OceanBlue

DCポンプドライバー完成

実地テストを無事に終えたDCポンプ

ケースもできて　ようやく本当の完成を迎える事ができた。

配線がちょっとゴチャゴチャになってしまったけど　性能はバッチリ出せたので　良し、としておく。



もう一つ　電解回路の方も問題なく稼働できているので　こちらもケースを作って完成させておいた。

こちらは　ケースの寸法を大きく作り過ぎた（笑）

もう少し　きっちり作ってコンパクトに収めた方が格好が良かったなぁ。



どちらも簡単に透明アクリルでキカイダータイプに仕上げておいたけど　また気が向いたら　仕上げの装飾はするかもしれない。



さて、次は・・・・・・

予定通りに電気ショッカーの製作に入るか、それとも　無接点タイプの水位センサーを作るか、ゆっくり考えて　気が向いた方から作る事にしよう。

DCポンプドライバー ローサイドドライブに

予定通りにローサイドドライブに組み替えてみた。

一番最初に作った時はちゃんとDCDCコンバーターになっていなかったので　トランジスタの発熱が結構あったのですが　今回はDCDCコンバーターの機能がしっかりと出るように組んでみたのが上手くできたのか　MOSFETが殆ど発熱せずヒートシンクもどちらかと言うと冷たいくらいになった。

ローサイドドライブにする事で　入力のPWMに出力が遅れる事がなくなったので　PWMのデューティー比と出力電圧もほぼ比例して出力できるようになったので　動きもスムーズに見える

今回はきっと　DCDCコンバーターの回路が組めたんだろう。

でも　ポンプを繋いでの実地テストをしていないので　まだ喜んでる場合ではなく　週末にでもやるつもり。

　　

DCポンプドライバー回路 組み換え

昨夜、最後にテストしたローサイドドライブのテスト回路がこれ↓

まだ　この回路にはインダクタやコンデンサ、ダイオードを組み込む必要があるけれども　ハイサイドドライブの回路と比べて非常にシンプルでトランジスタが２つ少なく　その影響が大きいんだろうと思うけど　追従できる速度がまったく違う。

昨日のテストでのハイサイドのテスト回路では　入力信号に対してONの遅れは殆ど無いけれども　OFFの遅れが４０マイクロ秒程度あったけれども　上記のローサイドのテスト回路では　こちらもOFF側の遅れですが０．２マイクロ秒以下の遅れしか出ない。ただ高い周波数だと少し波形にギザギザが出てくるので　ノイズの対策もやってみるとして　上図の回路にインダクタ、コンデンサ、ダイオードなどを組み込んで　とりあえず下図のような回路で組んでみる。

さて　どうなる事か？

DCポンプドライバー回路 改良

非常に上手く仕上がって喜んでたDCポンプドライバー回路ですが　実際にポンプを繋いで実地テストを始めたところ時々ポンプが回らない事があった。

ぱっと見、コネクターの接触不良かな？、という感じでしたが点検しても接触に問題はなく　よく見るとマイコンの動きに影響が出ている。

電解回路のトラブルの時と同じように　机上では全く問題なく働くのに　実地テストでは手のひらを返したように不調になる。


原因を探るためにいろいろやってると　電解回路の時と同じように　マイコン回路と出力側のパワー回路のGNDを共通にしてるのがいけなかった様で　GNDを繋ぐとマイコンが異常な動きになる場合がある。いったい何がどう作用して不調になるのかは　さっぱり分からないけれども　いけない事だけは確かな様だ。ロジック回路とパワー回路を分離するべきだ、と書いてある情報はよく見ますが　これが　そういう事なんだろう。


ま、私の頭で考えても答えは出ないし　GNDを共通にするのがいけない事は分かったので　とにかく改良してみる。


試しに今回も電解回路の時と同じように　絶縁タイプのDCDCコンバーターを使って　マイコン回路とパワー回路を絶縁し　マイコンからの信号はフォトカプラでパワー回路に伝達するようにしてみる。こうすると出力電圧をマイコンにフィードバックするのは難しくなるので　プログラムはフィードバックを使わないプログラムに戻す。


