A's LabⅡ

アスラボと読みます。ロボトレースやマイクロマウスの大会に向けて、機体の構造設計・回路設計・基板設計・プログラミングを中心に行っています。趣味のパワーエレクトロニクス系では、テスラコイルやコイルガンなどを製作・評価・改善を繰り返しています。興味を持って頂ければ幸いです。アドバイスや感想などございましたらコメント欄にお願いします。

February 2014

My SSTCの回路図を公開

こんにちは。最近私のの部品箱で使いきれず余っていてる部品の販売を開始したいなと思ってます・・・

テスラコイルの動画を簡単に撮ったので貼っておきます。
 
とても汚い部屋で恥ずかしいのですが、今はこの動画出しておこうと思います。またテスラの土台作って、ちゃんとした場所で撮り直します。暫くお待ちを・・・

本題です。今回はHaido's SSTCの制御回路の説明をします。
この回路は、かさ氏とmotorola68k氏に力を頂き設計しました。ありがとうございます。

先に全体の画像を載せます。
DSCN8098
  1. 74HC132(シュミットトリガNAND回路)
  2. IR4427(ゲートドライブIC)
  3. 7805(5V三端子レギュレータ)
  4. 直流カットコンデンサ(0.22uF/1uF)
  5. ダイオード(高電圧保護用)
  6. コンデンサ(平滑用,パルス電流強化用)
こんな感じの部品で制御回路は構成されています。端子台やピンヘッダが幾つか見えますが、左の3Pブロックはフィードバック関係の入力端子、下のピンヘッダはインタラプタの入力端子、左の2PブロックはGDTの出力端子です。
※これはあくまで制御回路であって、これで直接テスラコイルを駆動するものではありません。

2クリックで拡大
ロジック部の説明は省いても大丈夫ですね。NAND回路が4つ使われているだけの簡単なものです。分からない方は論理回路を勉強されることをお勧めします。SSTCで論理回路を理解していないと、動作しない時にその症状からの対策方法などが分からず諦めることになってしまいます。実際のところ、回路の理解もできずに一発動作してしまうより、沢山躓いた方がより理解が深まると思いますので、もし動作しなくても諦めず頑張ってください。動作しない等の質問も、状況を詳しく説明してくれれば、ブログのコメント欄やTwitterで聞いてくれればできる限りお答えします。

Twitter界隈の人達はゲートドライバICはMCP1407を使うのが一般的になっていますが、今回自分はIR4427を使用しました。これはデュアルローサイドのゲートドライバICで、プッシュプル回路が2つ入ってるICです。MCP1407はプッシュプルが1つしか入っていませんが、最大6A流すことができるという利点があります。それに対しIR4427は1.5Aが最大です。私の環境ではIR4427で十分事足りています。それと、普段RSオンラインよりも秋月電子を利用するので、秋月で購入可能というのも大きいです。

DSCN8078
これがIR4427です。秋月で1個100円。MCP1407は1個97円ですが、2つ必要なので結果的にIR4427の方が安くコンパクトに収まりますね。でも1.5Aが最大定格だとちょっとギリギリ感があるので、状況をみてICの二階建て、三階建てにすればその分流せる電流も大きくなります。自分は1つで動作していました。

さて、あと三日で期末テストです。今からテスト勉強するので今日はこの辺で。

半導体式テスラコイル(SSTC)製作記Ⅱ

こんにちは。39.1℃の熱で消防設備士乙7種を受けた者です。
結果なんか知りませんね。ぼーっとした状態での試験だったので、解ける問題も間違えてる可能性は結構あります。(追記:意外と合格してました)

