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。

昇圧チョッパ

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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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

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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

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充電中期

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充電後期

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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

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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。 

NT京都2016に行ってきました

3/20に開催されたNT京都2016に参加してきました。
NT京都関係者、見に来てくださった方々、ありがとうございました。


出展物はなんとか間に合いました(出発1時間前に完成)
こんな感じ




2.5秒で充電が完了するので「準備ができましたので~」って案内してる間に充電できます(


自分は関東住みなのですが京都へは18切符を使って鈍行で行くことにしました。
NT行きたい系関東勢で秋葉原に集合して浜松にある雑学追究室本部へ、そこで一泊させてもらって翌日京都に向かいました。


京都!

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会場ついた瞬間にスマホがぶっ壊れるもNTのふしぎなパワーで復活(あたまおかしい)
自分は屋上出展ですが、この日は雨だったので設営できませんでした。
余りに余った時間に工具を貸してもらうなどする。 

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夕方にはdomino氏のドミノピザパ

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夜はみんなと交流。大人勢はめっちゃ飲んでるし...
写真はtesscraftとふぐちゃんです
去年は動いいてなかったLEDキューブが動いてます。とてもきれい
ふぐのSD-MIDIもすごいですね1台買いました。これを使えばテスラコイル演奏してもPCを壊す心配はないですね。自分もインタラプタ持って行ったんだけど組み合わせてみたら普通に使えた。
てか紹介してない作品もあるけど全部の作品がすごいんだよな

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当日は晴れたので問題なく出展できました。

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お隣には中田氏やKKT、TNKS氏などぱわみあふれる方々が出展してました。海苔巻もなんか放射性クッキーとか言うこれまた危ないものを出展してました。
屋上にレールガン、テスラコイル、缶クラッシャー、缶を溶かせるIH、放射性クッキーなどが集まって結構危ない場所だった気がする

中田の缶クラッシャー、KKTのIH、自分のレールガンを食らった缶の図

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チョッパとか発射ボタンのアクリル工作が綺麗ということで人気でした。
カンパも入れてくださって泣きそう。娘(幼女)にお金入れよう?って言われて入れたお父さんごめんなさい
あとレールガンうるさいって結構言われて住んでる世界の違いを感じました。これでも静かな方なんやで?音速越えてたせいでうるさかったのかもしれない

そしていつの間にかNT京都終了。
今年の出展はかなり忙しくて写真が撮れなかったり他の人の作品が見れなかったのが悔やまれる


今回はレールガンを撃ちまくる気でいたので撃った弾を保存しておいたんですよ

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で、数えたら65発....撃ち過ぎィ!もちろんメンテナンスは一切してないです
出展前はまぁ多くて50発だろうwとか思ってたら大幅に超えてました。
よくレールが耐えたものです。まだ撃てそうだけど


んで一泊して今年は日本橋には寄らずに帰路につきました。
昼飯の共食い美味しかったよ(おろしポン酢牛丼)

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鉄道10時間の旅はきつかったです。

NTで頂いたジャンクは普通に使えるめちゃくちゃ高価なものもあったしよくわからないけどありがとうございました
身内の方々もありがとう
出展するだけじゃなくあこがれの?人と会えたり作品を実物で見れたり技術的な話をしたりととても楽しかった。来年も行きたいなぁ 





おまけ
撮ってもらったレールガン

ゆういちろう氏撮影



芋森撮影
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タンク撮影 
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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

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こうなって

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こうなって

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完成 

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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/

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このフィルムコンがそれなりに重要でして

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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

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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

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ちゃんとD比が変わってるのがわかります。

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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

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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


5000兆円欲しい!