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。

実用

NCP1654を使用したPFC回路の試作

自分はコンセントからDC数百Vを得るために全波整流や倍電圧整流などを使うことが多々あります。
小電力ならこれでも問題ありませんが、大電力になると辛いものがあります。

これは全波整流を使用した時のコンセントの電圧(緑)と電流(赤)の波形(シミュレーション)です。

キャプチャ

電圧は頭が潰れてるし、電流もなんかぽこぽこお山ができたような波形になっていますね。これがとてもつらいのです。

そこで登場するのがPFC回路です。
PFC回路については下記のサイトに詳しく書いてあったので参考にしてください。
最新アナログ基礎用語集 - 力率改善回路 (PFC) - TI:http://www.tij.co.jp/lsds/ti_ja/analog/glossary/pfc.page
PFCについて:http://www7a.biglobe.ne.jp/~dft/pfc.html
さらに自分の経験を付け加えると、平滑コンデンサにかなりの電流が流れるようで、とても熱くなります。
そしてリプルを抑えようと容量を大きくすれば突入電流対策が必要になってきます。
これらの問題を解決してくれるのがPFC回路です。

PFCとは言ってもいろいろ種類があるようですが今回は一番一般的っぽい昇圧チョッパみたいな回路のものを使います。
数十kHzというコンセントの周波数より圧倒的に高い周波数でスイッチングして電流を正弦波に近づけようとします。回路構成はモロ昇圧チョッパなので出力電圧は入力電圧より大きくなります。製品では300後半~400Vの電圧にしてるものが多いようです。

そんでもってNCP1654というPFC ICを使って作ってみたやつ

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とっても雑だけど試作だから気にしない
なんか無駄にデカいフィルムコンとかついてますがその辺にあったものを使っただけです。
インダクタですが今はなき秋月のコイルを使用しています。

これが制御回路

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無理やり2.54mmピッチの基板に取り付けられてるSOPのICが今回主役のNCP1654君です。
このICはメーカーから設計用のExcelシートがダウンロードできて簡単に部品定数などを決められます。データシートも丁寧に書いてある用でゆとりのぼくからしたらかなり使いやすいICなのです。
実は以前NJM2375でPFCを作ろうとして失敗しており、設計の楽な今回のICを使ってみたわけです。
このICは電流連続モード(CCM)なので数百~1kW2kW余裕で制御してくれますのん(信頼)
今回は500Wで設計しました。Excelに値をぶち込むだけで計算してくれます。

そしてこれが500Wの負荷!

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恐る恐る電源を入れてしばらく様子を見ましたが安定して動いてるようです。
数分立つともう負荷のホーロー抵抗が250度を超えてきて、素子のヒートシンクも熱くなってきました。
試しに500W以上の負荷をかけてみましたがちゃんと電流制限されて最大でも600Wくらいしか出ないようになってました。優秀

コンセントの電圧(黄色)と電流(水色)の波形です。
電流は思ったより正弦波じゃないですが全波整流よりか全然良いです。というか電圧波形もあんまり正弦波じゃないですね(今回作ったPFC動かさなくてもこうなってるので家の中のどれかの装置のせいだと思う)

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これはコイル電流(黄色)と出力電圧(水色)の波形です。

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試作に成功したのでよかったです。
これでバンバン大電力で遊べますね。

パーツクリーナーでフラックス洗浄

少し前に学校の方でプリント基板を作る機会があり、余ったスペースで小型のPICerFTを作ってみました。どうせ学校でも使うから問題ないよね(?)

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インダクタ以外は全てチップ部品になりました。また、原作のようなFT232RLモジュールを使わず、基板に直接FT232RLを実装しています。さらにトランジスタ類はMOSFETに変更して部品の省略なども行いました。あとは少々回路を変更したり...
おかげでサイズは基板のみで33x15.5[mm]くらいに収まりました。

動作確認

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電源が入ってる時は緑LED、書き込み時などに赤LEDが点くようにしました。
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正常に動作したようです。
動作したは良いんだけど、基板がフラックスで汚い

見た目的にも汚いですし、触るとベタベタするので、フラックスの洗浄しようと思います。
「フラックス 洗浄」等で検索すると、専用のフラックス洗浄剤を使う方法と、パーツクリーナーなどを使う方法が見つかりました。
専用の洗浄剤は少し高価なので、今回はパーツクリーナーで洗浄してみようと思います。

こちらが使用したパーツクリーナー、Twitterでオススメしてた方がいらっしゃったので買ってみました。

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これを基板にブシャーーーーーーーーーーーと結構大胆にぶっかけました。電子機器だからと言って躊躇してチョロチョロかけるとうまく落ちませんでした。
ぶっかけたら、適当なブラシでゴシゴシします。私は歯ブラシを使用してみました。




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写真取ってません

水道に廃液を流すのはヤバそうな気がしたので、ウエスなどで拭き取りました。白い汚れが残る場合があるので濡らしたウエスとかで拭き取ってもいいと思います。

キレイに洗浄するとこんな感じです。下が未洗浄品、上が洗浄品。

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写真では伝わりにくいかもしれませんが、かなりきれいになっています。

ただし、この方法では液体に弱い部品(電解コンや半固定抵抗など)が実装された基板には使えないかもしれません。(ほぼ部品を実装して洗浄した後に弱い部品と実装するということをすればいけるかも)
また、ブラシで擦ると剥がれてしまうような部品には注意しないといけません。

