テスト後の自分への備忘録

　どうもさば根っこです。

　今回は自分への備忘録的な内容なので適当です。

　とりあえず４段式コイルガンにおける現在の問題点

①昇圧チョッパとゲート用電源の相互作用的な何か？

　ゲートドライブ用の電源がONになってるとなぜか充電されない。IGBTの順電圧分は充電されているらしいのでおそらくはIGBTがONになっている？でもゲート電圧は0Vだし、ゲート用電源ONと昇圧チョッパ稼働という条件が重ならないとそうはならない。何故。

②昇圧チョッパ、コイル電流監視できてなくね？

　今回の昇圧チョッパはぽんず氏の555をつかった昇圧チョッパを採用している。で、設計通りに動いたとき、音がするとすれば「ｷｭｲｲｲｨｨｨｲﾝ↑↑↑!!!｣て感じの音になるはずだが、「ｷｭｲｨ↓↓ｲｲｲｲｲｲｲｲｲ→→→｣的な感じになっている（適当）。そういえばメイン12V電源ラインに平滑用に電解コンデンサを入れてからそうなった。ただそのコンデンサを入れなかったら入れなかったでうまく動かない。なんでや。ブレッドボード上では動いたのに…。

③さすがに充電停止付けようぜ

　実験中は常に電圧計につないでいるので、別に充電停止回路は必須ではないけれど、まあ付けるべきだよね。ちなみになぜ付けていないのかというと、単純にスペースがないから。トロイダルコアの中心ににトランジスタを入れるのは流石にね（）。

④やっぱりコイルの接合部の精度、きつくね？

　まあこれに関しては設計段階からわかっていたので驚きはない。頑張って調整すればうまくいくので頑張るしかないが、一回一回発射ごとに調整するのは面倒。というか頑張ってセットしたコイルが発射とともに吹き飛ぶのはなんか悲しい。まあコイルをいろいろ試して最適なのが見つかったら一本のパイプに巻きなおすべきだろう。

⑤ワンショット回路周辺の接続端子のプラスマイナス間違えがち

　これはどうしようもない。覚えるべし。

⑥電圧計もっとほちい

　買いましょう。もしくは指先で電圧を監視する特殊能力を身に着けてもいいかもしれない（）。

　という感じです。

あまりにも華がないので実験風景（ただし汚い）

　主な問題点はやはり昇圧チョッパですね…。ブレッドボード上では完璧に動いていたのに基板に移してからうまく動かなくなるという…。どうせどっか配線間違ってるんだろうけど。まあ完全に新しく組みなおしてもいいのかもしれない。やらない気がするけど。組みなおすとしたらまたMOSFET買わないとなあ…。

　こんな記事書かなくても自分は覚えているんでしょうが、人目につくところに置いておかないと投げ出しそうなので。

完成？歓声？喚声？

　どうも、テストが近くて焦っているさばねっこです。

　（少なくとも僕の）高専では期末テストが終わったらそこから春休みなのでテストが近い＝春休みが近い、ということでもあるのですが…。

　で、コイルガンの進捗ですが、

ようやく基板かんせー pic.twitter.com/v3RkMJKZ5y

— さばねっこ (@sabanekko1) 2021年1月24日

 こんな感じでメイン基板が無事完成しました！

まあ動作テストとかほとんどしてないので動くかは知らん。というかすでに昇圧チョッパの調子が悪いっていう…。ブレッドボード上では動いたのになんでや。

　まあ基本的にはこれだけなのですが、記事を書き始めてしまったので回路の内容とか簡単に説明したいと思います。

取敢えず下から。

　左から、昇圧チョッパ、ワンショット回路、ゲート駆動用電源（秋月の昇圧できるやつ）という感じです。基本的に上にさらに基板を乗せる前提でできる限り背を低くしたかったのでコイルとかMOSFETとか倒してあります。