本題ですが、テスラコイルの放電の写真がこちらです。クリックすると拡大するんで、この神秘的な放電をお楽しみください。
DSCN8070

DSCN8066
この写真の放電長は10cm程です。インタラプタのD比は30%程度にしています。
GNDの線を近づけると15cm位の火花放電を豪快に決めてくれます。
インタラプタの周波数とD比を弄ると放電の様子は色々な形になって面白いです。
1kHzのD比90%位にすると火のような音と共に柔らかい放電が見れます。
ただ、倍電圧整流にするとその放電が出来なくなってしまいました。
インタラプタ信号によって素子が死んでしまうので注意が必要です。
倍電圧整流なしの時は普通に放電できていたので、 倍電圧整流と全波整流をスイッチ一つで切り替えられる回路を導入した方が良さそうです。
因みに倍電圧整流はこの回路を使用しました。
rec1
(http://www.alles.or.jp/~taihoh/science/cockcroft.htm)より引用

C1とC2はどちらとも450V2200uFのコンデンサを使用し、ダイオードは1N4006を10本並列に接続したものを2セット作りました。これだけ並列にしておくと、4Aヒューズが派手に飛んだ時でも余裕で生きてます。
DSCN8061

DSCN8062
大体ヒューズが飛ぶときはFETが過電圧か何かでアーム短絡してしまっているときなんですけどね。
因みにハーフブリッジのメインMOS-FETにはIRFP260を使用しているのですが、現在21個飛ばしてしまってます。試行錯誤してるうちに大量の死者を出してしまいました。でも、最終的には安定した放電までたどり着くことができたのでよしとします。
在庫は4つ・・・新しいテスラも作りたいので、また1レール(25個)買おうと思います。

こう見えてテスト期間中なので今回はこの辺で。

半導体式テスラコイル(SSTC)製作記Ⅰ

こんばんは。Haidoです。
今回は自分のテスラコイルの現状について適当にまとめたいと思います。前回チラッと書いた、回路を公開すると言っていたのは次回詳しく書きます。

過去のブログの方では中々放電しないと言っていましたが、FB(Feed Back)を1次コイルFBからアンテナFBに変えてICも変更したところ、いい感じに動作するようになりました。しかし、制御回路のインタラプタ信号の入力部がうまく動作しないという不都合が起きてます。その端子をGNDにつなげた時に放電が止むのは正常ですが、Hiに繋げても放電しません。放電するのは解放状態の時のみ。一体どういうことなんでしょうね。まだ試行錯誤は続きそうです。

テスラコイルのパワー部にミノムシクリップを使った結果ですが、こんな感じに溶断しました。
IMG_20140127_215619
怖いですね。と言うか定格1A程度のミノムシクリップに平均8A以上流したんだからこうなるのは当然ですが。これは溶断した部分をはんだ付けして弱電の工作にリユースします。

 これを機に配線を丈夫にしました。

1.25mm^2の導線です。高校から頂いてきました。(勿論先生の許可を得て)

 暫くSSTCの放電が2cm程度から伸びず悩んでいましたが、トロイド容量を増やすことによって5cm位に伸びました。

放電と言っても、空気中に火花放電するのではなく、アースをトロイドに近づけるとプラズマの様な光を発します。アーク放電とはまた違った感覚です。放電に夢中で写真撮り忘れてます。1次コイルの巻き数を、タップを取って調整すると、結構放電の様子も変わるものです。そして巻き数を少なくしすぎたら素子が死にました。
この4Aヒューズの飛び方を見ていただければ、どれだけ悲惨な死に方をしたのか察せますね。
IMG_20140130_220339
黒焦げです。このヒューズは福井県のマルツにて10個50円で購入したものなので、飛ばしても痛くも痒くもありません。
FETの外見からは内部が飛んでいることが確認できませんね。GDT(Gate Driver Transformer)の接続をミスるとFETが爆発するように端子やボディーが破裂するそうですが。

それでは今日はこんなもんで。では。

テスラコイルの種類について

このブログでテスラコイルについて書くのは初めてなので、簡単に説明しておきます。
【SGTC(Spark Gap Tesla Coil)とは】
これは二コラ・テスラ氏が発明した初代のテスラコイルで、電子工作を始めたばかりの人でも作れるんじゃないかな?と錯覚させるような簡単な回路図です。実際の製作は危険極まりなく、あまり簡単ではありません。ある程度の知識をつけてから制作に着手してください。