いざ組み直してランプを負荷にしてオシロで確認すると　高低が切り替わらずに高のまま。

ひょっとしてフォトカプラが20KHzに追従できないのか？、と試しにフォトカプラだけを単独でテストしてみる。

今回使用したフォトカプラはＴＬＰ６２１

測定回路はこんな感じなので　入力がONの時、測定箇所はOFFになる（反転）↓

まずは　20KHz↓

↑こりゃダメだ　追従できていない！

10KHz↓

↑これもダメ

5KHz↓

↑使えなくもない程度

2.5KHz↓

↑これなら　やっと使えるかな、というレベル


どれも　上段が入力PWMで　下段がテスト回路の測定箇所の電圧。

まだ　この電圧でメインのパワーMOSFETのゲートを駆動するわけだから　もっと遅くなるのは必至。

これを見ると　使えるのは　せいぜい2.5KHzまで、という事になるのか？

前回の電解回路は1KHzの低い周波数だったので　このフォトカプラで問題なく完成しましたが

フォトカプラって　こんなに　どんくさい動きだったのか？

GNDを絶縁分離すると　こんな風にフォトカプラの速度も考える必要があるんですね？



さて、どうしよう？

と　考えた挙句・・・・・


試しに　秋月で今のより少しだけ高い（1個50円）フォトカプラＨ１１Ａ８１７Ｃと　もう一つ　MOSFETのゲートドライブ用の８ピンのフォトカプラＴＬＰ３５１（1個100円）を注文してみた（送料と代引き手数料が800円）。これで早くならなければ2.5KHzで仕上げないといけないけれども　早くなってくれるんだろうか？



パーツが届いて　まずはフォトカプラＨ１１Ａ８１７Ｃを　上のテストと同じ回路でテストしてみると　殆ど変わりないので　これじゃダメ！！


次にＴＬＰ３５１を下記のテスト回路でやってみると

今度は遅い周波数からテストしてみる・・・

今回も同じく　上段の波形が入力波形で　下段の波形が測定箇所の波形

2.5KHz↓

5KHz↓

10KHz↓

20KHz↓

普通のフォトカプラと比べると　速度が全く違うけれども　それでも20KHzあたりになると随分遅れが見えてくる。まだこの先にメインのパワーMOSFETが繋がるので　より遅くなるのは必至。

考えていても進まないので　最終段まで組んでみる。

2.5KHz↓

5KHz↓

10KHz↓

10KHz程度でも随分遅れる。この感じだと2.5KHz程度で仕上げる事になるけど　どうも納得がいかない。

GNDを分離することで　出力のフィードバックを返さないプログラムに戻したので　それなら　いっそローサイドに戻せばどうなる？


とりあえずテスト回路を組んでやってみる。

2.5KHz

5KHz

10KHz

20KHz

40KHz

100KHz　

波形は汚くなってきたけど　100KHzでも殆ど遅れる事なく追従してくる。

ローサイドドライブにすると　フットワークが軽くなるんだろう　随分スピードが変わってくるのが見える。


これを見ると　ハイサイドドライブにする気は無くなってくるので　どうせなら　ローサイドドライブでもDCDCコンバーターにできるかどうかのテストのためにも　もう一度ローサイドドライブで仕上げてみよう。少し余裕をみて２０KHz程度で仕上げれば良いだろう。



今日のところは　ここまで・・・・・

DCポンプドライバー回路 MOSFETのドライバー

単なる降圧器だったDCポンプドライバー回路を　本来のDCDCコンバーターに組み替えようとしているところで、まずはローサイドでのスイッチングだったのを　ハイサイドでのスイッチングに変更するところから着手してみた。

まずは　ハイサイドでP型のパワーMOSFETをNPNのトランジスタで単純にドライブする回路を組んでみたところ　あまり高速のPWMには追従できず8KHz程度が限界で　安定した状態にしようとすると　せいぜい2KHz程度になってくる。どちらかと言うとON時よりもOFF時が遅れる感じなのでオシロを見ながら電源からゲートに繋ぐ抵抗を少しずつ小さくしていったけれども1KΩよりも小さくするのも気が引けるので1KΩまでにしておいて、やっとこの程度の周波数が出せるようになった。ローサイドだと100KHzでも追従できたのに　これ程まで差が出るとは思っていなかった。

1KHz程度の周波数でも大丈夫かも知れないけれども　できるだけ高い周波数にした方が綺麗に平滑できるはずなのと　電気回路の勉強のためにも　もう少し高い周波数まで追従させたい。

