二次コイルも既に出来てるのでササっと作ろうと甘く見ていましたが、基板を作り直したりDIY的な部分に時間を取られて結局完璧には完成しませんでした。
未調整の不安定な状態なので低出力で放電させてましたが、そのうち我慢できなくなってフル出力させました。調子乗って演奏とかさせてたら燃えました(池沼)。
今年はテスラコイルの出展が多いようでした。レールガンの動画の後ろをみてもらうと何本もテスラコイルが立ってますね。暗室にも何台もテスラコイルがありましたが、忙しかったので暗室どころか室内の展示は見れませんでした。ちょっと残念

あと会場はフレンズが多かったです。

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サーバルちゃん見にきてくれました!うれしーーー!!!
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撮影は来場者の方 画像提供ありがとうございます

「の」のシールとユニサーバル基板ときばんちゃん
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NT終了後、もう回路燃えてもなんでもいいのでテスラを適当に修理して出展者勢と炎色反応させたり感熱紙に放電させて遊んでました。
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感熱紙 QCWの放電を当てました。
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翌日はR氏とR氏の友人と京都観光をしました。
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楽しかったです。

新しいテスラコイルの制御回路

以前QCWSSTCっぽいものという記事を書きましたが、ここではもうちょっと詳しく書きたいと思います


テスラコイルの制御回路といえば、ロジックICで作るのが一般的です。
しかし、いくつかICを使うので配線が面倒で、作ったとしても動かなくて回路を見直したらそもそも動かない回路だった、ということがありました。
そこで、マイコン内に回路を組み込んで回路が自由で簡単に作れるようにしました。

試作した基板

DSC_0705

一番手前のICがマイコンです。この中にいつものロジック回路が詰まっています。インタラプタ入力やデッドタイム生成などもこのマイコンで行えます。
その後ろがハーフブリッジのゲートドライブICです。今回はGDTを使わずハフブリドライバを使ってみました。
その後ろが1次コイルをスイッチングするMOSFETです。


できるだけ回路を簡単に、ということで今回はフィードバックにCTではなく、ツェナーダイオードを使ってみました。

キャプチャ

ツェナなので電圧FBになります。実験では遅れなどもなくしっかり信号も出力してくれてなかなか優秀でした。
ただし、この回路は位相がどうのこうのでコイルの向きなどを調整する必要があると思います。

この基板のメリットは、回路がうまく行かなくてもプログラム次第でロジック回路部分を自由に組み替えられることです。また、ハーフブリッジドライバを使用したのでほぼ確実にMOSFETをドライブできます。デッドタイムもマイコンで生成してるので安心です。
デメリットは、パワー部・ロジック部・二次コイルが絶縁出来ていないことです。うまくやれば問題ないですがちょっと気持ち悪いですよね。


コイル自体は以前のものを使用して試験動作させてみました。
下の写真は入力24Vで動作させた時のものです。このあと400Vまで入力してみましたがちゃんと動いてくれました。

DSC_0706

マイコンで制御できるということで、QCWのような波形にするプログラムを書いて動かしてみました。すると...

qcw4

なんと簡単にQCWDRSSTC風の放電を出すことが出来ました。実際はDRではないのでQCWSSTCだと思います。
波形はちょっと歪んでるけどそれっぽくなっています。

DS1Z_QuickPrint19

プログラム次第で普通のSSTCとQCWを組み合わせた動作をさせることも出来ます。
通常はインタラプタで入力して普通のSSTCの動作をさせ、一定時間おきにQCW放電をするようにしてみました。



通常の放電に対してQCWの放電の長さがよくわかります。


調子が良かった時の動画です。たまにコロナが出ているのはインタラプタ入力を浮かせてたのでこうなってしまいました。 




前からやってみたかったQCWドラムをやってみました。
SSTCとQCWを組み合わせられるということで、ドラム時にQCW動作をさせ、それ以外のときはノーマルSSTCとして音楽とドラムを同時に演奏しています。



QCWの存在感よ


やっぱり絶縁されてないからなのか、よくバグって変な動作になります。
それ以外にも波形を観察してみるとゲートドライバの遅れが酷くてヤバイ気がしました。何らかの方法で位相を調節してやる必要がありそうです。 
さらに波形をQCWにしても針状の放電が出てくれないのでコイルを巻き直す必要がありそうです。共振周波数が低いと針状の放電が出ないそうです。
それでは今日はこの辺(へん)で。

QCWSSTCっぽいもの

5分で記事書けと言われたので書きます
新しいテスラコイルの回路を作ったので色々動かして遊んでたんですが、これもしかしてワンチャンQCWSSTCっぽいものできるんじゃね?と思ってやってみました。

てきと~にやったらできました。

qcw6
qcw4
qcw1
qcw12

波形 ちょっと歪んでるよね

DS1Z_QuickPrint19

よくわからないけどなんか普通のDRSSTCみたいな放電がでます
共振周波数が低いとこうなるって5分で書けって言った人から聞きました。

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詳細はまた後日書きたいと思います。なにしろ5分で書けと言われたので
記事書きました:新しいテスラコイルの制御回路
ちなみに5分で書けとは言われてません。5分で書いていい?って言ったら書いてって言われたので書きました。
5000兆円欲しい!