TNKS ブログ

まだまだ知識はすくないですがよろしくお願いします

まだ受験さえしてませんが合格体験記をかいておきます。
こういうのは気分が大事なのです。
まず、使った参考書から。
物理は少し得意だったので、更に腕を磨くために数冊の参考書を使いました。どれも素晴らしかったのでおすすめです。
力学と熱力学は苦手だったので追加で参考書を読みました。
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どれも素晴らしい参考書で、更に成績が上がり、すべて読み終わったあとには偏差値は50を切らなくなりました。

次は化学ですが、こちらはあまり得意ではなかったので、短いものを何度も繰り返すと言う勉強法をとりました。
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使った参考書は写真の通りです。
これだけ読むと流石に模試の偏差値は45を切らなくなりました。

次は数学です。
使った参考書は次の写真なのですが、分野が片寄っていてあまり成績はあがらずでした。しかし、その分野の成績は上がり、偏差値は50を切らなくなりました。
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次は世界史ですが、次の数冊の本で世界の歴史はほとんど網羅できており、一度読むだけで偏差値は70を切らなくなりました。
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以上が使った参考書です。

勉強時間はあまり決めず、遊んでました。

こういうことをしてると落ちます。

コピペで記事を書いたつもりになってるなんて笑えるね。
今回も100年前に書いてた文章の供養です。
間違いがあれば指摘お願いします。
以下そのコピペ

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日本のテスラコイル製作者を見ていると非常に運任せの設計をしている人をちょくちょく見る。自分もそこまで詳しくないのであまり文句などは言えないが、少なくとも自分くらいの高校生にはそういう人が多く感じる。作成にあたって資料探しをする際に。簡単な回路図などは簡単に拾えるが、まともな資料が少ないため(探せばたくさん出てくるが初めて作る人が探し当てるには厳しいようである)、設計をするに当たって最初はある程度運任せの設計をしないといけないのは、自分もそうだったのでよく分かる。それに、素子が壊れるときはすぐ壊れるのだ、オシロで波形を観測する前に壊れることも多いのだろう。原因を突き止めるほうが難しい時が多いのである。こうなるともうカンジニア(エンジニアと勘をもじって勘ジニア)になり、勘でCスナバの容量を変えたり、素子をひたすら大きい物に取り替えたり、ゲートドライブトランスを巻き直したりすることが多い。そして、これまた運任せで動くことが多い。それに日本は地味にモジュールタイプのごついIGBTがそこら中にあふれている。設計をまともにしなくても動くことが多い。しかし、TO-247パッケージのIGBTを使用したり、印加電圧を耐圧ギリギリで使用したりする場合は話が違ってくる。動作中の二重共振半導体テスラコイル(以下DRSSTC)の素子のg-e波形、c-e波形をきちんと観測したことのある人間は案外多くないと感じる。

そこで、この部誌を手に取る人にとっては誰にも需要がなさそうであるが、出来る限り素子を壊さないDRSSTCの作成法を書こうと思う。自分もたいして電子回路に詳しいわけでもないし、そこら中にミスがあると思うが、自分は何台もテスラコイルを作っているが、この手法で素子の破壊を免れていることが多いのでそこそこ信用できるとは思っている。でも間違っていたらすいませんね。

 

1.     DRSSTCについて

DRSSTC2次側、1次側両方で共振させるタイプのテスラコイルである。SSTCとは比にならないほどの電力を扱うため、非常に素子の選定がシビアになる。

2.フィードバックに関して

DRSSTCにする場合に2次からフィードバックを取ると言うのは非常にリスクが高いというのはあまり知られていないが重要である。2次側の電流を検出し、そのタイミングでスイッチングしても1次側に共振回路があり、その共振回路の共振周波数が2次側とずれた場合はソフトスイッチングにならず、ハードスイッチングになってしまう。また、テスラコイルの2次側は放電により共振周波数が変動するのでまず双方の共振周波数を完全に一致させるというのは難しい。この場合、1次に莫大な電流が流れたままハードスイッチングを行うことになってしまうことになりかねない。TO-247パッケージのIGBTなら即死と考えて構わないだろう。

誤解されると困るので書いておくが、1次側が全く共振しない場合は2次からのフィードバックでソフトスイッチングが可能である。放電のサイズや、迫力を求めない場合は1次側で共振させず、2次の共振のみでテスラコイルを作ったほうが理想的かもしれない。 

