上智大学エレクトロニクスラボ

上智大学エレクトロニクスラボの部員の雑記帳です。当ブログを真似したり参考にしたりして起きた事故、けが、損害につきまして私たちは一切責任を負いません。

テスラコイルまとめ

kentamuです。オープンキャンパスで放電の基礎を勉強される方へ。

実用回路、用語は以下の通りです。是非製作の際参考になさって下さい。

 

用語説明

 

テスラコイルの種類

・2次コイルにのみ共振コンデンサがついている回路がSSTC

・SSTCの1次側に共振コンデンサをつけたのがDRSSTC

 

テスラコイルの共振周波数の作り方

・2次コイルの電流位相をカレントトランス(CT)により検知して制御回路に伝えるのが2次フィードバック。SSTC,DRSSTCどちらにも使える。自励式。

・1次コイルの電流位相をカレントトランス(CT)により検知して制御回路に伝えるのが1次フィードバック。DRSSTCに使える。自励式。

テスラコイルの共振周波数を発振器などで生成して制御回路に入力する。他励式。

フィードバックの難しいDRSSTCで使いがち。

 

1次コイルの駆動

・通常ハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路が使われる。これらの回路はFETやIGBTという半導体スイッチで構成される。半導体スイッチのON/OFFを共振周波数で行うことで放電が起きる。

・この半導体スイッチをON/OFFするのに使うのがゲートドライバ。半導体スイッチがONになると非常に大きな電流を流すことができる。ただし、ハイサイド、ローサイドの半導体スイッチが同時にONすると半導体スイッチに大電流が流れ、壊れる。それを防ぐためにデッドタイムといって両方の半導体スイッチがOFFの時間を設ける。

デューティ比(パルスがONの割合)が50%であるテスラコイルではGDT(ゲートドライブトランス)を使用する。波形が訛り、勝手にデッドタイムが生成される。

・DRSSTCの場合、1次共振コンデンサを挿入するためLC直列共振回路により回路全体のインピーダンスは非常に低くなり大電流が流れる。ただしL,Cそれぞれのインピーダンスは有限であり、各素子の持つインピーダンス成分*大電流によって各素子の両端には高電圧がかかる。そのため1次コイル電圧が跳ね上がり、2次コイル電圧も上がって放電が伸びる。1次共振コンデンサの耐電圧、お勧めは5kV以上だ。ESRの低いフィルムコンデンサを使用する。

 

2次コイルの接地

・2次コイルは必ずアースする。家庭のコンセントについてるアースでよい。

 

 

 

以降、回路製作に関する記事です。上から順にご覧ください。

 

注意点:以下の記事において共振周波数の式が出てきた場合、すべて反共振周波数の式になっていると思います。実際はテスラコイルを調相結合トランスと見た場合の直列共振周波数 fsc=1/(2*PI*((1-k^2)*L2C2)^(1/2)))だと思ってください。

 

テスラコイルの回路理解のための基礎知識

selelab.hatenablog.com

 

テスラコイル(SSTC)回路全体像

selelab.hatenablog.com


ゲートドライブトランスの設計法

selelab.hatenablog.com


ゲートドライブトランスの計算式の導出

selelab.hatenablog.com

 

テスラコイルのインタラプター光ファイバー回路

selelab.hatenablog.com


テスラコイル(DRSSTC)の回路

selelab.hatenablog.com

 

 

LLCコンバータの設計

1ヶ月ぶりのkentamuです。

テスト前って工作のモチベめちゃくちゃ上がりますよね!

以前からなかなか作れなかったLLCコンバータもテスト前無限の進捗により一気に完成させられたので報告します。

*この記事もテスト勉強サボって書いてます!

 

目次

1. LLCコンバータ

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製作したLLCコンバータ

皆さんはLLCコンバータという言葉を聞いたことはありますでしょうか?古くはサンケン電気にてSMZコンバータという名前で開発された超ローノイズスイッチング電源です。

LLCコンバータを聞いたことがある人でも実際に作った人は少ないのではないでしょうか。今回は専用のICを使わずにLLCコンバータを製作したので、ご紹介します。

余談:Twitterの学生メイカー界隈では以前にGammaさんという方が作られてます。敬服いたします。

 

LLCコンバータはハーフブリッジ型の共振型DCDCコンバータに分類されます。

DCDCコンバータとは何ぞや?という方は、基礎編がこちらにありますのでご覧ください。

 

selelab.hatenablog.com

 