そんなところで　MOSFETのゲートドライバーのICでも使ってみようか、とも思ったけれども　どんな振る舞いをするICなのか、使った事が無いので　また、たくさん取り寄せて、たくさん飛ばしてという事になりそうな気もするので　ICを使わずにトランジスタでプッシュプル回路を組んでみる事にした。

プッシュプルに加えて　スピードアップコンデンサも入れてみる。

これで　早くなるんだかどうだか？　上記の回路図のインダクタやコンデンサ、ダイオードは繋がずに負荷だけを繋いで　オシロスコープで確認してみると

↑これが　改良前の波形

上が入力信号のPWM、下が出力の波形。出力波形が少し引きずったように湾曲している。


↓改良したのが　この波形

素晴らしい！！

切れのあるシャープな波形になった。

大きなMOSFETもちゃんと使えば追従してくれる。

これだと50KHzでも追従できるけれども　プログラムも含めて余裕を持たせたところで　20KHzあたりで仕上げる事にする。



これができれば　次はコンバーターの回路の組み込み。

そんなに大きく変えるところは無いけれども　シュミレーターで確認すると元々使っていたコイル10μHでは小さ過ぎる様なので　88mHのコイルを取り寄せて載せ替える。

電気工作を始めるまでは　こんな電線を荒く巻いただけのパーツがいったい何の仕事をしてるんだろう？、と思ってましたが　こんな大事な仕事をしてたんですね・・・



これで一通り配線をやり直して　起動してみる。

拡大して見ると波形にギザギザが残ってますが　この程度はまた気が向いたら大きなインダクタに取り替えれば良しとしておいて　この画像は動きが分り易いように実際の稼動時よりもゆっくりと電圧が変化するようにプログラムを設定しておりますが　ちょっと動きがぎこちない感じがするのでプログラム自体を少し書き換えてみたのと　実際の出力の電圧をマイコンにフィードバックさせて出力電圧を制御するプログラムに書き換えてみた。

画像では分かり辛いかも知れないけれども動きがスムーズになって　私としては上出来の仕上がりとなった。


このままテストの為　長時間ランプを点灯させたままにしておいたけれどもMOSFETの発熱が非常に低くなって　ほとんど熱くならなくなったので効率が上がった、と思って良いんだろうか？


どちらにしても　これで本来のDCDCコンバーターが出来上がった事には間違いないので　また今回も御指摘くださったO-Famlyさん、それから　いろいろ御指導くださった　そらさん、中年会社員Aさん　いつもありがとうございます。

御陰様で本来のDCDCコンバーターの回路を完成する事ができました。



あとはケースを作れば本当の完成です。

DCポンプドライバー 改良

先日、完成したDCポンプドライバー


無事に動いてくれて満足していたところでしたが　いつもお世話になっているO-Familyさんより本来の降圧型DCDCコンバーターにはなっていない、と御指摘を頂き　再度DCDCコンバーターの動作、原理を勉強してみた。

自分ではDCDCコンバーターを作ったつもりだったのですが　根本的な仕組みが違っておりました。私が作った回路と本来のDCDCコンバーターとの大きな違いは　ON、OFFを繰り返す電流をコイルとコンデンサが充電、放電する際に　DCDCコンバーターではON時に充電した電流をOFF時にも有効に回路内を循環させる事で放電した電流を有効に使う仕組みなのに対して　私の回路ではON時に充電した電流をOFF時には全てGNDに捨てている事になるので　それだけ無駄に捨てる電流が多くて効率が悪くなる（抵抗器で電圧を落とすほど悪くは無いが）。またPWMなのにトランジスタの温度が上がってくるのはこの効率の悪さが原因なのかも知れない。

そんなところで　DCポンプの回転を制御する、という本当の目的は無事に達成できてるんですが　勉強の為に本来の降圧型DCDCコンバーターの回路と　今回作った回路を見比べて　じっくりと考えてみた。

じっくり考えなくても　ぱっと見で　大きく違うのが　ハイサイドでの駆動とローサイドでの駆動の違いで　私が作った回路はローサイドでの駆動回路ですが　降圧型のDCDCコンバーターはハイサイドでの駆動がセオリーだそうです。

簡単に駆動部分だけの回路を書いてみると

↑簡単に書くと、電源に一番近いところ（電圧が一番高いところ）でスイッチをON、OFFするのがハイサイドドライブ、電源から一番遠いところ（電圧が一番低いところ）でスイッチをON、OFFするのがローサイドドライブだと思えば良い。

