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。

知恵コレクション

プリント基板を自宅で安く簡単に自作しよう(作り方)

夏休みも終盤ですね。今年は色々あって夏休みのような感じが全くありませんでしたけどね。大学に行ったらもう少し楽なんだろうなと考えているHaidoです。

今回は前回のおまけで言っていたプリント基板の自作についてどこのブログよりも詳しく書いていこうと思います。(H27.1.26追記:プリント基板を海外の業者に発注するやり方はこちらの記事にまとめましたので参考にどうぞ)

まずは基板設計です。 それは前回の記事で書いたのでそちらを見てください。
前回の記事にちょっと追記ですが、一枚だけで印刷するのは何か勿体無い感じがあるのでEagleの制限の範囲まで基板を詰め込みましょう。そうすると転写で失敗した時とかに再印刷する手間が省けるので最低でも2枚は欲しいですね。今回始めてだったので同じ基板を大量に準備しておきました。この様に大量に基板を複製するときは、レイヤーを全て表示する設定にして、基板を選択、コピーして複製します。この時、回路図にリンクされてるとエラーが起きるので、回路図はDeleteするか新しいフォルダを作成してボードデータのみを入れ、そこで作業すれば複製できます。詳しいやり方は動画じゃないと説明できません。わからないことがあったらコメントください。
BvaFaSYCMAE5RZH
これは表の面ですね。後ほど反転して印刷しました。

生基板についてですが、私はヤフオクで2kg落としてしまいましたw
BvZE2-UCAAAB6tu
ヤフオクでずーっと狙ってるのが面倒だという人はアマゾンなどでも生基板が購入できます。リンクを張っておきました。私自身もこれだけあると使い切れないので、声をかけてくれれば格安で販売します。(なくなり次第終了)

次にすることは基板データの印刷です。 必ずレーザープリンターを使用してください。インクジェットプリンターで印刷してもなにも起きないので気をつけましょう。
ちなみに私が今回使用した紙(転写紙) はこれです。
BwG_6aRCQAAXI1d
amazonで400円くらいで売っていて送料は無料でした。

これは一見普通のコピー用紙に見えますが、普通紙よりもきめが細かく凹凸がないように感じます。(手触り)
ちょっといい紙使いたいときにでもあるといいと思います。

私はレーザープリンターを持っていないので学校のをお借りしました。電気科パソコン室で印刷してきました。

個人でプリント基板対応のレーザープリンタを買うならこのプリンターが安くていい感じだと思います。


そして印刷してICの脚を合わせてみたら唖然としました。
Bv56LerCYAAIgS3
まさかのサイズがちょっと違う!?wwww

どうやら余白を印刷の設定が勝手に変更しちゃったようです。そこを修正してもう一度印刷したら成功しました。このこと書いてあるサイトは見たことがないので意外とやってみて悩んでる人多いんじゃないかな?
IMG_20140828_135741
こちらはばっちりです。

次は基板のカットですがこれは写真を撮り忘れました。学校の工作機械(名称忘れた)でスパスパ切断していきます。
IMG_20140821_133913 (2)

そしたら基板をクエン酸で洗浄しましょう。水に溶けるだけクエン酸を溶かして飽和レベルまでもっていってください。
これが最初
IMG_20140828_150033

液に入れるととてもピカピカになります。
BwGz0wbCYAACErJ

この液は捨てずにとっておきましょう。また使えます。というか母に取られましたね。10円と5円もピカピカになるということを言ったばっかりに。。。いや、思ってる以上にピカピカになるんですよそれがw
IMG_20140828_154359

続いて転写です。まずはアイロンを一番高温になる設定にしておきましょう。その間に基板の準備です。転写紙と基板を貼り合わせて水で濡らして密着させます。この時に位置をしっかり合わせておきましょう。動かせるのは今だけです。水滴のように乗っている水は拭き取って、紙が湿ってるような状態で転写していきます。まず耐熱の本や板を置き、その上に基板・転写紙、適当なコピー用紙の順番で置いていきます。まずはコピー用紙を当ててアイロンがけしていきます。ちょっとアイロンがけするとコピー用紙が濡れるので、ちょっと場所を変えて水を蒸発させる感じで掛けていきましょう。
コピー用紙を外してみて、基板全体が白く乾燥してるようなら今度はコピー用紙を基板の下に入れてアイロンがけしていきます。1分から2分ほどでしょうか。ずっと当てるのではなく円を描くように転写しましょう。ここで圧を加えたほうがいいという人もいますが、私はそんなに圧を加えずにやりました。(ちょっとは加える)そのほうが転写紙に優しい気がします。そして一度冷まします。手で持てるくらいになったら冷水に着けます。そしてさらに密着させるようにし、もう一度アイロンの工程を1回ループします。そうすることで成功率が上がるのではないかと自分で思っています。(自分で編み出したし比較してない)この転写工程がプリント基板で一番難しい所らしいですが、私は一度も失敗しませんでした。 確実に成功する方法はラミネーターを使うといいらしいですね。5回ほど潜らせばいいそうです。