LLCコンバータの特徴は、トランスの1次漏れ磁束と外付けの共振コンデンサでLC共振させることでソフトスイッチングを実現していることです。

なんといっても非常に少ない部品で高効率なコンバータが作れることが魅力的です。

詳細な動作、式の検討は平地研究室のブログで勉強しました。

一読されることをお勧めします。

 

平地研究室技術メモ No.20140529
LLC 方式 DC/DC コンバータの回路構成と動作原理

http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/20140529-3.pdf

 

ざっくり動作を説明すると、周波数を変えて出力電圧を制御します。通常のDCDCコンバータはパルス幅を変えて出力電圧を制御しますよね(PWM)、LLCコンバータではパルスのデューティ比が変えられないため周波数を変えて出力電圧を制御します(PFM)。

LLCコンバータの面白いところは、通常ですと嫌な奴「漏れインダクタンス」を積極的に利用して共振させるところです。漏れインダクタンスがわざと大きくなるように1次巻き線と2次巻き線をセパレートしたボビン上にまきます。

 

 

*通常だと漏れインダクタンスが嫌われる理由

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漏れインダクタンスとターンオフサージ

漏れインダクタンスに対して半導体スイッチ(MOSFET)でON/OFFすると、インダクタの「電流を止めても電流を流し続けようとする」作用のために逆起電力が発生し、MOSFETのドレインソース電圧が跳ね上げります。これがターンオフサージと呼ばれ、最悪の場合MOSFETを破壊します。

そのため、通常のDCDCコンバータ用トランスでは1次巻き線に2次巻き線が被さるようにコイルを巻きます。

 

 

等価回路と出力特性

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等価回路と周波数特性

上図をご覧ください。「励磁インダクタンスと共振コンデンサ」「漏れインダクタンスと共振コンデンサ」によって形成される2つの共振周波数があり、出力電圧-周波数特性が山のような形を持ちます。

周波数が高いほど電圧が低く、周波数が低いほど電圧が高くなる領域(fr~fm [Hz])で回路を動作させます。

つまり、負荷によらず出力電圧を一定にするためにこの周波数領域でMOSFETをスイッチングするよう制御するというわけです。

 

2. 回路図と動作

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LLCコンバータの回路図

(高画質版はこちら)

 

今回はLLCコンバータ専用IC不使用で製作しました。これが電源オタクのつまらない意地です。

使用したICは、秋月電子に売っていたIR21531Sです。

汎用ハーフブリッジドライバを使用することでコストを抑え、回路規模を小さくすることができました。

 

動作について説明します。

IR21531は、CR発振器を持つハーフブリッジドライバで、発振周波数を回路図上のR3,R4,C4で変更できるのがポイントです。

発振器のCの値は固定で、Rの値を制御することで発振周波数を変えています。

先ほど、負荷によらず出力電圧を一定にするにはスイッチング周波数をfr~fmの間で制御する必要があるといいました。これを実現するのがまさにR3,R4,C4そしてフォトカプラです。

 

通常はR4,C4によって最低周波数fminでMOSFETをスイッチングします。

そしていつものようにTL431で出力電圧を監視し、目標値を超えるとフォトカプラがONします。すると、R3がC4と接続され、発振周波数が高くなります。

この機構により、出力電圧を一定に保つことができるようになりました。

負荷としてをつなLEDを繋げた際の動画がこちらです。

 また、過負荷時はトランスの下側についている抵抗器で電流電圧変換をし、BSS138のスレッショルド電圧1.5Vを上回ると発振周波数が高くなって過電流保護します。

 

 

記事を書いていて、我ながらよくかんがえたなあと思いました。

 

3. 付録:設計シート

どなたでもLLCコンバータが作れるようにエクセルシートとシミュレーションファイルを作りましたので、ぜひ弄りまわしてご活用ください!

 

drive.google.com

drive.google.com

 

シミュレーションファイルはSIMetrix(フリー版)でお使いいただけます。

回路をSIMetrixで読み込んだらF11キーを押してパラメータを適宜変更してください。

(SIMetrixダウンロード:

製品のご案内:SIMetrix:デモ版ダウンロード|株式会社 インターソフト Inter Soft

 

4. エクセルシートの使い方

 

使い方は超簡単です。緑色のセルの表示に従って値を入力するだけです。

電圧電流、そして使用するMOSFETの値を入力すると共振コンデンサの値やトランスの巻き数やギャップ長などが計算されます。

めちゃくちゃ便利ですね、ハーフブリッジ型のLLCコンバータであれば専用ICを使う場合でもこの計算結果が使用できます。

 

