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。

マイコン

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。

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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。

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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
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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。

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。

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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。

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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...

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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)

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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 

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キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ⑦

前回理由説明するとか言ってたけどめんどくさいからやーめた
とりあえずプログラムでPWMではなくPFM方式での動作が可能になって安定性が高まりました。
マイコンのPWMモジュールのPWM生成の方法についてよく調べたらPFMも可能ということがわかりましたので

出力電圧を読み、それにあった信号をマイコン内のPWMモジュールで作る利点としては、完全に他励式なので電流検出回路がいらないことや発振が安定することなどです
電流検出については、その分の実装面積分をなくしたり、シャント抵抗分の発熱がなくなったり、シャント抵抗のせいでGNDが浮いてしまうなんてことが無かったり、それなりに良いっちゃ良いですが電流検出はあったほうが安心かもしれないですね過電流防止とか用に
以前のようにコンパレータとRSFFでやるものはたまーーーーに発振がンンッ?ってなることがあったけどPWMモジュにやらせればこんなことはないですね、MOSFETくんも気持ちよさそうです。


そんなこんなでまたチョッパ作りました。
このチョッパは300W出力で設計してみました。サイズはそのまま出力1.5倍です。
測定用にシャント抵抗がついてますがいずれ外す予定です

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前はでっかいコイル1つでしたが小さいの4つに分散させました。

制御基板
マイコンとゲートドライブICが乗ってます

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ベース基板
コイルや電圧フィードバック、レギュレータなどが乗ってます
この基板には小型化のために0.3mm基板を使ってみましたが薄すぎてこの用途には強度がたりなかった...マイコン工作とかではいいかもしれないです。

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ぱわーなところ
MOSFETとかダイオードとかがあります
コイルを4つにしたのでMOSFETやダイオードも4つになってます(ダイオードは二素子入り)
MOSFETは最近秋月に出たスペックの良いやつを使ってます。 値段もぶったまげるくらい安いのが秋月の魅力ですよね。

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ヒートシンクにTO-247素子が埋め尽くされてるの頭おかしい。

それでコイルとコイルの間にネジを通してしかもダイオードの固定と基板の固定を一緒にするというマジキチっぷり
制御基板の裏の空白部分に多回転半固定抵抗とかパスコンをつけたりしたのでかなり密度が高くなってます。
多回転半固定抵抗もコイルの間から回します...

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LEDを何となくいっぱいつけたらなんかいい感じになりました。見た目が。

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このチョッパの特徴としてはこういうこと

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今使ってる電源が240Wなので設計出力300Wは出せません(電源装置では150Wの出力を確認)
ということで電源をリポに変えてみて、300Wフル出力させてみました。

3750uFのコンデンサを充電した時の電圧波形

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3750uFを316V充電したので約187J
これを400msで充電してるので187 / 0.4で 出力約460W....!?
と、いい意味でも悪い意味でもちょっとよくわからない出力がでてくれました...
目標出力を遥かに上回っていて嬉しいのですが、さすがに出力出過ぎ。電源がリポなのでこんなに電流流すと爆発しそうで恐ろしいです。
やはり電流制限用にシャント抵抗等をつけたほうが良かったかも知れないです。
本気出せば450W以上出せることがわかりましたが、ここまで来ると出力をわざと落としたほうが良さそうです。

というか300W出力で設定したのにこの出力が出るっていうのがよくわからないわけ
おそらくインダクタの飽和等でインダクタンスが変化し電流がガバガバ流れるようになった説が濃厚です。
詳しく調べようとしてもリポ怖い&ヒューズ切れるで動作時間が極端に短いので実験回数も少なくデータがあまり取れていません。本当に460Wも出てるのかもよくわかりません。いや出てるんだけど...


最後に本番と同じ7500uFの充電した時

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320Vまで900msで充電してるので出力は420Wほどに落ちています。おそらく電池が減ってきただけだと思います。

新チョッパはまだまだ不安定ですがなんとか動いてくれました。調節や出力リミットなどをつけて安定化していきたいと思います。



おまけ:歴代の昇圧チョッパ
出力や効率だけで見るとどんどん高性能化していってますが、大きさや安定性など総合的に見ると真ん中のが一番良かったかもしれないです(そもそも今回のはまだ開発中ですが)

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5000兆円欲しい!