そしてまた触れる程度に冷めたら水に数分漬けて転写紙をふやかします。
BwG9pusCUAEDhaX
指の腹でゴシゴシ落としていきます。結構力を入れてもトナーは剥がれないので心配せず。IMG_20140828_162949

剥がれるようならアセトン(マニキュアの除光液)やラッカーシンナー、紙やすりなどでトナーは落とせるのでそこまでビビる必要はありません。
BwG_a8GCIAAtlHh
完全に落とせたなと思ったら一度乾燥させてみましょう。

BwHBu26CYAEaH2q
意外と残ってますね。トナーの部分に紙が残ってるのは別にいいのですが、溶かす銅の部分に紙が残ってるとうまく腐食されないので念入りにしましょう。
一度乾燥させてまた水に入れるとさっきは取れなかった部分が取れていきます。
BwHHDofCQAMtpjw
こんな感じになればOKです。

ここまで来たらエッチングです。塩化第二鉄をポリ袋に入れてその中にさっきの基板を放り込みます。そして温度を40℃程度になるようにすると反応が早くなります。大体20分ほどですかね。ゲームをしながら待ちましょう。何度が揉んで腐食液を均等な濃度にすると反応が早くなります。あまりやりすぎるとパターンが切れるらしいので程々に。さっきの指とは違うことを忘れずに。

腐食液(塩化第二鉄液)にはこちらのエッチング液を使用しました。基板のエッチング専用でないものもありますが、濃度が違うとエッチングされないので、専用を買っておけば間違いないかと。
BwIM4cvCIAEkctN
なんか周りのお湯が茶色いですね。ポリ袋に穴があったみたいです。秋月の電子部品が入っていた袋を使ったのが間違いでした。キッチンに行けば分厚いいいのがあったのに。

この液には重曹を投下し放置します。
IMG_20140828_232228

すると腐食液が下に沈んでいくので、綺麗な部分は外に放置して自然に蒸発するのを待ち、塩化第二鉄の部分は新聞紙に吸い取らせて日光に照らして余分な水分を蒸発させてから燃えないゴミに捨てます。
IMG_20140828_230351

塩化第二鉄を水道に流して痛い目を見るのは自分ですよ。

エッチングが終了した基板を蛍光灯に当てて見てみましょう。
IMG_20140829_002811
うーん・・・
文字の削れがある。それに転写紙が残ってたのがエッチングが進まない部分があったようです。というかベタアースの距離が近すぎた。要修正。
他の基板のはベタアース部分がちょっと残念なことになったものの、いい動作はするだろってことなので画像は省略します。

次はトナーを落とす工程に入りましょう。さっき言ったアセトン(マニキュアの除光液)やラッカーシンナー、紙やすりなどで落とします。簡単です。
Bwb4erFCUAA0GFE
250mlと400mlでどっち買うか迷いましたが100円しか変わらなかったので400mlにしました。

最後は穴あけです。小さめの基板用のボール盤があるととても捗ります。お金を掛けたくない人は100均のピンバイスでも購入してください。
BwnJ0FcCMAA7kQ3
こんな感じになります。ドリルは学校にあった一番細い1.0mmを使用しましたが、それでもまだ太かったみたいです。ハンダ付けがめちゃくちゃ難しそうな部分ありますね。twitterでは「ドリルは標準0.4mm」「細いやつで0.2mm」とwataさん。「ドリルはいつも0.8mm使ってる」と雑追K。0.4mmって結構細いですよね。手元にあったエナメル線見てみても加工精度高くないと難しそう・・・ということで0.6mmくらいのを求めて100均に行ってみたのですが1.5mm以下のドリルが売っていなかった。。。ネットで調べると売ってるみたいなのでほかの店も回ってみようと思います。ピンバイス形式になってたら持ち手部分切断してボール盤にくっつければいいだけだしw

