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2010年02月の記事

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2010年2月23日(火) 21:02

コンデンサーだらけ

 出力側に、25V3300μFの電解コンデンサーを2つ取り付ける。推奨は470μFなので、容量14倍。これでリップルを減らす。

 昨日はチョークコイルを水平面にハンダ付けしたが、それだといかにも床面積を取り過ぎる。特に、出力側の配線引き回しを短くしようとすると、レーザー銃本体に取り付ける向きに悩む。

 そこで、垂直に取り付けてみた。

 この場合CNT端子に後からでもアクセス可能なので、入力側第3のコンデンサーも今のうちに取り付けてしまえる。

 昨日のうちに水平面に取り付けた方も、改めて垂直実装に変えた。ハンダ付けを外すのに、かなり時間が掛かった。

 出力側のセラミックコンデンサーを取り付けて行く。

 2つのユニットは出力を直列にするが、入力は並列。
 そうなると、出力側GNDは共有出来ない。ところが、フレームGNDはヒートシンクを介して共有する公算が大なので、GNDとフレームGNDを接触させないように実装せねばならない。

 また、制御用PICの電源をどう取るかとか、DC-DCコンバーターのCNT端子操作方法とか、細かな考慮事項がいろいろ残っている。
 電子制御の場合は最近もリコール等の話題が出ている。フェイルセーフな設計が必須となる。不具合や暴走が起きた際には、通電しない方向にシステムの状態が変化するように設計せねばならない。

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2010年2月22日(月) 20:59

EMI対策

 25V10μFの積層セラミックコンデンサーを2直列2並列にし、耐圧50Vにして使う。耐圧50V品では大容量のものが秋月に無くて、このような形になった。

 太さ3ミリの銅パイプを長さ13ミリに切断し、配線代わりにハンダ付け。今回のLDドライバーは、ミリΩ単位の抵抗が大問題になるレベル。

 巨大なチョークコイルにコンデンサー類を直接取り付けて行く。パーツがでかくなると、配線もそれに応じて長くなるのが厄介だ。

 棒付きコンデンサーはバッテリー入力側。
 バッテリー出力側にはフィルムコンデンサー1μFを付ける。

 50V1000μFの大型電解コンデンサーの実装空間が無くて悩む。

 コンデンサーの足を短くしようとすればコンデンサーの図体同士が干渉し、本来の電源ラインを余分に引き回さねばならなくなる。仕方なく妥協の産物。
 各3個ずつ取り付けたいので、残る1個はDC-DCコンバーター側に設置する。しかしすぐに取り付けると端子が隠れて後の作業に支障があるので、完成直前まで延期。

 フレームグランド端子がわざわざ存在するのは、ノイズフィルターの配線に便利だからだろう。

 配線が太いと、いつもながらハンダ付け不良に細心の注意が必要だ。だから、ハンダ付け箇所が少なくても今日のような配線作業には非常に時間が掛かる。

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2010年2月21日(日) 19:23

大袈裟な物体

 第5のスイッチング電源は未購入との結論に至り、千石まで買い出しに。

 これまでと同じメーカーのが在庫切れなので別メーカーになったのが不安。10円しか違わないのだが、一方だけ無くなっている。実際、両メーカーの違いがまるで分からないから、10円でも安いのを買いたくなる。自分の場合は単にこれまでの4台と同じものにしたかっただけなのだが・・・
 24V電源が完成しないとDC-DCコンバーターの動作試験が出来ず、LDドライバーの設計も出来ない。これがクリティカルパスになってるので、やむを得ず別ケーカー製を使う。

 5台の電源線を1つにまとめるのが大変。一応3系統しかないが、ここでハンダ付けがいい加減だと安全面でも問題がある。太い線になると、ハンダ付け不良が発生し易い。くっついたフリだけして全くくっついていないことがある。油断も隙もない。

 かなり大袈裟になってしまったが、元々イメージしていた通りの姿ではある。

 光出力180ワットのユニットは、以前はメーカー製のLDドライバー(もちろん中古でありAC紐付き)で動作させていた。そしてどんなに頑張っても共振しないと悩みまくっていた。当時はあらゆる努力が実らず頑として共振してくれなかったのだが、遂に断念したのとほぼ時期を同じくしてLDドライバーが壊れた。

 共振に成功したら、バッテリー動作のLDドライバーを自作するつもりだった。
 共振に成功しなかったため、自作も消えた。

 そして今、共振に再挑戦する訳だがLDドライバーが無い。だから、再挑戦の前にLDドライバーを自作せねばならないって次第。
 写真の大袈裟な物体は、自作LDドライバーにバッテリー代用として接続する。

 2メーカー混合が不安だったが、出力端子からは無事に23.6Vが出力された。

 巨大なコモンモード・チョークコイルは定格15Aの1ミリヘンリー。DC-DCコンバーターのEMI対策としてデータシートで推奨されているスペックに適合する。片側の配線だけで8ミリΩ程度になり、シャント抵抗が10ミリΩということを考えてもバカにならないロスだ。
 個人が趣味で作るオモチャなのだから、EMI対策などしなくても構わない。しかしLDドライバーという役割の重要性を考えると、手抜きはし難い。また、運用時にはバッテリーとの間を1メートル程度の配線で接続することになるため、外乱ノイズの混入もある。それは出力の安定性にも影響があろう。
 更に、LDドライバーの制御はハードロジックではなくPICで行う。PICはノイズに強いとはいえ、近接した物体からのノイズが少ないに超したことはない。

