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2012年05月の記事

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2012年5月31日(木) 21:07

出力側にも増設

 積層セラミックコンデンサーの10並列ユニットを増産。
 出力側は電流が小さくなるので、配線も細めにしてある。性能的には太ければ太いほど良いが、実装困難になるし重量も増える。オーバースペックばかりでもシステムの総合的なスペックは悪化する。

 だんだん空間の余裕も減って来て、実装が悩ましくなる。

 ケースバイケースで、押し込む空間を選定。

 最下段は、コンバーター上に押し込み可能。

 接触不良の危険も各所で生じており、ハンダ付けし直した箇所もある。大電流システムのパーツ実装は、少ない点数でも時間を非常に食う。

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2012年5月30日(水) 21:25

ダミー調整パラメータ再計算

 AC/DC コンバーターの半固定抵抗を回すと、出力電圧が調整できた。これで、33V出力を定格の35Vまで上げてみた。
 不安定化の限界ワット数が、電圧上昇に比例して上がったようだ。たった6%とはいえ、限界付近だから馬鹿にならない。

 そこで改めて本来の試験を進める準備として、ダミー負荷の調整値を計算し直した。面倒だしこの表は2回目でもあるので、有効数字を無視してナマ値を放り込んだ。


合成抵抗Ω 対応電圧V
初期 100000 0
P-FET ON 1923.07692307692 84.5762986803991
FET#01 ON 653.59477124183 91.0806175698626
FET#02 ON 393.700787401575 94.2239022878046
FET#03 ON 281.69014084507 97.1255027841467
FET#04 ON 219.298245614035 98.9977888116518
FET#05 ON 179.533213644524 100.383542412369
FET#06 ON 151.975683890578 101.86252094843
FET#07 ON 131.752305665349 102.9538065192
FET#08 ON 116.279069767442 104.324078485302
FET#09 ON 104.058272632674 105.567526340898
FET#10 ON 94.1619585687382 106.062919884698
FET#11 ON 85.9845227858985 107.339638091489
FET#12 ON 79.1139240506329 108.490380771793
FET#13 ON 73.2600732600732 109.191306100604
FET#14 ON 68.212824010914 109.726671378141
FET#15 ON 63.8162093171665 110.382770514553
FET#16 ON 59.9520383693045 111.545817793925
FET#17 ON 56.5291124929338 112.204354125614
FET#18 ON 53.475935828877 112.774740425189
FET#19 ON 50.7356671740233 113.347889240185
FET#20 ON 48.2625482625483 114.369982494087
FET#21 ON 45.5590990410365 115.386373065478
FET#22 ON 43.5549323305076 115.979593799865
FET#23 ON 41.7196642075808 116.577720286733
FET#24 ON 40.0328073738478 117.181237695408
FET#25 ON 38.1547968024419 117.97967358095
FET#26 ON 36.7390096596713 118.656465912167
FET#27 ON 35.4245327849731 119.28204325023
FET#28 ON 34.2008675342009 119.914041592995
FET#29 ON 33.058917441401 120.36
FET#30 ON 31.7676775503246 120.546436203633
FET#31 ON 30.780087535566 121.196314458719
FET#32 ON 29.8520503261883 121.85337610618
FET#33 ON 28.9783369261759 122.541090596851
FET#34 ON 28.1543131034293 123.30757658949
FET#35 ON 27.375857164796 123.987637874692
FET#36 ON 26.4844194098496 124.44
FET#37 ON 25.6492064385764 124.790056598711
FET#38 ON 24.865061556189 125.680752565467
FET#39 ON 24.1274399609253 126.569145012929
FET#40 ON 23.4323205998674 127.4510612241
FET#41 ON 22.7761328348508 127.84
FET#42 ON 22.1556950944049 128.509381492578
FET#43 ON 21.6707629694231 129.25867457518
FET#44 ON 21.108342428798 130.184142008786
FET#45 ON 20.5743763705797 130.56
FET#46 ON 20.0667586800967 131.187157610485
FET#47 ON 19.6681361802561 131.983891491335
FET#48 ON 19.2037470725995 133.070135248703
FET#49 ON 18.7607817297441 133.28
FET#50 ON 18.4119057669682 133.966545232019

