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。

PWM

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)

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 

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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。 
5000兆円欲しい!