ぽんず製造所

タイトルの通りです。


100WのLEDを3つ搭載して合計で最大300Wまで光らせることが出来ます。
電源はAC100V入力で、PFCで一旦200Vまで上げ、定電流型の降圧チョッパでLEDを駆動しています。



話は変わりますが、コイルガンの方は一時制作中断しています。多分2-3カ月後に再開すると思います。

IHの電源を商用電源にするにあたって、制御用/ゲート用電源を別途用意する必要がでてきました。大した電源容量はいらないので安価で簡単に作れるというものを目標にして秋月を漁っていると、LNK304DGという電源ICを見つけました。機能は少ないですが、まさに安価で簡単に作れるのでちょうどいいです。
非絶縁の降圧チョッパなICですが、IHでは特に絶縁する必要もないのでこれでも問題ないでしょう。実際市販品も同じように非絶縁の電源積んでましたし。
LNK304DGの他に、より高機能(？)なFSD210Bというのも見つけましたが、これはどちらかと言うとトランスを使った電源用なんだと思います。

色々ぶっ飛ばして完成

ICは基板の裏に載ってます。
回路はデータシートに載っていたもののまんまです。あ、でも出力電圧は16Vくらいになるように調整しました。
右のテスターが入力電圧、左が出力電圧です。
色々負荷かけてみましたが特に問題なさそうです。
用途は限られてくるかもしれませんがなかなか使えそうなICですね。

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)


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。



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。


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。



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。



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。



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。



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。



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。



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。



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。

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。



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



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



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！



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)




これはコイル電流(黄色)と出力電圧(水色)の波形です。



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。

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(？)



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



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。


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。



これを基板にﾌﾞ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。




No Image



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。



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。