【SSTC(Solid State Tesla Coil)とは】
半導体制御のテスラコイルがこれに当たります。適当な発振回路でFETなどのスイッチング素子をスイッチングし、1次コイルに断続的な直流(矩形波)を入力することによって放電するものや、1次コイルや2次コイルからの発振信号を制御基板にフィードバックさせて、最適な周波数にオートチューニングするものもあります。

【DRSSTC(Dual Resonant Solid State Tesla Coil)とは】
前述したSSTCを1次コイルでLC共振させればDRSSTCになります。訳すと2重共振テスラコイルで、2次コイルと1次コイルの共振と、1次コイルのLC共振の2つが重なって2重共振と言う意味になります。SSTCの動作周波数と1次コイルのインダクタンスから、最適なキャパシタンスが求められます。微調整にはコツが必要で、いくつかつくらないと感覚が掴めないかと思います。

【QCWDRSSTC(Quasi-Continuous Wave Dual Resonant Solid State Tesla Coil)とは】
前述したDRSSTCはインタラプタの信号を受け取り、ON/OFFを断続的に繰り返してLC共振で電圧を一気に高めていました。しかしQCWでは電圧を一気に急上昇させるのではなく、大電力アンプなどを使用して徐々にゆっくりと電圧を高めていきます。それにより2次コイル長の何倍もの大きさの放電を作ることができます。その放電も上記のテスラコイルの放電とは全く異なり、針のような放電が生成されます。このQCWは回路面を工夫するか、お金を掛けてゴリ押ししなくてはいけないので、やっている人は少なく感じます。記事を書いている現在はロシアの記事がよく見当たるので、その辺を探ればヒントが見つかるかもしれません。

【VTTC(Vacuum Tube Tesla Coil)とは】
 
真空管を用いたテスラコイルのことで、FETやIGBTと違って高周波動作が可能です。要するに、とても小さなテスラコイルを駆動することが可能です。私が知っている限り、日本では4人くらいの人しかやっていないように思えます。ある程度真空管に詳しくなれば制作できます。

【OLTC(Off Line Tesla Coil)とは】 
アメリカのCoiler Terry Fritz氏によって発明されたテスラコイルで、Fritz Generatorと呼ばれることもあります。原理としてはSGTCと変わりませんが、SGTCには必項のHV(High Voltage)トランスが不要で、スパークギャップ部をそのまま半導体に置き換えた回路になります。説明が難しいので
ここのサイトでもご覧下さい。
さて、さまざまな種類のテスラについて触れたところで、今回製作するのは上から2番目のSSTCです。実は今までに4種類の制御基板を作ってきました。ハーフブリッジICが使いにくいやらシュミットトリガICの方がいい等色々試行錯誤をしてきました。それら全ていい勉強になりました。一発で成功させるよりも、やっぱり沢山失敗して寄り道して成功させた方が、知識的には多く身につくと思います。勿論時間やお金は掛かりますが。
実際、現在はネットを漁れば簡単にFB機能付きテスラコイルの回路が出てきます。このブログでも私が現在使用している回路を載せようと思っていますが、どれだけ頑張っても動作しない回路に出くわしたとき、それが1番勉強になると思います。動作しないからと言って諦めないで是非放電させてください。それでは。

第二のブログ設立

こんにちは。Haidoです。
田舎のST高校2年(2014,2,1現在)電子電気科です。超電同好会の元管理人でもあります。

今までFC2ブログを使ってきましたが、テンプレートが狭いということと、それを変更しても今までの記事の書き方ではしっくりこないということでlivedoorブログに乗り換えました。
過去記事と一回切り離したいということもありますが。

これからはこちらに書いていきます。よろしくお願いします。 
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