　ゲート駆動用電源に関しては

akizukidenshi.com

こういった両電源的なやつを使ってもよかったのですが、わざわざこれだけのために送料を支払うのは勿体なかったので棚から発掘した適当なやつを使いました。

　そして二階部分。

　こんな感じでターミナルブロックでIGBTだとかダイオードだとかを付けています。

　回路はこんな感じのわけわかんねーやつです。

大体の回路図

　で、部品を外すとこんな感じ。

　ゲートドライブ用のTLP250Hとかコイルとかコンデンサにつながるターミナルブロックとか信号入力用のピンヘッダとかがあります。（ブロックの色に特に意味はない）

　一番左の３ピンターミナルはメインコンデンサにつながるやつで、

偶々端子間の幅が同じなのでこんな感じでやろうと思えば直接ぶち込むこともできます。

　まあこれをやると入るケースがなさそうなので多分やりませんが…。

　そういえばPasSという配線図を描けるやつを導入しました。

ワンショット回路の配線図

　今回の基盤は基本このソフトで設計したのですが結構便利ですね。やはりはんだ付けする前にじっくり考えられるのは大きいです。部品の追加も比較的簡単にできるので積極的に使っていきたいところです。

　とまあそんな具合です。本当は動かしたいけど動かなかったときメンタル崩壊確定なのでテストが終わってからやろうと思います。それまで適当に待っていてくれるとありがたいです。

　（そういえば名前を「さば根っこ」→「さばねっこ」に変えました。特に理由はないです。このブログの名前は今まで通り「さばと根っこな製作記」のままです。）

取敢えず一段目動いた

　どうも冬休みの課題の存在を認めていないさば根っこです。冬休み短すぎですよね…。せめて3週間ぐらい、理想を言えば1年くらいほしいです…。

　さて、そんな短い冬休みを使ってコイルガンを作っていたわけですが…

完璧に思い通りに動いておる… pic.twitter.com/AnwPSLZ0Zl

— さば根っこ (@sabanekko1) 2021年1月3日

 こんな感じで無事動かすことができました！

　右がメイン、左がサージ回収用コンデンサの電圧で、ご覧のように発射後はサージが回収用コンデンサに回収できていることがわかります。

　元々のメインコンデンサ（2200μF）の電圧が153V、発射後が148Vなので、消費エネルギーが1.65J、サージ回収用コンデンサ（122μF）が50Vになったので0.15J回収できています。弾の運動エネルギーは計算していませんが、入力1J台でこれだったら割と満足です。もちろん本番は放電時間をいい感じに設定する上、四段式になるので今よりずっとつよつよになる予定です。

　本当は年が変わる前にここまで漕ぎつけたかったのですが、

昔壊したのも映っているやつ

こんな感じでIGBTが大量死。（死って書くと壊れたことがすぐわかるのでよくやる）

あまりにも死に過ぎなのでtwitterで質問したところ、ありがたいことにガチ勢の皆様から様々なアドバイスいただきました（本当にありがとうございます！）。そのアドバイスを参考に色々いじったところ、うまく動いてめでたしめでたし、というわけです。

　肝心の壊れた原因なのですが、正直なところよくわかっていません（おい）。原因が分かったというか解決策がわかったというだけなんですよね…。その解決策というのはゲートドライバにかける電圧を上げるというものすごく単純な話で、

こいつを使って17Vぐらいかけたら無事動きました。どうやら自分の使っていたTLP152という部品は電圧が電源電圧から若干下がるようで、それが原因でゲートにあまり電圧がかからなかったということなのかな？という解釈をしています。できればちゃんと解析したかったのですがオシロ持ってないのよ…。

　さて、今後の課題ですが、まず昇圧チョッパの充電停止がちゃんと動くようにしないといけません。

昇圧チョッパ（いろいろ汚すぎ）

こんな感じの昇圧チョッパを使っているのですが、なぜかうまく充電停止できません。オペアンプをコンパレータ代わりにして電圧を監視するという仕組みなのですが、なぜかうまく動かないんですよね…。まあ実験に支障はないので放置しているのですが、いつかはどうにかしないといけませんね…。

　そして二つ目がなんか全体的に不安定なのを解決しないといけないということです。めっちゃあやふやな課題なんですが、スイッチを押さなくても弾が発射されたり、押しても発射されなかったりととにかく不安定なんですよね…。なので何とかしないといけないわけです。それらの諸悪の根源がどこにあるのか、はっきりした答えはまだわかりませんが、いろいろ実験した結果、おそらくゲートドライバだと考えています。なのでゲートドライバをほかのフォトカプラに変えて試そうと思っています。

