フルブリッジ駆動のDRSSTCを作ろうとして、次々に部品が壊れたため、途中であきらめたお話です。

DRSSTC製作日誌(9)

1次コイルを巻きなおして動作開始。
しかし、全然放電が弱い。

しばらくあれこれやっていると、IRS2110がやたらと発熱している。
「あぁ壊れたな」

新しいICに差し替えてスイッチON
しばらくすると、急にヴ~ンと唸り音が聞こえはじめた。
”やばい”予感がして、電源をOFFしようとしたその刹那・・・
パン!と回路基板上で何かがはじけた。2秒後、私の後ろの床に何かが落ちる音がした。

はじけとんだIRS2110
はじけとんだIRS2110
IRS2110のパッケージが破壊した。それにしてもこんな壊れ方するかね?

ICを逆に挿していたのだった。
おそろしい。

DRSSTC製作日誌(8)

今日はオリンピックのカーリング中継を楽しんでから1次コイルを巻いた。

2次コイル径115mmに対して1次コイル径180mm。
1次コイル高さ150mm。巻き数MAX8回巻き
材質はなまし銅管φ6

うーん。。。近すぎるし高すぎる。
多分1次コイルと2次コイルの中腹で放電するなこれは。

1次コイルの形はどんなのがいいのかよくわからない。
斜めに広がるように巻く人もいれば、平面巻きの人もいる。

初心者は近い方がいいと考える。
近すぎて放電した経験のある人は、なるべく離そうとする。

かっこいいデザインを考えたところで、巻くためのガイドが必要になる。
プラ版を削る程度ではすまない。木材とのこぎりでいろいろ面倒くさい。

規格物の塩ビパイプの径で巻くのが楽といえば楽。
失敗のつもりでやってみよう。

DRSSTC製作日誌(7)

一家惨殺
ゲートドライバIC IRS2110
IGBT IRG4PC40W
そしてFRD PS2010R

HVラインに電圧を印加して一発スイッチングを行うと電圧が0になりIGBTが一気に発熱します。
そのままHVの電源ラインがGNDにショートし、電流がドバドバ流れてスライダックがうなり声をあげます。
電源を切って冷ましてから電源を入れなおすと再び耐圧が保たれて、電圧が印加できます。

さて壊れた部品は何でしょうか?
正解はダイオードでした。

気づかなかったぁー
IGBTかFETかゲートドライバが悪いと思っていろいろ試した結果、多くの命を失ってしまった。
金額にして、軽く5千円は超えています。

しかし耐圧1000Vのダイオードがこの部分で絶縁破壊するかね。
違うとすると、フリーホイール電流量に耐えられなかったか。
もっと大きなダイオードを使えばよさそうです。

損害額は甚大ですが私は大丈夫です。
部品の故障モードは壊してみなければいつまで経っても覚えないのだから。

まさかこの部品が、この部分が、、、というのが多々あります。
それに気づくのに1ヶ月2ヶ月を要することも多々あります。
やるだけです。

DRSSTC製作日誌(6)

MOSFETドライバIRS2110がよく壊れる。

VccとCOMがショートし音もなく発熱する。
内部ブロック図を見る限りはIC内部のローサイド側のドライブ用FETが絶縁破壊されたものを思われる。

壊れるといえば、MOSFET IRF250N もよく壊れた。酸化膜の絶縁破壊。

なので、MOSFETより壊れにくいという、IGBTを買った。
IRG4PC40W(こりずにIRF製品)耐圧600V、パルス電流MAX160A、最大動作周波数150kHz
同じくTO247パッケージでそのまま置き換えられる。

いざ動作させてみると、どうにもぱっとしない。
全然放電のパワーが弱い。

しばらく試していると、またIRS2110が壊れた。
VLOに過電圧が戻ってしまっているのかな。
でもIGBTは壊れる気配なし。

一次コイル周辺の配線周り次第で大きく放電したり放電しなかったり、よくわからない現象が続く。
IGBTのドライブ回路はトランスで切り離したほうがよいのかな・・・

DRSSTC製作日誌(5)