3.位相補正回路の必要性

フィードバックをかけているからといって必ずしもソフトスイッチングになっていると思ってはいけない。

実際にはロジックICの遅延や、IGBTの立ち上がりなどでズレが生じる。それを解決するために位相をずらす回路をフィードバック部に付ける。この位相補正回路の位相のずらす量は電流波形をIGBTC-E波形をオシロスコープで確認しつつ、完全なソフトスイッチングになるように自分で調整できるようにしておくことが好ましい。通常のよくあるDRSSTCの場合は、位相補性が大きな影響を与える場面は少ないかもしれない。しかし、QCWDRSSTCのように数mSに渡るスイッチングをする場合や、300kHzを超えるなどの高周波での駆動、データシートでのIGBTの電流耐量以上流したい場合にはこれがとても重要になってくる。軽く熱の計算を行うとわかるのだが、DRSSTCのように高周波かつ大電流のスイッチングをIGBTに求める場合インタラプタで150μS程度にワンパルスを制限しているとはいえ、その150μSの間に数十度もダイの温度が上がってしまう。これはIGBTにとって致命的である。

また、完全なソフトスイッチングにすることで、C-E間電圧のリンギングを減らし、電流波形を高調波の少ない綺麗なサイン波にすることができ、テスラコイルからの電磁ノイズの帯域を狭めることが可能である。

4.組んだ回路のテスト

通常素子を潰すときはこのテストの時である。最初から2次コイルを繋いだ状態で動作させず、1次コイルのみで1次コイルの内部に金属の物体を誘導加熱の対象として置き、テスト動作をさせるのが好ましいだろう。

テストの際にはじめから最大電圧を印加すると壊れる場合はすぐに壊れてしまうので、スライダックなどで30~40V程にブリッジに印加する電圧を調整し、テストすると良い。この時にC-E間の電圧波形と1次電流波形を比べ、ソフトスイッチングになっているかを確認する。また、C-E間波形のオーバーシュートがどれほど発生しているか、最大電圧を書けた時に素子を壊すような電圧になっていないかを確認する必要がある。このオーバーシュートは、スナバの設計をきちんとし、出来る限り平滑コンデンサからの配線を短くすること、また、先ほど述べたように完全なソフトスイッチングにすることによって解決することができる。IGBTを壊す場合はこのC-E間に過電圧がかかっている場合が多い(と思う)IGBTは過電流にはかなり耐えれるが過電圧にはめっぽう弱いのである。

次に確認すべきはゲートドライバトランスの出力もといIGBTのゲート波形である。このゲート波形は特に暴れやすいため注意が必要だ。酷い時にはオーバーシュートが元の電圧の3倍を超えることがある。これだとIGBTは即死してしまう。

基本的にこれはゲート抵抗の調整とゲートの配線を出来るだけ短くすることで解決することができる。また、ゲートドライバトランスのリーケージインダクタンスを可能な限り小さくすることも重要だ。トロイダルコアを使うことが好ましい。

ゲート抵抗を調整する場合はあまりゲート抵抗を大きくし過ぎると立ち上がりが遅くなるのでそこは波形を見ながら調整するといいだろう。

 

以上のことを知っておけばかなりのIGBTの破壊を防げると思う。

実際にはまだ注意すべき点があるが自信がないところも多いので、今回はこれだけで満足してもらうことにする。
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とまあこのような内容でしたとさ。

勉強しろ!浪人生!

今日の記事も昔に書いた記事の供養。
たしか後輩に説明するときに作った文章。
これもミスがあればコメントくださいな。
ぺぺん。

1.スナバコンデンサとは

スナバコンデンサの設計について述べる。
まず簡単に説明する。バス電圧(入力電圧)を IGBT の耐電圧以下にしていても、IGBT がターンオン、ターンオフした際に、配線などのインダクタなどに残ったエネルギーによって IGBT の C-E 耐電圧を超える時がある。この事は、サージ電圧、オーバーシュート、リンギングなどと呼ばれる。
(用語は結構適当なものなので、この 3 つの呼び方に関して区別があるのかもしれないけど僕はあまり知らない。しいて言えばこういう IGBT のスイッチングとかの過電圧の時にはサージを使うことが多いと思う)
下にリンギングが大きい時の波形を示した。ターンオンの際に髭のように電圧が上がっている部分があるのが分かる。この電圧を消すためにスナバコンデンサをつける。
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そのスナバコンデンサは
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で計算できる。
ここで Cs はスナバコンデンサの容量、許容サージ電圧を Vt、電源電圧を Vb、平滑コンデンサからの配線のインダクタンスを Ls、I はターンオフ時の電流とした。ちなみに Vt の t は transient の t で、Vb の b は Bus Voltage の B で、Cs の sは Snubber の S 。