穴あけが終わったらフラックスを前面に塗って酸化予防します。レジストでもいいですが、部品の部分をマスキングしたりするのが面倒なのでフラックスを使います。フラックスを塗った基板も長時間放置すると腐食していきますが、何もしないよりかはマシです。

さて、いよいよ実装です。

プリント基板の配線過程なんて見ても面白くないと思うので全部飛ばして完成。
IMG_20140907_012210
周りの余分なところはネジを開ける部分で残してあるだけで、部品のところだけで考えるとなんと30*30のSSTC制御基板です。この密集度は最高です。今使ってるSSTC制御基板はというと・・・
BwTyLWyCAAEmrVy
フィードバック用のCTに落雷して死にました。テスラの高電圧使って色々実験してたらね。直すより新しく作ったほうが早いというのもプリント基板のいいところ(?)


こんな感じでプリント基板が完成しました。初めてだったので丸一日分くらいの時間持ってかれてると思います。このプリント基板製作に投資した金額は全部で三千円も掛かってません。これで基板2kg分作れると思ったらユニバーサル基板の出番はなくなりそうですね。とても簡単な回路なら手で組んでもちょっと複雑だとEagle走らせたほうが断然早い。2回目は今回の1/5くらいの時間でできそうなきがする。いろいろ手探りな点が多かった。

という私の覚書メモでしたっと。長文読んでくれた方ありがとね。コメントくれると今後の更新にも力はいるからよろしく。 プリント基板の委託・販売も考えてるからそちらもよろしく。現在は受け付けておりません。

追記
Bw25EhQCcAEw6cd
右が人生初で左が5枚目のプリント基板。かなりコツ掴みましたね。最初はエッチングの時間とか分からずに適当にやってましたが5枚目にもなると「この辺かな?」という勘が鍛えられます。みなさんも頑張ってね。

個人レベルの自作プリント基板の製作

やっと期末テストが終わり落ち着いているHaidoです。手ごたえは中々いい感じでテストの返却が楽しみです。
久々の更新と言うことで色々書いたら文字だらけの記事になってしまったので要らない部分は飛ばしてもらって結構です。

さて、更新空いてしまいました。と言うのも、まだネットには書けない研究をしてるからでして、 決してテスラに飽きてしまったとかではないんです。ネットに書けないというのは某研究発表のテーマとして「テスラコイルを利用した○○」について研究します。詳しいことが何一つ言えませんがご了承ください。今後はこっちをメインでやっていくので、更新が減ると思いますが書けることは書くので引き続きよろしくお願いします。

さて本題です。 
今回から自作のプリント基板の製作環境が整いつつあります。と言っても私がするのは基板CADで部品を配置して 配線する作業だけなのですが。そのデータを数ヶ月前オフ会した雑学追究室のK氏に送り、レーザープリンターで印刷し、その印刷した紙を生基板に押し当てアイロンがけをして生基板にパターンを移したら腐食液に投下し余分な銅箔を取り除きます。その工程は家に作業環境がないことを言い訳にK氏にお願いすることにしました。

肝心のお値段ですが、100×150で800円とのこと。精度は最小0.05mmまでと個人レベルではいい感じ。プロの業者に発注すると本当に高いです。仮にP板.comという業者にK氏と同じサイズで見積もりしてもらいました。その結果・・・・

なんと28倍の値段!!

基板でこれはおかしくないか・・・・
これは1枚の値段だからこんな感じになってますが、10枚頼んだら10倍になるとかではなく、複数枚購入でどんどん数量割引されていきます。それもそうですね。素人の希望で一々試作基板をプロが作っているのでは手間がかかり過ぎる。だから1枚とかでは発注し辛くなる値段に設定しているのかもしれません。
まぁ表面の印刷とかレジスタもされてるし加工精度もいいから全部が全部K氏よりいいとは言えないんだけども。

それにしても高い。個人では到底プロに外注できそうにないことが分かった。
 
でもいつかプロに外注出来たらなと調べていくと、中国の基板メーカーPCBCARTという業者が激安とのこと。まぁ元が2万とかなんで期待はしてませんが。 (H27.1.25追記:Elecrowがどうやら最安のようです。)

