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2013年02月の記事

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2013年2月28日(木) 20:58

コンパレーター電源周り

 まずは1次コイル周辺のコンパレーター電源部の基板を作成する。
 パーツが入り組んで来たので、電源部だけの回路図を作成し検討。

 保護用の12Vツェナは、今回の試作基板では実装を省略。ショットキーバリアダイオードも、通常の高速ダイオードで代用。
 1次コイル両端の電位をLM339の入力側に接続する際に、3.3KΩを直列するかどうかも保留。抜きで動作したら、入れてみようか。入れる場合も回路図とは異なり、18Ωの内側がいいかもしれない。

 1次コイル両端をLM339に入力するが、その電位はLM339の電源電圧範囲に収まらねばならない。これがキモである。
 電源の10μFには、1次コイル両端と DC-DC コンバーターの3系統のうち、もっとも電位の絶対値が大きなものが充填される。絶対値が12Vを超えると、ツェナが発動。そうなるとやはり、3.3Kの接続位置は18Ωの左側の方が無難だな。ただ、抵抗を直列すると遅延が生じ、それがどの程度影響するかが分からない。
 部分的には3.3Kなど入れなくてもいいのだが、後のことも考えてるので・・・

 1次コイル両端に電位差が生じない初期段階の電源を確保するために、DC-DC
コンバーターは存在する。これにより片側6Vは最低限確保される。

 小さなパーツでも、数が増えるとそれなりに実装面積を取る。
 市販の DC-DC コンバーター基板には極小のチップ部品が大量に並んでいるが、いざ自作するとなぜそうなっているのかが良く分かる。今回のZVS改は、昇圧電源として最もシンプルな部類に属する。それでも、これほどのパーツが必要となる。
 手抜きすると状況次第ではパーツの定格を超えてしまい、壊れてしまう。

 思い切り膨れて壊れたFET。

 開発中はパワー素子が壊れるのも仕方ない。少し安くて性能の落ちるK2936を代わりに取り付ける。

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2013年2月27日(水) 21:12

やはり問題はスタート時

 発振スタートのキッカケをどうやって作れば良いか?あれこれ試しているうちに、FETの片方を燃やしてしまった。切り取ってテスターで確認すると、ソースとドレインが短絡してしまっている。
 どうやっても、うまくスタートしない。

 そこで、改めて基本のZVS標準回路図に立ち返って考えてみる。

 これが、電源投入直後の状態。

 赤い線で示した部分は、バッテリー電圧と等しい。K3140のゲートはバッテリーにプルアップされているし、D3やD4もそれと同じ電位。よって両方ともONになる。
 発振中はQ1とQ2の片方だけがONになるのだが。
 これが決定的で、自分の試作回路ではコンパレーター2つを互いに逆に使っているため、Q1とQ2は常に片方しかONにならない。両方をONにしないとスタートできない。

 あと、バッテリーが12Vであれば大抵のFETのゲートをONまでドライブできるが、ラジコンバッテリーの7.2Vではゲート電位が不足気味となる。最悪6V近くまで電圧降下することも考慮せねばならない。
 よって、ZVS標準回路を流用すると、FETはK3140など低ゲート電圧対応機種が必要となる。

 発振が開始されると、センタータップを中心にして両側の電位が逆方向に変化する。センタータップよりも電位が下がるとD3やD4が導通し、FETゲートの電荷を引き抜きに掛かる。ある程度以上に変化幅が大きくなると、いよいよFETがOFFになるようになる。

 以上のスタートシーケンスを再現できるような回路にせねばならない。

 コンパレーターの基準電位をセンタータップからズラすのが、最も単純という気がする。

written by higashino [コイルガン戦車S] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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2013年2月26日(火) 21:17

解決にあらず

 LM339の吸い込み電流を利用してTLP250を駆動するように変えたところ、明確に性能が向上。2つのK3140のゲートは、かなり理想に近くドライブされている。これは捨て難い。だが、回路設計的には厄介だ。

 これが吸い込み方式での回路図。ただし、実験に使った回路とは一部異なる。
 LM339の出力プルアップのR5とR6は、回路図では DC-DC コンバーターに接続してある。しかし実験回路は電源コンデンサー10μFのプラス側。まあダイオード1本隔ててるだけだが。
 あと、R1とR2の位置が異なる。実験回路はR2になっている。しかしこれだと、TLP250入力側LEDへの過電流保護にならない。実験回路の配線ミスというか設計ミスだったというか・・・過電流保護するなら、電流制限抵抗はR1の位置に入れねばならない。

 では抵抗の位置を修正すれば良いか?というと、それほど単純ではない。LM339の出力がプラス電位に振れた時が問題なのだ。その場合、ツェナダイオードが通常のダイオードとして働き、電流を逃がしてTLP250入力側LEDに逆電位が加わるのを防止する。ここで抵抗がR2にあると、ツェナダイオードの電流を制限してくれる。しかしR1では、LM339出力とセンタータップが短絡状態だ。ツェナダイオードにもパルス大電流が流れる。しかもそれは、半周期ごとに常時発生する。これは、パーツの寿命に悪影響があるだろう。
 TLP250入力側LEDに過電流が流れるリスクの方が遥かに小さいので、抵抗はR2のままにしておくのが正解と思われる。