IGBT はスイッチング速度が速く、IGBT のターンオフ時などにはΔi(電流の増加)/Δt(時間)が高い。つまり時間あたりの電流の増加が非常に高くなる。このΔi/Δt のΔt を微小にした時には di/dt と表記される。di/dt が高くなれば、IGBTの配線のインダクタンスの両端にはよって L・di/dt の電圧が発生する。この L・di/dt によって過電圧が発生する。

2.テスラコイルの設計に対しての応用。
上に書いたように、実際テスラコイルではソフトスイッチング動作させるため、ターンオン時の電流やターンオフ時の電流はほぼゼロで、インダクタンスによるサージは小さく、理想的なソフトスイッチングができているのなら、理想的な電圧源を用意できているならスナバコンデンサはなくてもいい。
多くの人はテスラコイルのフルブリッジにつけるコンデンサを、通常のスナバコンデンサと同様にサージを抑える役割を積極的にしている思っているようで、IGBT が壊れたらスナバが悪いという理由で CRD スナバをつけたりしているのをよく見る。これは恐らく良い結果になることはないだろう。CRDスナバに変えて故障しなくなったDRSSTCがあるなら教えて欲しい。かなり少数例だろう。断言するのは少し怖いが、「DRSSTC」に C スナバ以外の構成のスナバコンデンサが必要になることはまずないだろう。DRSSTCが C-E 間のサージで壊れるようなことがあるなら、ゲート周りの設計が不完全、または回路の位相の遅れによって、綺麗にソフトスイッチングにできていないのが原因だ。位相補正をつけ、ゲート設計をきちんとすればサージで故障することはまずなくなる。
実際にはDRSSTCのフルブリッジには並列にコンデンサをつけている事が多いが、これはどちらかといえば平滑コンデンサとしての役割が大きい。電解コンデンサでは対応しきれない短パルス間での電圧降下を防いでいる。この電圧降下によって、波形がひどく乱れることがあるので、このコンデンサはほぼ必須である。
これらを平滑コンデンサの設計方法と共に説明する。

3.平滑コンデンサ

平滑コンデンサは電源回路などにおけるエネルギーを貯蓄する主な部分である。これは高負荷の電源などには必要不可欠で、この平滑コンデンサがなければ電圧降下などが起こり、回路全体の動作を不安定にする。
今回は一般的な平滑コンデンサに関する解説は除いて DRSSTC に注目して説明する。

4.テスラコイルにおける平滑コンデンサ

特に DRSSTC はインタラプタ動作をさせることで、短いパルスの間に商用電源では到底供給不可能な大電流を利用している。たとえば真紅では平均消費電流は 20A だけど、ブリッジでの電流ピークは 400A~1000A にまでなる。このような動作を可能にするため、DRSSTC のブリッジには並列に数百~数千μF のコンデンサをつける。このコンデンサの容量の設
計はそのテスラコイルがインタラプタのワンパルスで消費するエネルギー平滑コンデンサに貯めれるているエネルギーから引いて、インタラプタのワンパルスの終了後のコンデンサの電圧を計算してその電圧が無視できる程度に小さくなるようにしておけば完璧だ。Q=CV、J=CV^2/2 Q=It (Q:電荷 J:エネルギー t:時間)とか使って計算してくれたらいいんだけど、一応式を書いておくとまず、インタラプタ一回で消費するエネルギーをおおよそで計算すると
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で計算できる。Vb が電圧、Ip が電流のピーク電流、ONint はインタラプタの ON 時間です。
コンデンサに蓄えられるエネルギーは
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ここで C は容量で Vb はバス電圧。
この二つを使って電圧降下は
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となるから、この電圧降下が無視できるくらいに小さければいい。
次にスナバコンデンサについて説明する。平滑コンデンサの容量を上の計算式で出して電圧降下を小さくしても下図みたいにインタラプタより小さいワンパルス、つまり IGBT のスイッチング期間で電圧降下が起こったりする。
これは配線のインダクタンスとかの原因で、平滑コンデンサと IGBT の間の配線で起こる電圧降下が原因だ。これを防ぐために、IGBT から近いところに 5μF 程度のフィルムコンデンサをつけとくと良い。大電流を流せる奴が必要。
計算はさっきの式と同じようにしてくれればいいけど、たぶんさっきの式の通りやると少し大きめの値が出るかもしれない。まあこのコンデンサの容量は適当に決めてトライアルアンドエラーでキチンと波形を見ながら調整してくれればいいよ。(投げやりで申し訳ない。)