 820Ωの位置がバラバラだが、きっちりと実際の位置に合わせて計算している。1KΩが25個ではなく実際は35個というのを反映し、合成抵抗は若干大きくなっている。だが、それほど大きな差ではない。
 41番目がONになると、電流5.61Aとなり718ワット。コンバーター効率85%で入力844ワット。
 42番目がONになると、電流5.80Aとなり745ワット。同じく効率85%として入力877ワット。
 AC/DCコjンバーターは定格35V25Aで875ワットだから、このあたりで限界に達するはず。旧レーザー銃は39番目を少し超えたぐらい相当でフルパワーになっていた。だから、現在の外部電源で確認可能なギリギリまで安定していればOKと考えられる。

 しかし、限界付近では130V近い電圧を出力するのに1Vか2Vの違いが大違いである。励起LDが本当にしっかり仕事してくれないと、安定したレーザー発振は望めない。実は不安定で、本番動かしたとたん壊れましたということにならないよう、ダミーの役割は重要だ。
 外部電源の容量さえ充分なら、PAH350S24-48 自体は50番目までドライブできる能力がある。リチウムポリマー充電池を接続すればその試験も可能なはずだが、過放電で壊してしまい手持ちが足りない。当面は紐付きでシノぎ、後日に過放電対策に自信が持ててから買うつもりだった。だが、早期に買うべきかもしれない。

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2012年5月29日(火) 21:10

ダミー負荷は必須

 PAH350S24-48 の入力側には電解コンデンサー220μFが2並列で入っている。今回そこに積層セラミックコンデンサー220μFを1セット追加した。
 ボリュームを回して出力電圧を上げると、相変わらずの不安定化が始まった。だが、明らかに入力側のノイズは小さくなっている。
 この段階では、副PICによる出力電圧表示は初期の91Vよりも下がっている。だが、電流表示は少し上がっている。謎だ。

 ノイズ振幅が最大となる電圧でも、やはり入力側ノイズは振幅が小さい。完全には効果がないものの、明確な効果がある。
 これを見ると、どうやら出力側もセラミック化した方が良さそうだ。

 だが、入力側のノイズを減らしてもそれだけでは出力側のノイズが減らないことも判明。負荷と出力電圧の組み合わせによって、PAH350S24-48
には苦手な領域があるようだ。ここから更に出力電圧を上げると、負荷は増えるにも関わらずノイズは綺麗に消滅する。
 重要なのは、最大負荷の近辺でノイズが出るかどうか、である。

 旧レーザー銃で、出力調整しながら光出力200ワット近辺になると不安定化した。
 このコンバーターは低負荷に不安定領域を持つようだが、レーザー銃の定格近辺にも不安定領域を持っている可能性がある。前者は無視しても、定格に余裕があるから何かが壊れたりしない。だが、後者は致命的。
 最上段の固定電圧出力コンバーターを29Vから36Vへと引き上げたので、不安定領域を定格外に放り出せたかもしれない。代償としてレーザー銃が超低出力を出せなくなるが、それより最大出力で安定する方が重要だ。安定するかどうかは実際に試す必要ありだが、現状では外部電源の容量不足で最大出力を出せない。積層セラミックコンデンサーを追加しても、そっちの限界は変わらない。

 いずれにしろ信頼性を確保するには、いろいろな条件下で実際に試験せねばならない。現実の製作物は、机上では予想できなかった挙動をすることがある。ダミー負荷はその試験に極めて役立っている。半端領域での不安定化など、旧レーザー銃での謎だった現象も再現した。
 PICの制御プログラムをデバッグするという当初の目的以前の段階で、既に大活躍だ。作って良かったし、今後も必ずダミーレーザーダイオードは製作すべきであるということも分かった。

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2012年5月28日(月) 21:16

電解コンデンサーの代替

 ヤフオクにオイルコンデンサーを2つ出品した。パルス放電用というキーワードで検索すると出てくる。人力で持ち運び可能なその筋の機器に適した大きさである。そういう用途で入手したものだから。しかし数年以内に使う機会がなさそうなので、手放すことに。

 さて、大容量積層セラミックコンデンサーに関しては、秋月電子の独壇場である。他で買うのは、秋月で扱っていない場合に限定される。余りに他店と差があり過ぎて、お話にならない。

 個人で買える製品では現在最大容量と思われるのが、50Vで22μFという「どこの電解コンデンサーですか?」状態のチップ型。これが、秋月では5個200円で買える。もっと安い店あったら教えてください。
 ただ、そこまで安売りしてlくれるのに、秋月ではレール売りしていない。データシート同封の袋詰めは、大変な資源の無駄である。売る側も買う側も、何らメリットがない。とっとと50個100個で買えるようにしてくれ〜

