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2006年08月の記事

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2006年8月26日(土) 19:53

トランス

 株式会社晴恒

 秋葉原ですら数少ない、トランスを扱っている店だ。個人販売もやってくれる。
 だが、トランスを売っているのではない。コア材などを扱っている。配線は自分で手巻きせねばならない。

 50/60Hz用の家庭用電源トランスはどこでも売っている。。しかしインバーター用トランスはどこにも売っていない。晴恒で聞いたところ、インバーター用は客によって求めるスペックがまちまちなので、100%カスタムメイドとなり完成品は置いていない。他を探しても99%無いだろうと言われた。
 普通ならそんなはずあるか、探してやる!となるが自分は納得してしまった。

 レーザー関係のパーツを始め大抵のものは売り手を見つける自信がある自分だが、トランスだけはどうしても買えていないのだ。

 ここまで売り手がいないのはどういう訳だ?と思っていたが案の定インバーター系トランスは完成品が流通していないのだった・・・企業が製品作るならともかく、個人が趣味で作る電源であれば例えばスイッチング周波数30KHzにしか適合しない、なんて言われたらそれに合わせて30KHzで使えば良いだけの話。良く利用されるいくつかのパターンで完成品があると非常に助かるのだが・・・トランス手巻きはとても大変な作業である。
 普通のトランスならまだしも、フライバックトランスは性能を発揮させるための条件が極めてシビアであり、手巻きは絶望的だ。どうやらLT3750が日の目を見ることは無さそう(泣)

 チョッパー型昇圧回路は、スイッチング素子に高電圧が掛かるという致命的欠点がある。このため、電源の性能を上げられない。高耐圧のFETはON抵抗が大きい。12Vとか低い電源からコイルをチャージする時でもこの高いON抵抗を通すことになる。
 低耐圧の高性能FETが使えるトランス使用回路は、トランスの入手が大問題。かくして、市販インバーター改造という話になるのであった。
 一応フライバックではない手巻きトランスは考慮に入れているものの、そのコストや結局は市販インバーターと同じような回路作るんだろ?という疲労感から、なかなかオリジナルトランス製作に踏み切れない。製作する場合でも、秋月インバーター互換で作ってただし出力電圧は高いよ・・・という感じになろう。

written by higashino [パルス] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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2006年8月26日(土) 08:44

出直し

 既存品改造なのに電源開発は手間取っている。しかし以前も書いたように電源こそが自作のキモである。フラッシュ励起パルスYAGを発振させること自体は難しくないはず。自分が中断しているレーザー砲とは異なり、既に複数の成功サイトが公開されている
(個人でLD励起の連続出力YAGの発振を外部ミラー型で成功させたサイトが既に公開されていればURL教えて下さい、マジで参考にしたいです)。いや、熱線銃で既に成功しているが、光出力25ワットもブチ込んでYAG基本波出力75ミリワットしか出なかったんだよ・・・改善方法が発見出来ず自分では失敗と見なしている。

 だから、パルスYAGではとにかく携帯電源を開発出来るかどうかが山場なのだ。熱線銃にしても製作に取り掛かったのは携帯電源を製作する目処が付いた後だった。
 レーザーは発熱でサイズが制約される。充分な放熱を行えるサイズ・重量より無理に小さくすれば信頼性・寿命が犠牲となる。携帯にこだわればサイズ・重量は制約される。その制約下でベストな設計を狙うのが醍醐味である。事情は電源側も同じ。電源にも変換効率という概念があり、無駄になったエネルギーは熱に変わる。やはり充分な放熱を行える適切なサイズ・重量があり、無理に小さく出来ない。

 スイッチング電源の場合は更に特殊事情がある。技術が同じなら周波数を上げるほど小さく出来るが、一方で変換効率は低下する。スイッチングロスがあるため、単位時間のスイッチ回数が増えればロスが増えるのだ。
 電源の信頼性を確保し充分な熱対策を行った上での最高性能を狙えば、サイズ・重量・性能の落とし所はどこになるか?
 それを100ワット級と判断し、出力100ワット以上を目標に秋月インバーターをベースにすると決めた。何でもいいから製作出来れば良いのではなく、制約下でベストを追求する努力こそが、やってて楽しい。