　まあそんな感じですね。学校が始まったら忙しくなるので完成がいつになるのかはわかりませんが優しい目で見守ってくれるとありがたいです。

あけおめことよろ的な

　どうもさば根っこです。

　2021、始まってしまいましたね…。去年は受験勉強しながら、今年はtwitter見ながらの年越しでめっちゃ変わったなあって思います（語彙力）。

　とりあえず今年の目標というか抱負ですが、

①今作ってるコイルガン完成させる

②電気科に転科する

③ロボコン頑張る

④箸の持ち方直す（）

⑤つよつよになる（いろんな意味で）

　こんなところですかね。

　まあ今年もよろしくお願いしますってところです。

ようやく製作開始

　前回の記事から少し間が空いてしまいましたね…。どうもさば根っこです。

　で、前回からの間何をやっていたかというと、秋月から部品が届くのを待っていたり、コイルを巻いたり回路を作ったり、まあいろいろやっていたのでまとめようと思います。

　まずコイルですが…

コイルたち

こんな感じです。右から4段目用全長40㎜0.6㎜線9層巻、3段目用全長40㎜0.6㎜線12層巻、2段目用全長40㎜0.4㎜線9層巻、1or2段目用全長30㎜0.4㎜12層巻で、ここには映っていませんが（下の写真の一番左）1段目用に全長20㎜0.4㎜線16層巻の物もあります。

「なんで二段目用と一段目用が二つずつあるんだよ」と思ったかもしれませんが、これらのコイルは

連結（下の棒は弾）

こんな感じで連結して使うようになっています。なので好きなようにコイルを組み替えられるわけですので、最適なコイルの組み合わせを見つけてやろうというわけです。一応材料はまだ余っているので気が向いたらもっとコイルは作るかもしれません。

　次はワンショット回路です。もともと555を使ってワンショット回路を組もうと思っていたのですが、74HC123という便利なICを見つけてしまったのでそれで組みました。

74HC123ワンショット

こんな感じです。上に乗っかっているのは通電時間調整用の半固定抵抗とコンデンサで、後から部品を交換できるようにして柔軟性を持たせました。まあ背が妙に高くてキモいんですがね…。

　入力や出力もピンヘッダを使って簡単に付け替えられるようにしました。

　そして動作させるとこんな感じです。

光センサー＋ワンショット回路、ヨシ！ pic.twitter.com/Y2mNVM47fE

— さば根っこ (@sabanekko1) 2020年12月27日

 まあいい感じですね。

　余談ですがこの時初めて両面スルーホール基盤を使ってみたのですがなかなか難しいですね…。重力で半田が裏面に行ってしまったりして無駄に半田を使ってしまいましたし、利点を生かそうにもそれなら普通にジャンパしたほうが頭使わなくていいじゃんっていう。

　とまあいい感じなのはここまでです。昇圧チョッパはなぜか充電停止がうまくできなかったり（回路は動作するが555の発振を止められない。トランジスタがうまく飽和していないだけかも）、メインコンデンサがまだ届いていなかったりするので発射実験に移れるのは年明けからかもしれないです…。

大体の回路設計

　どうも、古文のテストが無事死んでいたさば根っこです。

　ほかの自信なかった科目は思いのほかよかったので「古文も意外といけるんじゃね？」とか思っていたら死んでました。まあまだ中間テストだから…。

　さて、コイルガンの方ですが、全体の回路図をまとめたりしていました

　上の二つはIGBT駆動用のワンショット回路です。可変抵抗を調整することでON時間を変えられます。普通の555のワンショットではトリガースイッチを押した時間が出力に影響します（メーカーによって違うらしい）。なので、コンデンサで超適当微分回路的なことをしてトリガーのON時間に依存しないようにしています。

　左下のは昇圧チョッパです。ぽんずさんの555を使ったコイル電流を検知していい感じにスイッチングする回路をパク…参考にしました。なんとなく5番ピンにツェナーを入れて電源電圧に電流設定が影響しないようにしてみました。（実際うまく行ってるかはしらん）。少し前にtwitterに実験した動画をあげましたが大体うまくいってそうです。まあオシロ持ってないので実は思い通りに動いてなかったりするかも。あと充電停止もできます。