回路図アップしました。
お気に入りのフルブリッジドライブICIRS2110を使った製作例があまりないので、参考になれば幸いです。

動作のポイントです

1.トリガ信号を作る。
インタラプタ動作をさせるということは、すなわちその都度共振フィードバック信号が消滅してしまいます。いくらインタラプタ信号でドライバICのイネーブルをON/OFFをしたところで動いてくれません。
そこで、シュミットトリガNAND回路4093を使います。
一次コイルのフィードバック回路にプルアップ抵抗をつけておき、動作休止中はHレベルになるようにしておきます。その状態でインタラプタの信号がL→Hとなると、ロジックが動き出すという仕組みです。

初期テスト中はフィードバックトランス(トロイダルコア)に電線をひと巻きして、9V電池をスパークさせてトリガとしていました。

2.共振周波数を合わせる
後日写真も載せますが、一次コイルは銅のパイプを用いています。
MMCコンデンサ0.22uFを2個並列にして0.44uFと一次コイル5,6回巻きで、二次コイルなしで駆動してみます。するとこのLC特有の周波数で振動が起こります。狙いは100kHzくらいです。
周波数を上げたければコイルの巻き数を下げたり、コンデンサの容量を小さくしたりします。

二次コイルにも構造特有の共振周波数があります。
こちらは、以前に作ったアンテナフィードバックのCW動作SSTCで動作させることで簡単に求まりました。測定手段がないという方は、アンテナで二次コイルからの電磁波をフィードバックさせる回路を増設すればよいかと思われます。

ちなみに二次コイルの仕様は以下のとおりです。
線径:0.2mm (AGW32)
コイル径:115mm
巻き数:約2500回
コイル自身での共振周波数は104kHz、トロイドを乗せると90kHzでした。
周波数が低すぎてもどうかなと思うので、もう少し巻き数を減らしてもよさそうな気がします。

周波数がマッチしてくればそれだけ二重共振が起こり大きな放電が期待できます。

今後の課題:
1次コイルと二次コイルの間でスパークしてしまう。
→一次コイルをもっと広げてみよう

大きなトロイドを乗せると放電しにくくなる。
→パワー不足。スライダック0.8A→5Aに変更。MOSFET→IGBTに変更。
などなど考えております。

DRSSTC製作日誌(4)

苦戦中です。

フルブリッジ回路までできました。
既存の二次コイルでテストランしてみましたが、周波数チューニングが上手くいきません。

以前作った既存の二次コイルはアンテナフィードバックのハーフブリッジ回路で400kHz程で動きました。
ということは、フルブリッジの1次コイル+タンクコンデンサの共振周波数も400kHzでないといけません。
これは現実的な周波数ではありませんね。

巻き数を増やして大きなトロイドを乗っけて、共振周波数が100kHz程の二次コイルを作ります。
ついで、1次コイルも調整して近い周波数に持って行きます。

しかし、1次コイルだけでもそれなりに共振して欲しいのですが、ぜんぜん振幅が小さいままです。
電源はDC100V 4400uFの電解コンデンサがついているのですが・・・
インタラプタのONタイムを変えていくと1MHzで共振したりします注意

いいのかわるいのか、何が間違っているのか・・・
手ごわいぜDRSSTC。
でもばっちり動くイメージははっきり見えている。
こういう時は結局上手くいく。心配無用だ。

DRSSTC製作日誌(3)

DRSSTC Interrupterを作りました。

テスラコイルを駆動するための制御信号を出力します。
・ON time: 0 – 600 us
・繰り返し周期: 0 – 50 ms
・バースト信号も出るよ
・9V電池で動きます。

この信号制御はテスラコイル本体から離れた場所で行うので、このようにケースに入れて、操作性良く作ります。
パンダ

DRSSTC製作日誌(2)


http://stevehv.4hv.org/drsstc_interrupter.htm
インタラプタ回路のシミュレーションを行いました。
LTSpiceを使いました。