 このところ電源いじりばかりで少し疲れたので、ちょっと記念撮影。実験用の超大型オイルコンデンサーだ。
 隣の544ジュール電解が小さく見える。もっとも、デカブツ嫌いな自分の言う超大型だから実際は高さ30センチほどだ。重さもガラス机に置ける程度・・・だが5キロもある。携帯レーザー機器に使えないこともないが余り快適なものにならないだろうから、室内実験用メインだ。
 ゼネラル・アトミックスというその筋では有名なメーカーの新品で、容量は約800ジュールもある。巨大電解以上ながら単位重量あたりではさすがに及ばない。これ以上の怪物も調達してあるので、いずれ紹介出来るだろう。
 ちなみに価格だが、544ジュール電解とほぼ同じだった。オイルコンデンサーは意外に安い。

 フラッシュランプは一般に、発光時間が長いほど入力ジュールを大きく出来る。ワットよりジュール優先したい場合は、大容量電解コンデンサーでだらだら電流を送るのが有効である。これに対し、増幅器として使う場合はジュール数を確保した上で瞬発力が欲しくなる。そんな場合はオイルコンデンサーが最強。
 しかし、重量あたりジュールは電解より小さいため、使い所を間違えると効果が出ない。単なるバラストになってしまう。

 ともあれ、壊れたFETを交換する。テスターで調べると、2つのうち1つだけ案の定ソース・ドレイン間の抵抗値がゼロになっている。
 電流検出抵抗も10Ωセメントを直列する。スイッチ入れると2.2Vほど電位差がある。つまり0.22Aほど流れている。だが、何だかおかしい。
 出力負荷を使い捨てカメラのメインコンデンサーだけにしてみる。何度も散々実験したように、これだとパーツに負荷が掛かる前に充電が完了する。ATX電源でもシャットダウンせず充電が完了する。入力電流が0.22Aしか無くても、短時間で充電出来るはず。
 ところが、全く電圧が上がらない。

 前提として、U1−1端子は壊れていない。
 電流検出抵抗の基準を決める分圧抵抗を調整すると、しっかり出力がON/OFFする。電流検出結果のオペアンプ出力をU1−1に引き込んでいるダイオードを切断してみる。これで、U1−1には電圧検出結果のみが接続される。そっちの分圧抵抗は115V近辺に設定されたままだ。テスターで抵抗値を計測しても特に壊れちゃいない。
 やっぱり駄目だ。 

 10Ωセメントを外し、以前のように10ミリΩだけにしてみる。
 秋月インバーターのスイッチを一瞬だけ入れる。危惧した通り一瞬で電流計の針が10Aを振り切った。充分あり得る事態だと思っていたので、最初から一挙動でスイッチを切った。どこも燃えずに済んだが、コンデンサーは全く充電されていない。インバーターのスイッチを入れなければ電流は流れないので、交換したFETはショートしていない。
 過電流でもU1には負担とならないはずだし、壊れている可能性が高いのはトランスだ。基板のパターンを燃やしFETを破壊するほどの電流が流れたせいで、殺られたかもしれない。

 今となってはどのパーツがどのタイミングで壊れたのか確定出来ない。ある程度の推定は可能だが、ここまで現象が錯綜するとやり直すのが一番早い。

1)壊れたパーツを交換するか最悪インバーター買い直して、使い捨てカメラのコンデンサーを正常に充電出来る状態に戻す。
2)コンデンサーに放電器を接続し電流検出抵抗は10Ωにし、過電流が構造的に流れない試験環境を作る。
3)入力電流制限がきちんと働くことを確認し、働かない場合は修正して完成させる。
4)耐久試験。

 今回の敗因は、2)に気付くのが遅れたこと。パーツを壊す心配無しに試験を行う環境をどうやって作れば良いか、すぐには分からなかった。ヒューズがあっさり飛んだ時点で頭に浮かばないようでは馬鹿過ぎ (;_;)

 どうせトランスを交換するなら、壊れた方をバラして配線を調べようと思い付く。
 表面は2次コイルが20か21回巻かれている。配線はかなり太く、巻きは一層だけ。

 写真は20回ほど巻かれた部分を解いて切り去った後。
 出力ピン中央から巻きが開始され、短くカットされた第3の出力ピンに接続されている。

 妙なことに、絶縁用フィルムの下層に、金属箔が巻かれているのが見える。トランスのくせに電磁波シールドが入っているのか?

 想像もしなかった事実。
 何と、このトランスの一次巻き線は銅箔だった!

 銅線ではなく銅箔が巻かれているのだ。ちゃんと絶縁フィルムとサンドイッチになっていて、トランスではなくコンデンサーをバラしてる気分。
 予想通り、一次側はセンター・タップ型になっている。ベタな銅箔なので、センター・タップで問題となる偏磁を心配せずに済む。

 既にこの時点で絶望を覚える。と言うのも、とてもじゃないがこのトランスは過電流で焼けるようなタマじゃない!
 銅箔は厚く、50アンペアぐらい流れてもコアが飽和こそすれ配線は何ともないだろう。それほど凄い作りになっている。

 トランスが壊れていないとすれば、どこが壊れたんだ?