フラックスを洗浄するととても綺麗になるのでおすすめです。特に外から直接見える基板や、展示する基板などは綺麗な方がいいですし、積極的に使っていこうと思います。

秋月電子八潮店の福箱&ジャンク

秋月電子には秋葉原店の他に八潮店があるのをご存知でしょうか?
八潮店では通常の部品はもちろん、あまり売っていないような掘り出しモノもたくさん売っている非常に楽しいお店です。
そんな八潮店では毎年年始に福箱を販売しています。少し昔のことになってしまいますが、今回はその福箱を購入してみました。

福箱には
・3000円の福箱
・5000円の金の福箱
・10000円の白金福箱
があります。ちなみに福"箱"のほかに500円の 福"袋"と言うものもあります。こちらは秋葉原店でも売っていたようです。
この中で私は3000円のノーマル福箱を買ってみました。

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中身はざっとこんな感じ

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使えそう&面白いと思ったものを紹介したいと思います

・WENS 33N デジタルオシロ+マルチメーター
八潮店で3000円で売っていますが、なんと3000円の福箱に入ってました(草
オシロとテスターが一体型になったようなものです。出先でオシロを使いたい時に役に立ちそうです。

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・放射温度計
非接触で温度を測れるやつ。前から欲しいと思ってましたがまさかココで入手できるとは。

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・金属探知&電力検出器らしい
 名前のとおりです。遊べそう。




・データバンク
自分がまだ生まれてない時の商品のようなのでよくわかりませんが、メモ帳・時計みたいな感じでした。

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・チップコンのリール
0.01uFや0.1uF、1uF、4.7uFがありました。サイズも容量もちょうどよく普通に使えそうです。

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・500円の福袋
福箱の中に500円の福袋がまるまる一個入っていました。ジャンクな部品がたくさん入っていました。

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面白そうなのはこの辺でしょうか。この時点で既に元が取れてるくらいです。
あとは、まぁ覚悟はしてましたが在庫処分品(いわゆるゴミ)も少々ありました。
なんだかんだでかなり楽しめたので良かったと思います。
自分は購入していませんが、5000円、10000円の福箱も相応のモノが入っていたと聞きます。

実は開店して初日は店にいかず、Twitterでどんなものが入っていたかなどの情報を確認していました。このため500円の福袋が入っていることもわかっていたので二重購入が防止できました。
それと去年は初日の開店直後で福箱売り切れ状態でしたが、今年は2日目、3日目以降も在庫があったようです。


福箱と同時にセメント抵抗詰め合わせ(200円)もあったので購入しました。

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これは2017/2/12現在も在庫があるようでした。




それから数週間後、再び八潮に行くとまた面白いものが入荷しています 

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で、P-16とP-09がジャンクで出てるじゃないですか
1300円の正常動作品と、隣に10円の動作未確認・画面割れ品がありました。
ほとんどが画面割れ品の中、棚をよく探してみると割れてないものがありました(???)

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それを購入して動かしてみると

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なんと正常動作。しかし電池端子が錆びてたり、折れてなくなってたりとそれなりの欠陥があります。
まぁこの値段で買えれば文句はないです。画面が割れたものから部品を移植してやってもいいですね。
これらのテスターはちょっとした改造ができるらしいのでいじってみたいです。

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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リモコンを作った

部屋の電気はリモコンで点けたり消したりできるタイプで
普段は枕元にリモコンを置いといて寝る前に消すようにしてけど、机に向かってる時に電気を操作したいことが結構あって、いちいち枕元までリモコンを取りに行くのがめんどくさい
そんなわけで机においておくリモコンを作ろうと思います

リモコンには点灯/消灯以外に明るさ調節や常夜灯などのボタンがあるけど点灯/消灯以外はあまり使わないので点灯/消灯に絞って作ることにします


リモコンから送信される信号はこんな感じ

DS1Z_QuickPrint41

データ解析とかめんどいことはやりたくないのでこのデータをCSV形式で保存

csv

テキトーなスクリプトを書いて自動で(笑)プログラム生成
CSVからH/Lを判断してdelayとか入れてるだけです

無題

この作業を点灯/消灯の2回分やります

生成されたのをコピペして
あとは普通にプログラム書いていきます
マイコンは手元にあったPIC12F1501

mplabx

また赤外線LEDは38kHzで変調しなければいけないので、PWMモジュールで38kHzの波形を生成、CLC(マイコン内部にロジック回路が作れる機能)でデータと合成して出力します。
CLCはプログラム入力(?)がないようなのでコンパレータの出力を入力としてコンパレータの出力を反転させたりすることで擬似的にプログラムから入力しています。
今気づいたけどCLCなんて使わずにPWMをON/OFFするだけでよかったのでは...

実験風景
実験中、正常動作しているはずなのにうまくいかないということがありましたが、単にLEDの光が弱すぎたようです。
調べてみると赤外線LEDの場合は普通数百mA~1Aほど流して輝度を上げてるようです。ぱるすだからいけるってはっきりわかんdね

KKgLJe

数百mA流すにはマイコンの出力では非力なので手元にあった2SK2961で赤外線LEDをドライブ
ちなみに赤外線LEDはジャンク袋に入ってた詳細不明品
んで500mAくらい流したら普通に動作してくれました。
あとLEDは2シリです


実験もうまくいったのでテキトーに基板を作る

CIMG0008

テキトーすぎて1列ミスった
電池ボックスがなかったので電源はUSBにしました

いいですね



残念なところはボタンがタクトスイッチなところかなー押しにくい気がするまぁいいけど
あとボタンの色と電気の点灯消灯が逆じゃねまぁいいけど

くっそテキトーな工作だったけど、珍しく実用的なものができた
これでPCに張り付いたまま電気点けたり消したりできるね(ニート感) 
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