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2011年10月の記事

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2011年10月26日(水) 21:26

不用じゃない?

 OP97 に差し替えて実験。ゼロ点調整ピンが違うため、半固定抵抗を再配線せねばならない。

 さすがというべきか、無電流での出力はほぼ完全にゼロボルトだ。
 安心したのも束の間、突然電圧が跳ね上がった。その後も、妙に不安定。20ミリボルト近くまでズレたかと思うと、次の瞬間にはほぼゼロに戻ってまた半端にズレたり。ズレに法則性がなく、値もまるで安定しない。これではゼロ点調整も、やりようがない。

 AD797 はゼロ点こそズレるが、ズレ量はかなり安定している。ということは、計算で補正すればかなりいい感じになりそうだ。
 半固定抵抗を除去しゼロ点無調整で実験。これなら、単に差し替えるだけで AD797 と OP97 の挙動を比較可能。AD797 の方が実用的だろうと判断し、電圧計からオシロによる確認へと進む。

 信じられない波形が現れた。無電流なのに、500ミリボルトほど振れている。もはや発振してると言ってもいいだろう。電圧計は1秒の数分の1の時間分解能しかないため、平均化されて10ミリボルト強いズレになっていた。その実態は、実用不能の暴れ波形だった。

 YLR-200-SM での19ワット台発振で、本番PDに接続してみた。これが0.66ボルトの正体だ。励起LD制御ループで使い物にならないのは、言うまでもない。

 一方の OP97 は、発振こそしないがゼロ点が安定しない。小さなノイズ波形の全体が、蛇のようにのたうっている。だから電圧計も安定しなかったのか。これじゃ、どっちも使えない。そこで、回路をいじくってあれこれ試してみた。その結果、発振防止コンデンサーを0.1μFの巨大容量にすると、蛇が大人しくなった。
 ノイズ的にも、かなり優秀である。ただし、帯域がどこまで狭くなっているか?

 AD797 は、100pF程度で発振しなくなった。しかし、0.1μFに増やしても、ノイズ自体は多い。これでは、ローノイズ型の意味がない。
 ノイズが多い AD797 と、帯域がかなり狭いと思われる OP97 さてどっちを選ぶ?
 実は、必要な帯域は狭い。励起LD制御ループは、コンマ数ミリ秒を要する。つまり、帯域10KHzもあれば十分なのだ。となれば、OP97 を使用して帯域確認さえすれば良い。10KHzが確保可能な最大容量のコンデンサーくっつけて、安定化させれば実用になるだろう。

 次の瞬間に気付いた。
 実はオペアンプいらないだろ!

 適正な抵抗値は43KΩあたりと判明している。電流は2つのMAX186に食わせる程度で良く、帯域は10KHzあれば良い。だとすれば、PDに抵抗を直結してそのまま電位を読めばいいじゃねえの!?
 オペアンプを使わないデメリットが全く問題にならない以上、数々のメリットだけを享受できる。
 別にオペアンプをいじってみたこと自体は無駄ではなく、励起LD電流検出で役立つはずだ。

written by higashino [ファイバーレーザー] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(2)] [TB(0)]

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2011年10月25日(火) 21:32

まずは電源から

 ノイズの少ない検出を行うために、まずはノイズの少ない電源を。
 マザーPICボード初代を割り取って、電源部分を回収。試験に使う。DC-DC コンバーターはノイズの多い電源なので、厄介だ。コンバーターでプラスマイナス15Vを作ったあと、三端子レギュレーターで12Vにカットする。プラスマイナス12V化が目的ではなく、ノイズフィルターとして三端子を使う。

 7812 はどこでも手に入るが、7912 はやや入手し難い。手に入れたはいいが、汎用すぎて端子配置が分からない。データシートも「どの7912か」分からないから使えない。
 試しに組むと、動作しない。1Vとか2Vとか、お話にならない電位が出てくる。

 たまたまヒットしたそれっぽいデータシートは、間違っていた。というか「別の7912」だったようだ。

 足の組み合わせは全部でも6通りしかないので、片っ端から試す。結果として「この7912は」、GND IN OUT という配置だと判明。
 ようやく無事に、プラスマイナス12V電源が出来上がった。

 続いて、典型的なフォトダイオード検出回路を組み立てる。逆バイアスをマイナス12V側で掛けて、オペアンプの出力はプラス電位になるようにする。
 オペアンプは殆ど使ったことがないので、どの機種を使うのが最適か分からない。ネット調査によると、PD検出にはローノイズ型かローバイアス型のいずれかが適するらしい。そこで、前者代表として AD797 を、後者代表として OP97 を選定。

 まずは、AD797 から試してみる。汎用アンプより遥かに高価なので、ソケットを使い簡単に流用できるようにしておく。たとえ一発成功しても、正式な基板は改めて製作するので差し替えが必須となる。
 さっそく思わぬ問題が発覚。PDを接続せず電流ゼロの状態でも、出力がゼロにならない。それもマイナス電位になっている。11ミリボルトもズレていて、ゼロ点調整抵抗を一杯まで回しても5ミリボルトまでしか減らない。