 一次巻き線の更に下、最下層は再び二次巻き線となっている。
 今度は短くカットされた第3の出力ピンから巻きが開始され、端の出力ピンに接続されている。
 つまり、これまた残念なことに、短くカットされた第3の出力ピンはセンター・タップだった。このピンを使っても出力電圧は半分になってしまう。

 分解した結論は、既に最大巻き数比で使用されており、使用ピンを変えても出力電圧をアップ出来ないという身も蓋もないものだった (;_;)

 こうなるとU1のトランス制御ピンが壊れたと考えるしかない。
 だが、KA3525Aを交換してみたが現象は改善しない。主要パーツは全部交換したのに、出力電圧が数ボルトしかないまま入力電流だけは振り切れる。復活しない。

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2006年8月25日(金) 17:26

危険です

 0.1Ωの金属被覆を10本束ねて10ミリΩを作り、挿入。
 もし20A流れると発熱は4ワット。この抵抗は1ワット品なので合計10ワットだ。密集させているため放熱はちょっとヤバいが、スペック的には一応行ける。

 電流調整用の半固定を0にしておき、秋月インバーターのスイッチを入れる。少しずつ半固定を回すが、相変わらず全く電流が流れない。次の瞬間、いきなり10Aの電流計の針が振り切れ、1秒ほど遅れてヒューズが飛んだ。
 どうなってんだ?

 危険を承知の上で、電流検出抵抗をハンダ付けし直す。ヒューズをパスさせた。
 あっさりヒューズに飛ばれると、テスターを使う暇がないため原因究明出来ないのだ。半固定で分圧された電圧がオペアンプに加わっているかどうかは容易にチェック出来るが、もう一方のトランス駆動FETソース電位に関しては電流が流れていないとチェック出来ない。
 流れた瞬間にヒューズが飛んだのでは困るのだ。

 今度もじりじりと半固定を回すと、ある瞬間にいきなり大電流が流れた。しかも、半固定を戻しても電流が流れっ放し!
 ローバッテリー警告ブザーが鳴り、煙が上がった。電源を切って、何が燃えたのか調べる。基板のパターンだった。バッテリー配線がGNDに引き込まれている点と、トランス駆動FETソースから接続されている点を結ぶ部分が、大電流で焼けたようだ。

 ヤバいことはヤバいが、家庭用コンセントではなくラジコンバッテリー使ってるのでまだその分気楽ではある。

 相変わらず原因不明だが、突然大電流が流れることと一度流れると半固定を戻しても止まらないことは分かった。まるでデジタルのように流れるか流れないかであり、流れるとアッという間にどこかイカれるほど大電流が流れる。これでは、やはりテスター使う暇が無い。

 こうなったらLD電源を接続してみるか。
 LD電源は加わる電圧が不明な定電流電源なのでリスクがある。しかし、いきなり20Aオーバーするようなことはないはず。数アンペア流してテスター使う時間を確保しよう。焼けたパターンは太い配線をハンダ付けして復活させる。
 だが、コレも駄目だった。確かにLD電源を使うと2Aだけ流し続けたり出来るのだが、その時点で電圧が1.8VとかなのでICが動作せず、チェックする意味が無い。電流検出抵抗の電位差が確かに20ミリボルトになっていることだけは分かったが・・・

 しかし、更なる謎現象も判明。秋月インバーターの電源を切ってもLD電源で2A流せたりしてしまう。

 おかしい・・・LD電源じゃ駄目だ。
 再度ラジコンバッテリーを接続した瞬間、また小爆音と共に煙が上がった。え?スイッチ切ってあるはずなのに!