この２つの回路図と睨めっこしながら・・・・・・・・・・

本来は普通にハイサイドドライブに変えて、降圧型DCDCコンバーターの回路に組み替えれば良い事で　それでもそんなに大きく変える必要はない。

でも・・・・・

回路図を眺めながら・・・・・・・

「きっとローサイドドライブでも同じ事ができるはず！」　

「何か方法があるはず」

そんな事を考えながら　WEBでローサイドドライブのDCDCコンバーターの回路の例を探してみたけれども　確かに無い！！　見つからない！！


無いと余計にやりたくなるのが悪い癖！！



本来のDCDCコンバーターの原理が分かり易く見えるように回路図に書き換えて考えてみると

この原理を　ローサイドドライブで・・・・・・・

バイパスさせるダイオードがキーポイントかと思ったのですが　どう考えてもローサイドでのスイッチングでOFF時に電流を捨てずに循環させる回路が思いつかない・・・・・・



やっぱりダメか？

ダメだから　そんな回路例が見つからないんだ・・・・

と、半分諦めモードに入った頃、一休さんが閃いた！！




一休さんが出した答が　これ↓

電源のすぐ後にあったスイッチを一番後ではなく　電源のすぐ手前の位置に入れ替えただけ！！

あまり違いが無いように見えるかも知れないが　これは間違いなくローサイドドライブになる。



「スイッチの位置を一番後に配置する」

と考えると思い付きませんでしたが　逆に

「スイッチを一番手前に配置するのも同じ事」

と　ふと思い付いたのがこれ。


これだと全く同じ動作になりはしないか？

前の回路図を書き直すと↓

コンデンサが一つ無くなって、ダイオードを一つ追加しただけ。

これなら　すぐに組み替えられるのでダメ元で早速組み替えてみようか？

と、思ったところで　ふと・・・・・・・・・・・・・



今回は　マイコンからのPWMのデューティー比と　DC出力電圧が直線的に変化する必要がないので　出力のフィードバックで制御しないけれども　もしも直線的な出力にしたくなった時には正確にフィードバックを返す必要があるし、こうやってローサイドドライブにすると安定したフィードバックを取るのが難しくなるなぁ？

なるほど　ローサイドドライブが使われない理由は　きっとこれだ。



と、ここまで書いておいて・・・・・・・・・・・・・・・・・・



やっぱり　オーソドックスにハイサイドドライブで挑戦してみる事にしよう。　

アブノーマルな事に挑戦するのは　ノーマルな事がしっかりこなせるようになってからでいい。



そんなところで、ハイサイドでMOSFETをドライブするためのフォトカプラやダイオードを秋月に注文して　パーツが無くても組み替えられる部分を先に組み換えておく。

ここから先は　パーツが届いてから・・・・・

DCポンプドライバー 実地テスト

ランプでのテストまでは完了していたDCポンプドライバー回路

実際にポンプを繋いでのテストをしてみた。


このポンプドライバーはDCポンプを単純にON、OFFするものではなく　強弱を付ける事でポンプにON、OFFと同じような動きをさせるもので、将来的にTUNZEのストリームポンプを使用する事を前提に作ったものですが　今はストリームポンプではなく現在使っているＷＭ-１５０００でテストする。

このポンプは強弱ではなく　単純なON、OFF制御に耐える事ができるポンプですが　できればON、OFFではなく　強弱で制御した方が長持ちするらしいので　このポンプも強弱制御に換える事にした。



元のON、OFF制御だと　こんな感じ↓

画像では見辛いかな？　インペラがしっかり止まる。




これが　強弱制御だと↓

ポンプは止まらないけれども　水面はしっかり上下する。


なかなか上手くできたようだ！！

トランジスタの発熱も大した事は無いので　このポンプを使うには　トランジスタのヒートシンクも換える必要は無いが　この先、大きなポンプに取り替えた時の事も考えて　もっと大きなヒートシンクに取り替える事にする。


あとは　ケースを作れば完成なので電解回路のケースの分も合わせて　また「はざい屋」さんへ発注しておいた。　
　

DCポンプドライバー 一先ず完成

PWMの出力まで完成していたDCポンプドライバー。

残るは　PWM出力を　普通のDC出力に変換する回路で　取り寄せていたインダクターが届いた。

もう少し大きなパーツだと思っていたけれども実物を見ると結構コンパクトなパーツだった。

基板のスペースが足りないかも知れない、と思っていたところでしたが　この大きさなら問題なく収まる。


今回も　いきなり基板に組んで上手くいかないと嫌なので　ブレッドボードで仮組みして　波形がどうなるかを確認してみたところ　意外にもあっさり思い通りの波形になったので　そのまま基板に組み込んだ。