　そして右下が回生回路ですね。先週からまたまた設計変更してこうなりました。

回生回路

　一段目のサージはサージ回収1,2のコンデンサで回収。二段目はサージ回収2で回収。三段目はサージ回収1の電荷を消費して、サージ回収2で回収、四段目はサージ回収2の電荷を消費して、サージ回収3で回収。

　こんな具合でなかなか意味の分からないことをやっています。でもこれが2素子入りダイオードを効率よく使えて、電流を早く大量に流したい3,4段目はサージ回収コンデンサとメインコンデンサの直列駆動で大電流をすぐに流せていい感じなんですよね。

　そして四段目の回収は400Vコンデンサを使って素早く回収しています。順方向電圧とかの兼ね合いでFMX-32Sという2素子入りダイオードをメインで使っているのですが、耐圧が200Vと足りていないので、サージ回収3のコンデンサにはFMX-32SとER405を入れて電圧を分散しています。うまくいくかは知らんけど。

　とまあこんな感じです。

　書き終わってから思ったのですが、「さばと根っこな製作記」とか言う名前の割に何も作ってないですね…。本格的に作り出すのは冬休みに入ってからだと思うのでそれまで少し待ってください…。

追記

回生回路候補（サージ回収1、2はどちらも141uFと見てください）

　回生回路はこっちもありかなと思い始めました。詳しい説明はめんどいのでしませんが、こっちのほうがそれぞれのコイルに合った電流を流せそうです。でも4段目ONの際D2,1に初めから大電流が流れるという欠点があります。悩ましい…

さらに追記

　少し回路図を見返していたら思いついてしまった。先ほどの追記の回路図の効率的な動作と、記事本編の回路のダイオードへの負担が比較的少ないという点を両立できました。多分本番は問題点が見つからなければこれで行くと思います。

自作回生型コイルガン回路の解説

　前回の記事はメリットだとかデメリットをひたすら書く完全自己満記事だったので、簡単に回路の動作を説明していきます。

　とりあえず件の回路

回生回路

　この回路を説明していきます。

　まず、一段目MOSFET（Q1）がONになると次のようになります。

　（ここからの画像は上の画像と数値などが違いますが、上のものが正しいです。部品の名称なども上に従います）

Q1ON

　青矢印が電流です。

　まあこんな感じで一段目コイルに電流が流れます。

　そしてOFFにするとこうなります。

Q1Q2OFF

　一段目コイルにたまったエネルギーは隣のダイオード（D1）から外へ出て行き、サージ回収コンデンサ１にたまります。

　またD2があるおかげで回収した電流はコンデンサか二段目コイルに行くようになっているため、ただの還流ダイオードにはなりません。

　また、図に書いていあるように、二段目のコイルにも電流が流れてしまいますが、コイルのインダクタンスのおかげですぐには流れ始めません。

　そして2段目MOSFET（Q2）をONにするとこうなります。

Q2ON

　こんな感じでサージ回収コンデンサとD2から電流が流れます。初めはサージ回収コンデンサの電圧が高いため、メインコンデンサと直列につながったコンデンサとして電流が流れますが、電圧が下がってくるとD2からの供給に替わります。またD2はコンデンサの逆充電防止も兼ねているので、コンデンサが高圧で逆充電されることはありません。

　とまあこんな具合で動作します。コンデンサがあるのでMOSFET以外には高電圧はかからないし、回収したエネルギーもちゃんと再利用できるので最強ですね。

　いろいろシミュレーションした結果、サージ回収コンデンサは100uFでちょうどいいという結論が出ました。

　ところがそうはいきません。いや、いかないかも、という不確定的な話なのですが…。

　今までの話は全てコイルのインダクタンスが不変という仮定の下シミュレーションした結果です。しかし、コイルガンにおけるコイルのインダクタンスは常に変化しいます。弾となる鉄芯がコイルの中を移動するので当然ですね。はい、めんどくさいです。

　100uFと結論付けましたが実は全然足りなくて、D2を破壊しながらただの還流ダイオードになるかもしれませんし、コンデンサが爆発するかもしれないです。おおこわいこわい。

　しかし前回の記事でも書いたようにコンデンサが大きければ安心かというとそうでもなくて、コイルの電流回収に時間がかかり、効率が下がるかもしれないです。難しいですね。

　まあこの辺は完全に実験するしかないです。冬休み、頑張らねば…。