 再びネット調査。原因はバイアス電流らしい。データシートによれば AD797 は0.1マイクロアンペアのオーダー。増幅抵抗に100KΩを使っているので、10ミリボルト前後のズレは計算が合っている。なるほど、だからPD検出にはローバイアス型が必要なのか。
 差し替え前に YLR-200-SM のPDに接続し、軽くレーザー発振させてみる。光出力19ワット台で、0.66ボルトが発生した。これでは200ワット到達前に、MAX186 で検出可能な 4.095V をオーバーしてしまう。ただ、PD検出回路の基本が正しいことは確認出来た。

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2011年10月24日(月) 21:05

今後の段取り

 ようやくプロローグが終了し、レーザー銃製作も本題に入れる。今後の長い道のりを整理しておこう。

 実現したい機能ごとに回路を試作し、動作確認する。単に機能するかどうかだけでなく、所期の性能が出るかどうかが重要だ。
 各機能が実現したら、それを組み合わせた本回路を設計し、組み立てる。

 では、どのような機能が必要か。

フォトダイオード読み取り
 光出力をモニターしていると推定されるPDを、高精度ローノイズで読み取る。励起LD制御フィードバックの最重要入力となるので、いい加減に作ると結果的にいい加減なLD制御となってしまう。

電流モニター
 これまで同様に、LDに流れている電流値を取得する。今回はフィードバック入力の主役ではなく脇役なので、精度はそこそこでいい。しかしノイズが多過ぎるのは困るし、既存の回路はゴキブリレーザーでトラブルを発生させている。

コンバーター電源
 PAH350S24-48 のリモート端子を使い、PICでコンバーター電源をON/OFFさせる。これは最も簡単と予想されるが、全体の安全性を左右する。PICの電源がOFFの場合には、確実にコンバーターもOFFとなるよう設計せねばならない。

コンバーター電圧
 PAH350S24-48 の出力電圧を、PICから任意に変更可能にする。PAH300S24-12 で原理は確認されているが、電圧変更ピンはコンバーターの出力側にある(リモート端子は入力側なので話が簡単)。すなわち、直列接続するコンバーターの最下位以外は、電圧変更ピンがGNDから浮いている。1つのコンバーターだけ電圧を可変にしたいなら、そのコンバーターを最下位に配置すれば良い。だが、2つのコンバーター電圧を変更せねば必要な出力電圧範囲を得られない。

 PAH350S24-48 の入手前でも、前の2つは作業可能。以上が開発できたら、本回路を作る。励起LDの制御を行うメインPICと、補助PICの2系統を予定している。
 電流や光出力のモニターは開発時調整時には必要だが、完成後は不要となる。しかし表示されて損はないので、完成後も残す。

補助PIC
 シビアなリアルタイム処理を要求されない作業を受け持つ。内部クロック8MHzで動作。
 ヒートシンク温度をモニターし、メインPICにオーバーヒート警告を出力する。電流や光出力をモニターし、値を液晶表示する。
 液晶表示には時間が掛かるため、ミリ秒以下のレスポンスが必要な励起LDフィードバックの中では実行できない。だから、補助PICに値の表示だけを受け持たせ、併せてこれも高速レスポンスを必要としない温度監視を兼用させる。

メインPIC
 光出力とLD電流を元にコンバーター電圧をフィードバック制御し、安定したレーザー発振を実現させる。
 液晶表示など時間の掛かる作業は行わず、ひたすら制御に専念する。外部20MHzで最高速動作。

 2つのPICいずれも、想定通りの動作をしてくれた MAX186 によりセンサー出力を取得する。性能はそれなりだが用途に照らせば十分だし、使い勝手が良い。LTC1865 は今のところ取得値が理論値と何割も食い違っているので、使用しない。
 LD電流と光出力は、両方の PIC すなわち両方の MAX186 で取得する。ただし、補助PICは取得値を表示にしか使わない。とはいえ、異常過ぎる値の組み合わせを取得すればメインPICに警告を流すような処理は追加の可能性がある。

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2011年10月23日(日) 18:24

箱モノ

 デジタル系電源だけを供給する配線継ぎ手を製作し、途中の入力をジャンパー線で短絡可能にしておく。オペアンプの電源は供給されるが、入力はゼロ電位差となる。これでまず、ゼロ点のズレを調べようとした。しかし、猛烈に大きな値が表示されて、計測不能。途中に抵抗が入りまくっているので、うまくズレを取り出せないのか?
 いずれにしろ抵抗値の個体差に伴うゼロ点のズレは、電位に比例する厄介な性格を持つ。正確な補正を追及するとパラメータ決定で死ぬのは目に見えているので、余り追求せず倍率誤差だけを簡易に補正することにした。基本的には差動取り出しで抵抗値はすべて同一とし、倍率1倍になっている。セル電位差がそのままの大きさで出力される。しかし実際の抵抗は値の誤差が1%なので、倍率は1倍から僅かにズレる。それを単純な乗算で補正する。