 かくして、このでかいコイル2個を搭載することになった。
 DC-DCコンバーターは公称効率87%だが、これら諸々のロスがある。「バッテリー to LD消費電力」の効率は80%を目標としている。

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2010年2月20日(土) 18:21

コンデンサー1個

 データシートでは典型的利用例として、出力に0.1μFが接続されている。そこで、試しに秋月の10μFを取り付けた。

 それだけで、正確な電圧が出力されるようになった。この基板では小数点の位置が変わらないので10Vとなっているが、実際は1.0231Vである。レンジ切り替えスイッチの位置が昨日と違うのに注意。

 コンデンサー1個でレーザーダイオードが即死しかねないので、予備試験は重要です。

 さて先日の実験で、LBOが余りに強い光を要求するため実用不可能って話をした。実際には、手段はあるがレーザー銃には使えない。
 まず基本波出力を50ワットとかに高めれば、それだけで強度は10〜20倍になる。
 更にCWで高い光強度を得るには、共振器内に設置しミラーを反射率99.99%以上の高級品に替える手がある。そのようなミラーは1枚で5万円から10万円もするのだが、桁違いに内部の光強度を高くできる。

 ただし、そのようなミラーを使うからには空気中の埃とかミラー汚れが論外なので、レーザーヘッドは密閉し組み立てはクリーンルームってことになる。LBO結晶の反射防止誘電多層膜も、ミラーに見合った高級処理でないといけない。どう考えても、個人の日曜大工では作れません。

 共振器内ではビームウエストを細く出来ないと書いたが、それにももちろん解決手段はある。
 共振器が安定しなくなる寸前の微妙な共振器長に調整すると、ビームをどんどん細く出来る。安定条件から外れる直前が最も細いヒームに出来る。
 しかし、ただでさえ共振させるのに苦労するのに、安定条件すれすれを狙うのはキツ過ぎる。更に、そんなすれすれで設計すると、温度変化で共振器の長さが変わるのも大問題になる。共振器の筐体だけなら温度安定化も可能だが、最悪はレーザー結晶の熱レンズ効果。

 普通のレーザー発振器では、熱レンズは一定として設計に組み込む。しかしそれは、レーザー結晶が熱的な平衡状態にあることが前提となる。だから、数分以上のウォーミングアップを要する。
 一方のレーザー銃においては数秒から数十秒の断続的な発振を行うので、熱的な平衡は期待出来ず熱レンズの強さが激しく変動する。そのような場合に、共振器を安定条件すれすれに設計するのは不可能だ。つまりはビームウエストを細くすることも出来ない。

 このように考えて行くと、ありふれた家電製品っぽい外見のレーザー装置でも、価格が数百万円になる理由も分かるだろう。

 かくして、LBOは使い物にならないとの結論に達する。YAGレーザー銃で妥協するならともかく、あくまでグリーンを追求するならPPMgSLTに賭けるしかあるまい。
 共振器自体は両平面ミラーを採用することで、熱レンズの強さが変化してもそれが凸レンズ的である限り安定条件をキープ可能となる。そして共振器を短くするほど、より強い熱レンズに対してまで安定条件が成立する。

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2010年2月19日(金) 21:10

1.024のはず

 1.27mmピッチは小さくて自作に使い辛いとか、そもそも基準電圧作るのにどうして8ピンも必要なんだとか文句言いたい。しかし実際にはこれ足余り過ぎ。
 8本のうち1本はNCだし、4本はGNDだ。

 残る3本のうち1本は当然の電圧出力として、残り2本も束ねて5Vに接続すればいい。
 基準電圧ダイオードの場合は、供給電流のスペック内に収まるよう電源との間に抵抗を入れるが、このICは1.8〜5.5Vの電圧を与える仕様。なんだかんだ言っても、やはり電流より電圧で定義されている方が扱い易い。

 これだけ足が冗長だと1.27mmでもまあ使う気になれる。
 NCの1本に関しては、どこにも接続「してはならない」とデータシートに書かれている。

 以前デジタルパネルメーターの動作試験を行うために作った基板と合体させる。もちろん動作試験のためだ。

 この基準電圧ICは、温度に対する安定性が高いのがメリット。6ppm/℃なので、事実上温度を気にする必要がない。

 基準電圧とシャント抵抗の電位差を比較することでPICは電流値を判断する。つまりこのICが出力する電圧の精度はLDドライバーの電流精度に直結する訳で、小さな単純なICのためにちゃんとした予備試験を行うのは当然だ。
 このICがおかしな電圧を出力すれば、LDの破壊につながる。

 しかし異常電圧が出力されると予想していた訳じゃない。ところが、本当におかしな値が出てきた。本来なら1.024と表示されるべきなのに、まるで相関のない値で安定。
 Vccはちゃんと5Vになっている。散々使って来た信頼と実績の東芝製三端子レギュレーターである。

 普通のテスターで出力電圧を測定すると、1.89Vだ。アレっ?と思って改めてデジタルパネルメーターを見ると、1.89Vになっている。
 テスターを当てた時と当てない時で、電圧表示が変わる。これは・・・

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

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