 今度はトランス駆動FETソース付近のパターンだ。細い部分が大電流で焼けた。くそっFETが壊れてショート状態になってやがるか!?
 一体どの時点でFETが壊れたんだ?
 異常動作のどの時点から後がFETショートのせいで、半固定がデジタル的に働く異常はどこまでFETが壊れたことと関係しているんだ?
 結局どこに問題があるのか分からない。FETはミニ秋月インバーターも含めて同じものが使われているため、パーツ取りで交換することは出来る。だが、問題を解決するための調査手順を考えるのは危険なパズルだ。

 それでも、安全な調査手段をすぐ思い付いた。手元にちょうど良いパーツが余っている。10Ω20ワットのセメント抵抗。これを電流検出抵抗に使うのだ。絶対に大電流が流れない。穏当な電流で回路の振る舞いを調べられる。最初はコレ使って試験するべきだったんだ・・・
 いざ実験してる最中はほんと馬鹿になってる。他にもいきなり544ジュールに接続しなくても、コッククロフトの出力に放電器を接続する安全策があった。放電器は40ミリアンペア定電流負荷なので、連続充電を可能にしつつオーバーロードを防ぎ、電流制限機構の動作チェックが出来た。電流制限が働くことを確認した後で、負荷をアップした試験をすれば良い。

 後から考えると、安全なやり方がちゃんとあるんだよな・・・

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2006年8月24日(木) 18:12

入力過電流保護回路

 秋葉原で一番夜遅くまで開いているパーツ屋はどこでしょう?
 答えは、若松通商本店。東京メトロの末広町駅の出入り口付近にある。一応8時半までだが少し遅くまでやってる雰囲気だ。

 さて、方針が決まったので、実際に秋月インバーターを改造する。

トランス駆動FETのソース側をGNDから切り離すべく、パターンカットする。導通を良くするため2つのFETの中央にGNDジャンパーが飛んでいる・・・赤いコードがトランスの下を潜っているが、それも取り外す。

 バッテリーからの配線は直接VccとGNDに接続させる。

 トランス駆動FETのソース側を、ヒューズを介してGNDに接続させる。

 分圧抵抗の取り付け。

 5KΩの半固定を使用。
 出力電圧設定用半固定の上に重ねる。R39の端に引っ掛けたジャンパーでU1−16から基準の5Vをいただく。同じくJ8に引っ掛けたジャンパーはGNDとなる。
 分圧になる中央の端子は、LM324Nの浮かせた9番ピンに接続。

 この時は気付かなかったが、どうもこの半固定はB級のようだ。結果的にはGND近辺の微調整がやり易くビンゴ。

 オペアンプの出力となる8番ピンは、コンデンサー等を戻さずU1−1に直接ダイオードで接続。反応速度を上げる。

 トランス駆動FETのソース側に、LM324Nの10番ピンを接続。ちょっと距離があるが大丈夫か?

 10番ピンとの間には1KΩを入れてある。抵抗と赤いコードの接続部分がパターンとショートしないよう注意。この後ホットボンドでサポートしておく。

 半固定をゼロにしておく。オペアンプの9番ピンの電位もGNDレベルになる。
 昨日のように巨大コンデンサー充電用の配線を行い、秋月インバーターの電源を入れる。電流計の針は当然だが全く動かない。しかしそれだけでは「壊れている」場合と区別出来ない。
 緊張しつつ半固定を回す。ところが、相変わらず電流計の針は全く動かない。そこで、テスターで電圧チェック。オペアンプの9番ピンは0.2V程度になっている。では、トランス駆動FETのソース側は・・・3.8Vですか!?

 そりゃ幾ら何でも変だろ。どうしてGNDとの間にヒューズだけ挟まった端子の電位が3.8Vになるんだ?
 根本的にどこかおかしい。やっと気付いた。ヒューズが切れている。おかしい、確かに新品と交換したはずだが?

 もう1回ヒューズ飛ばしてやっと気付いた。今日の改造を行う前に火花と共に切れたヒューズと異なり、凄く地味にヒューズが溶けていた。余りに瞬間的に切れたので、アナログ電流系の針が振り切れることもなく・・・
 巨大コンデンサーには、やっぱり25Vほど溜まっていた。ヒューズが溶けるのに必要な電力量がほぼ一定なんだな。
 ヒューズが切れた時にオペアンプの9番ピンは僅か5ミリボルトの電位だった。半固定を少しずつ回す途中でヒューズが溶けるのを見たので、9番ピンの電位に反応しているのは確かだ。結論として、ヒューズの抵抗値は数ミリΩどころかそれより桁違いに小さい!
 ヒューズはほとんどロスになっていないのだ。

 ネットで幾つかのヒューズの抵抗値を調べただけで、秋月インバーターに使われているヒューズの抵抗値を実際に調べなかったのが裏目に出た。ヒューズと電流計を接続しLD電源で15A位流して電位差を測れば、容易にヒューズの抵抗値は判明した。それは分かっていたが手間を省いてしまったのだ。
 やっぱり実験はステップを踏まねばならない。1つ1つ確認しながらだと、日数ばかり経過してなかなか先に進めない。しかし慌てるとこういう罠にハマるんだよな。