 精密電圧計の値と照合して6セルそれぞれの補正値を出すと、最大乗数と最小乗数の違いは2%ほどだった。そもそもゼロ点からズレてるはずだから、乗数だけでは1次的な近似にしかならない。それでも精度1%は十分に確保されるはずで、ローバッテリー検出には何ら問題ないだろう。
 電圧計測256回の加算で3バイト。それに乗数は2バイト。結果が5バイトになる贅沢な乗算はPICだと大きな負担だが、8MHz動作で1ミリ秒の数分の1しか要さない。6回やっても電圧の番人としては、どうってことがない。バッテリー監視は、ミリ秒を争う世界ではない。

 何かモノを落っことして回路を傷めるとか、スイッチや液晶に接続されている配線にストレスが加わるとか、剥き出し基板には不安が多い。思い切って箱を一気に加工し、収納してみた。
 仕上がりを見ると、苦労が報われた気がする。

 液晶保護に0.5ミリ厚のポリカーボネイト板を接着してあるが、消耗品と割り切っての手抜きな点接着。だから仕上がりは悪いが、それでも全体の雰囲気はいい感じだと思う。

 キースイッチと緊急停止ボタンが並んでいると、いかにも工作機械。

 底板にオリジナルのアルミ板を使うと、短絡しそうである。そこで、厚さ1ミリのボリカーボネイト板で間に合わせておく。
 最終的には外装に若干の手直しが必要だろうが、当座はこれで何の問題もない。いちいち絶縁とか配線ストレスを気にする必要もなく、手軽に実験できる。
 配線引き出しのための筐体切れ込みが雑なのは、ご愛嬌。

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2011年10月22日(土) 17:17

機能確認

 セル電圧取得値の補正は後からでも出来るし、準備がそれなりに必要。そこで、もう一息だし他を先に完成させておこう。

 この通り、基板にはパーツを建てられる空き地は殆ど残っていない。
 ブザーは挿さずに、表面にエポキシで接着。

 緊急停止ボタンは2回路あるので、1回路を本来の用途に使いもう一方はPICへのスイッチ入力とする。これによりPICはボタンが押されたことを検知でき、液晶にメッセージを出せる。なぜかレーザーが出ないが実はボタン押されてるの気付きませんでした・・・という事態を避けられる。

 デジタル電源出力と空冷ファン電源出力に、それぞれLEDを取り付ける。
 もちろんあくまでも仮で、セル電圧モニター以外の部分が意図通りに機能するかどうかを確認。もちろん最初はあれこれ不具合が出るので、PICのプログラムを修正して行く。
 デジタル用の7ピンコネクターだけ挿して主電源のタミヤコネクターを挿さないという状態で実験すると、キースイッチを入れた瞬間にデジタル電源が通電すると判明。タミヤコネクターが無いと、デジタル電源とPIC電源のGNDが物理的に分離してしまい、電位差が不定になってしまう。その影響のようだが、主電源を挿さない場合はレーザー発振されようがないので問題ない。
 逆にタミヤコネクターだけ挿すと、いっさいの電源が入らない。

 ローバッテリーにも警告レベルと遮断レベルがあり、警告の場合はブザーを間歇で鳴らすだけにする。遮断レベルになれば、空冷ファンもデジタル系もOFFにして、メッセージを表示し続ける。自殺機能はないので、自分でキースイッチを切らねばならない。
 今回のレーザーでは、キースイッチは機械的に実配線を開閉する。電子回路からはスイッチを操作できないが、とにかくキースイッチをOFFにすれば電源が切れるのは、すっきりしてて良い。最近の電子機器は、電源切る前にあれこれ煩いからな。

 一通りの機能が正常だと確認できたので、基板をアラルダイトで埋める。電圧が高めなので、導体屑が紛れ込むリスクを減らすのは重要だ。

 安全面での唯一の問題は、PAH350S24-48 のリモート端子の信頼性に頼っていること。リモート端子をOFFにしても DC-DC コンバーターが通電し続ける故障が発生すれば、レーザー暴発である。最大40アンペア前後まで流れると想定される主配線を、自前スイッチングしたくなかったのだ。しかし、DC-DC コンバーターは3つ直列にする。うち1つでもリモート端子が働けば、最大96Vまでしか出力されない。これではレーザーは1割以下の低出力で発振するのがせいぜいだ。3つのうち2つが働けば、最大48V出力。これではレーザー発振しない。
 リモート端子が働かなくても、出力電圧は最低になるよう設計する。だから、通常は3つ同時故障しなければレーザーは暴発しないはずだ。最悪の場合でも、3つのうち2つが同時故障しないとレーザーは暴発しない。

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