なんかファイル整理してきたら出てきたので供養程度に載せとく。
たぶん3年くらい前に書いたやつだと思う。
ミスあればコメントくださいな。
原理説明のあたりは超定性的説明だから間違いだらけだけどあまり気にしてはいけない。


1.
はじめに

今回はテスラコイル特にSSTCに関する簡単な説明をする。

テスラコイルは共振空芯トランスの名称で、一般的に二コラテスラによって発明されたものとそれを改良したものを指す。

テスラコイルは共振を用いて、疎結合トランスの間でも高い送電効率を実現しており、その技術は無線送電などに用いられている。(参考1)

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二コラテスラの発明した当時は、スパークギャップを用いて制御していた。そのテスラコイルはSpark Gap Tesla Coilを略してSGTCと呼ばれる。また、近年では、Steve wardらを中心として半導体を用いたテスラコイルが作られるようになった(参考2)。半導体を用いたテスラコイルはSolid State Tesla Coilを略してSSTCと呼ばれる。このSSTC1次コイルに共振回路を増設し、昇圧比を上げたものをDual Resonant Solid State Tesla Coilと呼び、略してDRSSTCと呼ばれる。今回はこの中でも特に利用頻度の高いSSTCDRSSTCに関して述べる。

左図にテスラコイルの概形を示した。

トロイドは容量をもつ金属体で、コンデンサの働きを持つ。

2テスラコイルの構成

1で示した二次コイル、1次コイル、トロイド、主回路の説明をする。

2.1 二次コイル

二次コイルはテスラコイルでも最も重要な役割を持っている。

主に塩ビパイプなどに0.11mm程度のエナメル線を数百から千回程度巻くことで作られる。

2.2 一次コイル

2次コイルに電磁誘導を用いて電力を送るためのコイルで、巻き数は約310。数十~数百Aの電流が流れるので太めの銅線や銅パイプを使っている。

 

2.3 トロイド

テスラコイルの2次側の共振回路のコンデンサに当たる部分。このサイズを調整することで2次側の共振周波数を調整することが可能である。

 

2.4 主回路

テスラコイルの回路は共振周波数を検出、追尾し、テスラコイルを強制的に共振状態にする機能をもつ。

そのための回路の説明を行う。

2.4.1 ハーフブリッジ
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上記の回路の
Q1Q2をそれぞれ共振周波数と一致するように交互にスイッチングすることでテスラコイルに共振電流を流している。制御回路ではテスラコイルの電流波形をフィードバックし、共振周波数を追尾している。

テスラコイルの1次コイルにつながる増幅部の回路は主に一般的な電源などに使われる回路と同じである。今回はハーフブリッジを取り上げたが、もちろんフルブリッジ回路なども用いることができる。

3はパワー素子(IGBTを用いている)C-E間の電圧波形と1次コイルの電流波形である。

正弦波が電流波形、矩形波がC-E間電流波形である。

電流のゼロ点とスイッチングのタイミングが同じになっており、スイッチング損失が低減されていることが分かる。このように通常テスラコイルでは共振を利用しているため、容易にソフトスイッチングが可能だ。
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2.4.2 制御回路

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今回は話の簡略化のため、必要最低限の回路を用いて制御回路の説明をする。

4の回路が図2の制御回路の内部回路である。アンテナ(ANT1)2次コイルの振動電流を検出するもので、テスラコイルの始動時に2次側にパルスをかけ、共振振動を発生させ、その周波数を検知している。また、SV1に電流トランスを取り付け、2次側の電流を検出する方法もあり、こちらが一般的である。検出された共振電流はシュミットトリガ付きのNANDによって反転と非反転に分けられる。この2信号をゲートドライブICMC4420Nを通して15Vに増幅している。SV3はゲートドライブトランス(GDT)に接続され、ハーフブリッジのゲートドライブに利用される。