 22μFでも、定格リプル電流は3Aある。

 10並列にしたユニットを3組、製作。太い配線を確実にハンダ付けしてやる。
 これで1組が、50V220μF。定格リプル電流は30Aとなる。PAH350S24-48
のヒューズは40Aだが、通常の使用状態では30A以下。入力側平滑化に役立つ性能だろう。

 大きさからすると50V220μFの電解コンデンサーより一回り大きなだけだが、重量は相当に上回ってしまう。それでも、一昔前ならこのスペックは電解以外に選択の余地はなかった。

 コンバーターの入力側に実装。
 見た目にも、大電流対応は電解コンデンサーと桁違い。

 たとえ大した効果がないように感じられた場合でも、マージンは確実に増大しているはずだ。

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2012年5月27日(日) 19:19

一足先に電力不足?

 気になっていることがある。それは、PAH350S24-48 の外付けコンデンサーのインピーダンス。数字の上ではデータシートの記載を満たしているが、コンデンサーの足は余り太くない。数十アンペアの入力に対し、充分な電流を出入りさせられるとは思えない。かと言って、足の太いコンデンサーは売っていない。みんな似たようなものだ。
 試しに電解220μFを1個追加してみたが、挙動に変化なし。相変わらず128Vで不安定化する。

 幸か不幸か、最下段コンバーターが動作異常を起こす。最下段は出力もGND共有なので、オシロで測定し易い。
 入力側にCH1(黄)、出力側にCH2(青)を接続し、調べてみた。
 まずは初期状態。入力33Vの出力28Vで、安定している。

 ボリュームを回して出力電圧が30Vを超えると、急にノイズが増大する。入力側も出力側もだ。こんな波形では、電流計の表示が安定しないのも当たり前。

 更に出力電圧を上げると、ノイズのパターンが変化。それでも相変わらずノイズが大きい。
 コンデンサーは周波数によってインピーダンスが変化する。DC-DC コンバーターの負荷と出力電圧により、特定の条件下でコンデンサーの等価直流抵抗が大きくなってノイズが増えるという可能性は考えられる。
 旧レーザー銃でも、それほど負荷が大きくない領域で、ボリュームを回すと出力が減少するという謎の挙動があった。あれは制御ソフトのバグではなく、これと同じ現象が起きていたのではないか?
 外付けしているコンデンサーは、同じスペックである。

 ある程度まで出力電圧が上がると、なぜか急にノイズが消える。安定動作する。

 3直列合計128Vを超えると、一気に不安定化する。このパターンは明らかに、入力側電源の容量不足だ。
 128V時点でダミー負荷はほぼ5Aを食っている。つまり、640ワット。コンバーターの変換効率を85%と仮定すると、入力側753ワットである。入力電圧は33Vだから、23A強となる。わざわざ計算しなくても、これぐらいなら直接電流計を接続すれば計測可能。しかし、太い電源ラインを切断して電流計を挿入するのは大変な手間であり簡単に決行できない。
 だが、AD/DCコンバーターの定格25Aまで余裕が小さく、単純に過負荷となっている可能性は否定できない。

 元々のメーカー製筐体に使用されていた AC/DC コンバーターなのに、過負荷になるのは一見不思議である。だが、DC/DC
コンバーターが余分に挿入されているのでシステムの総合効率は落ちる。オリジナルでもシリーズレギュレーターが挿入されていて、一般にはスイッチングレギュレーターより非効率だと思われている。しかし、入出力電圧の差が小さければシリーズレギュレーターの方が有利になる。
 オリジナルは励起LDを4並列駆動していたから、128Vは32V×4である。AC/DC
コンバーターは33Vだから、効率は97%に迫る。
 本来が35V出力なのだが、効率を上げるためにIPG社が33Vに下げて実装していたと思われる。

 逆に言えば、その励起LDを流用したのだから自作電源は132Vまで出せれば充分なのだ。

 これから検証が必要だが、予想としては2つの原因が絡んでいる。
 1つは入力側の外付けコンデンサーの能力不足。これにより、半端な電圧でノイズが増大。もう1つは、電源の能力不足。これにより、128Vというか640ワットを超えると不安定化する。中段コンバーターだけ正常なのは、不足した電力の奪い合いに個体差で競り勝つのではなかろうか?

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