 若干のリスクは残るが、ひとまずこれで1次コイル電位を利用したFETドライブ回路は動作確認できた。だが、こうして綺麗なFETドライブ波形を眺めると、一気に現実に引き戻された。
 そう、この回路はスタートしないのだ。
 既に発振中のZVSドライバーであれば、動作する。だが、停止状態のZVSドライバーをこの回路にしても、発振が開始せず動作しない。

 どこに手を加えれば発振開始してくれるのか。ずっと棚上げしていたそれが大問題だ。言うまでもなく、消費電流を無駄に増やすような解では意味がない。

written by higashino [コイルガン戦車S] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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2013年2月25日(月) 21:21

プルアップ抵抗

 特にトラブルを起こしそうな場所もない単純な回路だからと、まるごと接続。

 DC-DCコンバーターの電源線が2本新たに必要となり、更に「センタータップ」「1次コイル片側」「電源+」「電源−」と4本も配線追加。合計6本。際限なく配線が増える電子化の罠に、いつもの頭痛が出そうだ。B787の配線が合計ン百キロメートルと聞いても、別に驚かない。
 ただ、それだけの銅線がどれぐらいの重さになるかを想像すると、本当に軽量化に役立つのだろうか?とそっちが疑問になる。

 それはともかく自分としては、TLP250が何事も無くK3140のゲートをドライブすると予想していた。当たり前の結果を、念のため確認するだけの試験のつもりだったのだ。ところが、ゲート電位は2つともGNDに張り付いたまま、何も起らない。
 LM339への差動入力は正常に行なわれているのに、どこがおかしい?

 青は1次コイルの電位変化で、これがLM339に差動入力されている。これは想定通り。だが、LM339の出力である黄色は、マイナス電位に沈んだままだ。コンパレーターのくせに、どうなってんだ?
 結論として、LM339の出力にはプルアップが必須というオチだった。プルアップ無しだと、プラス側には振れないのだ。これは一見するとパーツを余分に必要として欝っとうしいが、実は渡りに船。電源電圧が上がると、LM339の出力も大きく振れる。触れ過ぎてTLP250の入力LEDに過電流が流れるのを、いかにして防ぐかが悩みところだったのだ。
 しかしLM339の出力プルアップをDC-DCコンバーターの+出力に接続してしまえば解決。センタータップから高々6Vしか上ではないので、それより出力電位が上がらない。

 これはLM339の出力プルアップを、LM339の電源ピンに接続した状態での測定結果。2つのLM339出力が交互に綺麗にプラスマイナスに振れている。だが、波形はナマっている。これマイナス側をTLP250のドライブに使った方が性能出そうだ。

 そして最終的なK3140のゲート電位変化。TLP250の能力により、7.2Vラジコンバッテリーと無関係に15V近くまで振れている。しかし、波形は甘い。
 LM339のマイナス側でTLP250をドライブすれば、もっと良好な波形が期待できる。だが、ここが悩ましい。というのも、LM339のマイナス側を使ったのではプルアップ抵抗の電位によりクリップは効かない。プラス側はクリップされるとしても、マイナス側は電源マイナス近辺まで振れる可能性がある。

 配線を変更しつつオシロで各所波形を確認してから、決断しよう。

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2013年2月24日(日) 17:32

追加回路

 出力12Vの絶縁型DC-DCコンバーターを、コンパレーター電源のコンデンサーに接続。回路図では、赤い□の部分に相当する。
 重要なのは、コンバーターが2出力タイプではないという点。

 自分が試作したVZSではコンデンサーが5V程度でチャージされているし、TLP250の入力側LEDを点灯させるのには過剰に高電圧は必要ない。プラスマイナス12V出力のDC-DCコンバーターで充電すると、無駄に高電圧の電源になってしまう。
 だからプラスマイナス5VのDC-DCコンバーターを使いたいのだが、2出力タイプは12Vや15Vは豊富だが5Vは極端に少ない。代わりに単出力12Vが使えれば、非常に助かる。直列接続されたコンデンサーが、うまく電位を分割してくれるはずだ。

 実際に動作させたところ、皮算用通りに6Vずつに分割された。これで、入手性の悪いプラスマイナス5V出力のコンバーターではなく、容易に入手できる12V単一出力のコンバーターが使用可能となる。

 という訳で、回路の残り部分を組み立てる。

 TLP250とLM339は本番でも使いたいが、FETはK3140のままである。それも、外して流用できるよう足は長く出している。このまま回路に組み込むのではなく、まずはFETゲートのドライブが想定通りに行われることを確認したい。
 K3140は、ゲート容量を生かしてより現実に近い試験を行うために取り付けた。そのままZVSに使うつもりではない。

 回路が簡単でも、やたら配線は多く必要になるのが面倒なところ。電子化が単純化に本当につながっているのかどうか、いつも疑問を感じてしまう部分ではある。

 TLP250の電源はこれまでずっと12Vを使っていたが、データシートによると15Vの方がベターぽい。そこで、今回の電子工作からは15Vを採用している。

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