他人のブログを見漁ると大体の相場が見えてきます。特にこちらの方のブログが分かりやすいです。実際に見積もってみて数量との関係なども調べています。

それでもまだ高いので色々調べてみると、wataさんが基板を外注していたときに使用していた業者の方が安いことが判明。FusionPCBというところです。wataさんのSSTC基板が一枚350円でできたとのこと。(10枚購入時の値段)
私も孰れ基板をプロに外注できるような基板設計できるようになりたいですね。 

話が逸れましたが今回はK氏に外注です。個人で使う分だけ欲しいので助かります。今回使用した基板CADはEagleというソフトです。PCBE派やKiCad派の人など様々ですが、Eagleの方がデザイン性と直感的操作性が優れているようなのでそちらを使います。

Eagleの特筆すべき点は自動配線機能がついていることです(KiCadにも付いています)。回路図を書いてボードに好きなように部品を配置して自動配線をクリックするだけで配線が完成します。設定が色々あるのでそれらを弄ると思い道理の配線に近くすることができます。手動の配線でも、アシスト機能がついているのでICの端子をクリックしたらどこの端子に接続すればいいかが一目でわかります。万が一変なところを繋げようとした場合には配線できなくなっています。好きなようにかっこよく配線を書いていくだけなので楽ですね。

最初は部品選びで萎えると思います。慣れてくるとどこにどの部品があるかとかが分かってくるのでスムーズに基板設計できるんですけどね。ある程度自分が使う部品分かってきたら必要な分だけ部品を表示させる設定に変更すればいいかもしれませんね。私はまだ全部品表示にしているので少し時間が掛かってます。

そして完成したのがこちら。
画像をクリックすると拡大します。

1、バーストモード付きインタラプタ
bandicam 2014-07-13 13-22-18-725

スティーブ氏のNE555を3つ使うかなり有名な回路です。ポン酢氏が基板の小型化のために頑張ってくれました。ICは表面実装部品を使うので更に小型化されています。


2、D-FF付きSSTC制御基板 ※未完成

公開中止

こちらもスティーブ氏の回路ですが過電流保護の部品は要らないので省いてあります。トリオテスラにはこの基板を使うことにします。このレベルのものを流石に3枚も同じ基板を手配線するのは骨が折れますからね。


3、GDT,フルブリッジ回路

公開中止

これを上の制御基板に繋げて信号を受け取り、FET4つを制御してテスラの1次コイルに電流を流してやります。


4、One Board SSTC

公開中止

一枚の基板でできるSSTCです。スイッチング素子1つでとても簡略化されています。この基板一枚に演算回路とFB回路とインタラプタ(D比50%固定だが周波数は可変可能)と共振コンデンサに電源回路、スイッチング素子にスナバまで超簡易だけど詰め込んであります。1つ心残りなのがACラインフィルタがないことですね。それは外付けと言うことになりそうです。ラインフィルタ基板も一緒にしてしまおうかと現在検討中ですが。もしかしたらラインフィルタは別基板になるかもしれません。それだとこのネーミングが通用しなくなってしまいますが、その方が使い勝手がいいのです。悩みどころですね。テスラコイル欲しいという人にミニテスラ上げます。(注意:現実で会える方限定にさせていただきます)

Br3LdbTCQAEjGhs

この回路は完全に思い付きで作った回路なのでいきなりプリント基板化も気が引けるので、適当にユニバーサル基板で試作品作ってみました。K氏はいきなりプリント基板化しながら修正していくそうです。羨ましいですね。


5、昇圧チョッパ

公開中止

こちらはponz氏の希望で製作したものです。低エネレールガン勢には昇圧チョッパで十分なようです。私もこの回路でコイルガンやレールガン作ろうと思います。


6、充電停止回路

公開中止

これはさっきの昇圧チョッパに挿して使用します。この回路を昇圧チョッパに挿せば可変抵抗で好きな電圧で勝手に充電を停止してくれます。これで高圧安定化電源作れそうですね。充電停止要らない時は抜いとけばいいという素晴らしい設計。

以上、これのEagleデータをK氏に送り基板を焼いていただこうと思います。完成が楽しみですね。(追記:K氏にお願いをしてから1ヶ月以上経つのに進捗0なので諦めて自作することにします。)

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。
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