↓これが元のPWM出力

↓そして　こちらがDC出力に変換したもの

よしよし　上手くできた！！

これで　とりあえず完成したけれども　なぜかトランジスタが結構、高温になっているので　もう少し大きなヒートシンクが必要になりそうだ。今回のローパスフィルターを組み込むまでは　殆どトランジスタが熱くなる事は無くてヒートシンクも無しでも良さそうな感じだったけれども　ローパスフィルターを組み込む事でトランジスタにとっては負担が大きくなるんだろうか？？


ま　この大きさのヒートシンクで触れない程熱くなる訳では無いので　大きめのヒートシンクに取り替えるだけで大丈夫だろうから　これで　かなり完成に近付いた、と言えるだろう。

まだ　実際にポンプを回してみて本当の完成となるけれども　目処は付いた。

今回のローパスフィルターは思ったほど難しいものではなく　意外にあっさりと完成してしまったけれども　これが難しいものじゃないなら　いっそAC正弦波インバーターもスイッチングで作ってみたいなぁ！！

　

DCポンプドライバー 100KHz達成

前回の改良で　なんとか80KHzまで周波数を上げる事ができたDCポンプドライバーを　なんとか100KHzまで上げられないか、と悪あがきしてみた。

マイコンを動かしてるタイマーが20MHzで　タイマーの割り込みが100KHzで入るので　割り込み１回で使えるカウントは　20000000/100000=200カウント

80KHz達成時のタイマー割り込み時に割り込みだけで使っていたカウントが137カウントだったけれども　メインループに回せる仕事をすべてメインループに回したところ　割り込みだけで使うカウントが37カウントまで減らす事ができた。

これで　100KHzが達成できるか？？

よしよし　100KHz達成！！


おそらく実際には　この高周波を使う事は無いだろうけれども　これでかなりローパスフィルターが作り易くなったはず！！


ローパスフィルターのインダクタがイギリス在庫だったので　到着に４～５日掛る予定だけれども　これも早くなったもんです。以前なら１週間ほど掛かった。

DCポンプドライバー改良

順調に仕上がってきているDCポンプドライバーの回路、この先は24Vで出力されるPWMをローパスフィルターを通して均して　普通のDC出力に変換する回路を組み込む事になる。

このローパスフィルターは　インダクタとコンデンサを使った俗に言うLCタイプにしようと思ってるところですが　実はこのPWMをDCに変換するのは　以前のACポンプインバーターの作成時に散々やってきた事ではあるものの　その時に扱ったのはたかだか5Vのマイコン出力だったので　どって事もなく簡単にフィルターする事ができたのですが　今回扱うのは　モーターを駆動する事ができる24Vの大きな電流なので勝手が違うし　実質、初体験になる。

そんなところで　ローパスフィルターについていろいろ調べたところ　均すPWMの周波数が高いほどフィルターし易いのか　使うインダクタやコンデンサが小さくて済むようなので　できるだけ高い周波数のPWMを出力するのが良さそうな感じがする。また　使うインダクタの設定などはっきりどの程度のインダクタを使えば良いかが分からないけれども　だからと言って多くの種類のインダクタを準備するのもどうかと思う。でも　このインダクタの値はPWMの周波数によって大きく変わるようなので　それならPWMに合わせてインダクタを決めるのではなくて　適当に選択したインダクタに合わせてPWMの周波数を調整するのも一つの手段かも知れない。

それを実現するには　できる限り広い範囲の周波数が出せるように作っておくと楽になる。

下は１KHzより下げるのはどうかと思うので　上をもっと上まで出せるようにできないか？

50KHzまで出力できるようになっていたけど　あともう一歩頑張ってみよう、と・・・・・


再度、プログラムコードと睨めっ子しながら　できるだけ早いスピードでプログラムが走れるように改良してみた。

結果は

これで　80KHz！！

100KHzには到達できなかったけれども　ここまで上げられれば満足です。



とりあえず回路シュミレーターで25KHzで結果が良かった10μHのインダクタを5つ注文してみた。

これで完成させる事ができるのか　どうか？？