 ヒューズと直列に10ミリΩ位追加すればOKはなず。取りあえず0.1Ωの12本並列位で・・・

written by higashino [パルス] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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2006年8月23日(水) 17:11

過電流

 電池に通電するのだから、ダイオード入れておくべきだろう。気付いたものの、そんなことでLD電源は動いてくれない。
 ようやく思い出した。LD電源はスイッチ入れただけでは駄目で、スタートボタンを押して警告ブザー5回の後でようやく通電するんだった!
 久しく使っていないせいで、肝心のことをすっかり忘れていた(汗)
 ラジコンバッテリー2本が無事に30分でチャージ完了。ただし、1時間位は冷えるのを待たねばならない。

 旧式充電器は2400mAhをフル充電出来ないだけでなく、充電器本体の加熱でしばしば充電が途中ストップし閉口したものだ。2本続けての充電は出来ない。充電器が冷えるのをじっと待たねばならない。
 LD電源なら片手間パワーでやってのける★

 こうしてラジコンバッテリー2本に換装し、秋月インバーター改を動作させる。放電能力では無敵のニッカドである。15〜20Aの連続放電は何でもないし、短時間なら200A放電さえ可能なシロモノだ。ラジコンバッテリーを甘くみちゃいけない。携帯用ハイパワーレーザーの電源に最適である。
 ところが、ジージジーとまるで漏放電してるかのような異音がトランス付近から鳴り続け、FETがちっとも熱くならない。電圧は僅かずつ上昇するものの、意地で12〜13分放置してようやく80Vを越えた程度。20ジュールしかチャージされてないぞ?
 一体どうなってんだ?
 ATX電源は、こんな程度でシャットダウンしたのか?

 それにしても、トランス?の異音が気になる。壊れたのか?
 0.1μFのフィルムコンデンサーではなく200μFの電解を使ったコッククロフトをチャージしてみる。15ジュール程度は貯まるはずなので、20ジュール蓄積に12〜13分も掛かる状況ならすぐにはチャージ完了しないはず。

 問題なく充電できた。もちろん秒速で。

 55Hzの純正標準ではなく数十KHzの交流になっているはず。それでも0.1μFではコンデンサーの容量が足りないのか?
 もしコッククロフトのコンデンサー容量が足りないだけなら、この電解コッククロフトに544ジュール巨大電解を取り付ければスムーズに充電されるはず。さあ、どうなる?

 秋月インバーターの電源を入れた瞬間、バチッと激しい音&放電火花と共に、20Aのヒューズが飛んだ!
 イカれたのはヒューズだけで、巨大コンデンサーには25Vほど貯まっていた。
 恐らく、ATX電源はヒューズを溶かすことがない超短時間の過電流にも反応するように作られているのだろう。そして、思った以上にコッククロフトのコンデンサーは容量を要するようだ。

 ここまでの実験で、ラジコンバッテリーを使う限りローバッテリーブザーは全く鳴っていない。となると、秋月インバーターに過電流保護回路を追加しなくてはならないようだ。出力側には取り付けられないので、オリジナルとは異なり入力側に取り付けねばならない。それが本来の姿ではあるが・・・オペアンプ自体は4回路のうち2回路が余っているが、電流制限抵抗の物理的な実装方法は少々悩ましい。

 素直に考えると、出力電流検出回路を流用して入力電流検出に使うのが良さそうだ。

 Hブリッジ関係は取り去るが、幾つかのダイオードや抵抗等はそのまま使える。C9も残して良いが、C7は耐圧16Vなので25Vへ換装せねばならない。

 電圧が低く電流の大きな入力側で検出する場合、電流検出抵抗に極めて小さな抵抗値が必要になる。小型で大電流に耐えられる数ミリオームの抵抗・・・あった!

 20Aのヒューズである。

 ヒューズを電流検出抵抗として使っちまおう★
 自作で自分だけで使うなら電力をロスするヒューズを外す選択肢もある。だが、安全のためヒューズを入れるなら、単なる発熱器では勿体ない。

 ヒューズはVcc側に入っているが、LM324はVcc近辺の電圧は比較出来ないようだ。トリッキーな手もあるのだが、ここはGND側に移そう。だが、GND側に入れてもLM324はマイナス電位の入力がまたヤバい。そうなると、GNDとトランス駆動FETのソースの間に入れるのがベスト。電流検出を入力側で行う場合、大抵そこに入れるようだ。
 そして、LM324の9番ピン(−)をU1−16(5V)→分圧抵抗に接続し、10番ピン(+)のR15の先をFETのソースに接続する。

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