ちなみに発振周波数を変えるとIR21531の抵抗値やコンデンサをデータシートを見ながら選ばねばならず面倒なのでfmin,frの値はそのままでいいでしょう。

 

一点注意なのが、トランスの特性をPC44材のPQ26/20コア用に限定してしまっているため、それ以外のトランスでお作り頂く際はトランスの特性を変更しなければなりません。

 

まずは、データシートからALvalue vs Center Pole Gap, AL vs NI limitなどのパラメータを入れましょう。そして、センターポールギャップの式も変更しましょう。

そして、ALleakというのがコイル1巻きあたりの漏れインダクタンスですから、それは実測しましょう。これはコアのギャップにかかわらずほぼ一定となるので、コイルをトランスに2つ巻いて(コアを付けて)片方を短絡させたときのもう片方のインダクタンスを見ることでnH/n^2の値を算出できます。

私は1次2次とも5回巻きで測定しました。

2次コイル短絡時の1次コイルインダクタンスの測定値が1.5uHだったので、巻き数5回の2乗(25)で割ると、42nH/n^2が出てきます。この値をALleakに入れるだけです。

超簡単ですね!

 

トランスの設計が終わったら付録のシミュレーションファイルの値やMOSFETのパラメータを変更して実行することでソフトスイッチングの可否を容易に検討できます。また、周波数特性も解析できるため、位相補償も適宜行ってください。

SIMetrixは超早いSMPS用シミュレータでサンプル回路も豊富なのでぜひご活用ください。

*ちなみにこのシミュレーションファイルもサンプル回路の改造です。

 

5. おわりに

今回は専用ICを使わずにLLCコンバータを作れることができることがお分かり頂けたかと思います。

これもすべて先人が知恵をインターネットに公開して下さったおかげです。

この記事を読んでコンバータに少しでも興味を持って頂けたら幸いです。

是非作ってみてください!!

 

参考:

http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/20140529-3.pdf

 

http://hirachi.cocolog-nifty.com/kh/files/20160212-1.pdf

 

https://www.fujielectric.co.jp/about/company/gihou_2014/pdf/87-04/FEJ-87-04-0268-2014.pdf

 

https://www.infineon.com/dgdl/AN-1160J.pdf?fileId=5546d46256fb43b301574c5eb7f37bc0

 

「DC/DCコンバータの基礎から応用まで」 平地克也

 

 

 

 

オペアンプを作った

どもー

kentamuです!

オペアンプのお勉強をしていたらそれはもう唐突にディスクリート工作がやりたいという欲望に駆られて気づいたらオペアンプ作ってました!!!

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基本構成は4580と同じで、入力をJFETにしたりPNPトランジスタを沢山使ったりしました。

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回路図。

回路図のj2sk170は実機では2sk2145というデュアルJFETを使いました。差動増幅段のマッチングと高入力インピーダンス化が目的です。

差動増幅段の負荷がカレントミラー回路となるため負荷のインピーダンスが高く、差動増幅段の利得が高くなります。

電圧増幅段はなんとなくダーリントン接続にしてみました。

定電流回路(回路右側のあたり)を2ch共通とし、Q12のベースに右ch左chのカレントミラー回路(Q3、Q6)を繋ぎます。

オープンループゲインは80dBほどあり、負帰還をかけた時の歪率もバッチリ低くなりました!!

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位相余裕も70度ほどあるのでユニティーゲインで使えます

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電源は負電源の生成に反転型のDCDCを使っています。

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次回はこのディスクリートオペアンプを使って面白いものを作ってみようと思います!

乞うご期待〜

 

(kentamu)

 

オペアンプの教材(電子工作寄り)

お久しぶりですkentamuと言う名前でツイッターをやっていたものです。

最近しっかりとした工作がなかなか出来ておりませんが、新入部員用に講座を開いたりしています。講座では、エレラボのパワエレ感を差し置いてオーディオ電子工作をやっています。

講座で使用したオペアンプ教材(笑)をこちらに置いておきますので、よかったらご覧ください。

 

drive.google.com

 

 

drive.google.com

 

オペアンプの増幅回路の式ってどうやって求めるの?

負帰還ってなんぞ?

伝達関数オペアンプってどう言う関係があるの? 

オペアンプのモデルをLTSPICEで作ってみたい!

 という初心者向けの内容が書かれています。

詳しいことは引用.参考文献を参照してくださいね

 

ガチプロ、強強さんへ:

拙い教材かもしれませんが、温かい目でご覧頂ければ幸いです。