ボリュームR1,R3でパルス幅をコントロールします。
程よいデューティー比でコントロールできそうです。

タイマICを2つ使うので、実際には2回路入りの556を使います。

この回路は電池で動かします。

DRSSTC製作日誌(1)  かなり間違った認識が書かれています。参考にしないでください。

そぞろ神の物につきて心をくるはせ、道祖神のまねきにあひて取る物手につかず。

DRSSTCはオーソドックスなSSTCよりも強力であるという。
これは作るしかないのであるが、いざ作るにあたっていかんせんわかりやすい日本語の資料が少ない。

GoogleでDRSSTCで検索したページを探ることから始めよう
http://stevehv.4hv.org/ あまりにも有名なスティーブ氏のサイト
http://www.drsstc.com/ リンク集
http://wiki.4hv.org/index.php/Dual_Resonant_Solid_State_Tesla_Coil
http://dry-room.net/ こちらは日本語
YouTubeでも多くのデモ動画がアップされている。

ポイントを書き出してみましょう。
http://wiki.4hv.org/index.php/Dual_Resonant_Solid_State_Tesla_Coil
詳細はここを読んでください。

1次コイルと直列にタンクコンデンサが挿入されている。
容量は100nF程度、耐圧2kV程度、メタライズドフィルムコンデンサ、アキシャル型
タンクコンデンサがあるので電流がDC的に流れることはありません。安全です。

1次コイルのLとタンクコンデンサのCでLC共振を起こして、MOSFETのスイッチングでは実現できない高周波で2次コイルを動かすというもの。

MOSFETのスイッチング周波数が下げられるのでFETの負担と損失が少なくて済む。
周波数が抑えられるので大容量のIGBTを使うのもあり。

ハーフブリッジでもフルブリッジでもよい。
フルブリッジの方が放電距離が長い。

電源は200V~350Vでやっている人もいるが、日本の商用電源を使う場合は100Vになります。
ブリッジダイオードを使って整流しDC100Vにしますが、全波整流するより半波整流した方が強力に動くだろうとのこと

FETのブリッジを構成するドライバにパルスを送ります。
ON時間50-300us、OFF時間2-20ms
とてもDuty比の低い信号です。
タイマIC555とボリュームなどでコントロール回路(インタラプタ回路)を作ります。

ON信号立ち上がりの突入電流を何十A流せるかが最初の勝負です。
この電流でLC共振が起こります。

次の勝負はON信号の立下りのタイミングです(50-300us)
LC共振と逆位相で電流を送り込むと共振が弱くなってしまいます。
理論計算は無意味です。ボリュームを回しながら最適なONのパルス幅を探します。

共振はやがて減衰します。
減衰したころ(2-20ms)に次のパルスを入れてやるわけです。
というわけで「MOSFETを何Hzで動かす」という話ではないわけです。

1次コイルと並列にコイルを数回巻いてフィードバックを取ることもできます。
はじめはコントローラでやろうと思います。
コントローラはコイル本体から離れたところから微調整したいものです。
バッテリー駆動にし、同軸ケーブル(or光ファイバ)でノイズを抑えてFETドライバまで信号を送ります。
Duty比を変えたり、バースト信号、1ショットの信号などを送るなど夢は膨らみます。

FET駆動方法について
先達の皆さんはハイサイドのFET駆動とアイソレーションをかねてGDT(Gate Driver Transformer)を使っていますが、パルストランス周りの配線の引き回しが生理的に好きではないので、実績のあるHalf-Bridge DriverIC IRS2110でがんばってみようと思います。

FETの選択について
200V耐圧(=Vds)でId>30A位は欲しいところです。
FETでもIGBTでも耐圧200V以上になると値段が跳ね上がります。
日本のAC100Vでやるなら、IRFP260あたりがいいかもしれません。

IGBTは使ったことがないため何も書けませんが、Idが200Aとか1000Aとかいう石もあるようなので、そのうちチャレンジしようかと思います。

そういえば先日オークションで落とした電源トランス 100V/200V/7Aを使えばより強力な放電が作れるかもしれません。

間違いなどありましたらコメント欄で追記お願いいたします。