また、テスラコイルは共振回路を利用していることもあり、数百~数千Aの電流が1次コイルに流れ、半導体素子に大きな負担がかかるので、その負担を軽減するために100200μSのパルス動作を1秒間に11000回断続的に繰り返す手法が一般的にとられ、そのパルス動作の周波数とパルス幅を制御し、そのための信号は一般的にインタラプタ信号と呼ばれる。今回の回路ではSV4-1に与える信号がそれである。この信号を制御することで、放電で演奏することなども可能だ。参考程度に波形を図5、図6に示す。それぞれインタラプタ信号と検出された共振周波数の信号、GDT出力電圧である。

今回、説明の簡単のために回路構成を簡単にしたが、ソフトスイッチングを実現し、過電流から素子を保護するためにはこれ以外にも多くの回路が必要であり、それらを追加する必要がある。

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3.テスラコイルの動作

ここではテスラコイルがどのようにして高圧を発生させているのかに関しての原理を説明する。

3.1 電磁誘導

テスラコイルは2巻き線のトランスであり、昇圧の一つとして、電磁誘導を利用する。テスラコイルはこれと同様に高い巻き線比を持ち、これによって昇圧を行っている。

ここで、密結合のトランスでは一次と二次巻き線の巻き数をN1N2とおき一次の印可電圧をV1V2とおくと、一般的に
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が成り立ち、巻き線比が電圧の比になることが知られていが、テスラコイルは1次コイルと2次コイルの共有する磁束が非常に低く、結合係数が0.3程度であり、単純にこの式は成り立たないことに注意しなければならない。疎結合トランスを用いる理由は共振回路の利用がある。また、結合を上げるために鉄心などを用いると、高電圧下での設計が困難になるが、空芯トランスを用いることでそのデメリットを回避することができることも大きな理由だ。

3.2 漏れインダクタンスを用いた共振回路

3.1では電磁誘導による昇圧をテスラコイルが用いていることを述べたが、テスラコイルの主な昇圧原理は共振回路によるものが大きい。共振中のLCR回路のインダクタやキャパシタの両端電圧は非常に高くなる。SSTCでは2次コイル側に共振回路があり、二次コイルの漏れインダクタンスとトロイドで並列共振回路が作られている。DRSSTCでは1次コイルと直列にコンデンサを入れ、二次コイルと同じ共振周波数を持たせることで、1次コイルの両端電圧を高め、昇圧比を稼いでいる。

7はテスラコイルの回路を非常に簡略化した際の動作のシミュレーションである。

V1は図中のLCR共振回路の共振周波数に設定された正弦波(1V)を出力している。出力電圧(R1の両端電圧)10kVという結果になっており、非常に高い昇圧比が得られている。

実際のテスラコイルでは分布定数回路やプラズマのインピーダンスを考慮しなくてはならず、実際には上図のような簡略化した回路図よりも複雑な動作をする為、設計が非常に困難になる。



ランプ波ランプVer.3を作りました。
今回はランプが放電する仕様です。
ちな、こんなん
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CNKSSQkUkAArpbMCNNwTiAUYAAhHUY
波形的なのです。どうでもいいです。
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人体アースできます。
ちなみに人に放電させると潰れる欠点がありました。(潰れました)
まだ修理してません。
NT京都までに修理する。多分すると思う。するんじゃないかな。まあちょっと覚悟はしておけ。[だれが?]

文化祭がありました。
3ヶ月位前です。
丁度前の記事もそれだったって?たぶん、見間違いです。

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以上です。

ちなみに僕のブログの昔の記事は信じないほうが良い。95割は嘘しか書いてない。
残りの5割はジワリ。

次回は新作テスラになるかもしれない。
受験とかは知らん。 

テスラコイルの動作動画だけあげとくね。



あとは動作中の温度だとか電流だとか
まあ電流自体は20A超えないようにコッチでDuty絞ってんだけど
たまにメーター振り切れたりするからね
 

ほとんど発熱ナシなので少し嬉しい。
地面より天井が近くて地面に向かって放電しないのが悔やまれる 
ちなみにぼくは動作中動けないので動画撮影は先輩にやってもらいました
おまけに写真も
Baidu IME_2014-9-28_23-40-27

テスラコイルの前にカメラを置いたときの写真 すごくかっこいい。


IMG_5502
これは長時間露光時の写真です。
撮影はほしたろさんです。 

文化祭ね
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