HF-SSTC～前段MOS-FETの選択ミス

前段のMOS-FET増幅部を作ってみたが、MOS-FETの選択でみごとに失敗してしまった。

先日買った東芝製の2SK2399で、回路を設計して確認したところ、MOS-FETが２周期に１回の割合でON/OFFを行っていた。

なぜ、こうなるのか分からなくてコイルの巻き数を変更してみたり、コンデンサを増やしたり減らしたりと、パラメータを変えてみたのだが、ほとんど変化が見られなかった。

おかしいなぁと思ってあれこれ調べていたら、このMOS-FETのターンオフ時間が、なんと195nsだったのだ。

4MHzの周期が250nsなので、完全にOFFとなる前に次のONに入ってしまう。

手本としている回路で使われているMOS-FET（IRF520）は、ターンオフ時間が32nsととても短いことが分かった。

E級動作させるためには、こういう要素も重要なポイントなんだということをひとつ勉強させてもらった。

左の画像、上がゲート～GND間電圧 ５V/DIV、真ん中がドレイン電流 500mA/DIV、下がドレイン～GND間電圧 50V/DIV。

下のドレイン電圧が１つおきに出ているので、実質2MHzで動かしているのと同じ状態。


実験中の回路図。

トロ活を読み進めて、MOS-FETの出力側の設計が少し理解できるようになってきたように思う。

MOS-FETのすぐ後ろに電源側に入れたコイルとMOS-FETの出力容量Cossとで共振回路を構成し、その次にコンデンサと空芯コイルでLマッチ（ローパス）を構成している。そして、カップリングコンデンサとトランスコイルでLマッチ（ハイパス）。

共振回路の入力側をインピーダンスR=∞とし、ハイパスの出力側をＲ＝5Ω。
出力側のインピーダンスは、出力を10WとしてP=(Vcc-Vsat)/2Rから求めた値。パワーアンプはこのような設計で良いらしい。

共振回路の共振周波数ｆ=4MHz、Q=5とした。Coss=190pFから、損失抵抗R=５９００Ω、RFC=8.33uHを算出。
ローパス回路は設計周波数を4MHz、Q=1としてLとCを算出。
ハイパスはL=5.5uH、Q=1で計算した結果、f=144kHzになっている。ここはDC成分を通さないことが目的なので、これで良しとした。

最後尾のトランスにはダミー負荷として、コンデンサ4200pFをつけた。これは、MOS-FET（IRFP460）のゲート容量Ciss と同じ値。

ちなみに、このIRFP460のターンオフ時間は、平均85ns、最大でも130nsなので問題なさそう。


最後にIRF520を購入することにした。

FETプローブについて調べてみた

HF-SSTCを作っていて、回路に影響を与えないプローブの必要性が出てきているので、アクティブプローブについて調べてみた。調べると言っても、市販品を買うつもりはなく、やはり自作する方向性である。

なかなか見つからないもので、国内では、わずかに２例を発見しただけ。視野を海外に広げれば、もっと出てきたのだけれど、評価などがよくわからないため敬遠。



①FRMS 用ハイインピーダンスFETプローブ

２SK125を使ったすごく簡単なプローブがここで紹介されていた。もともとはCQ誌2003年3月号に掲載されていた回路らしい。

この回路で問題になるのが、2SK125の入手だ。すでにディスコンなので入手が難しくなってきている。
これについては、TTT/hiroこと加藤さんのブログに詳しく解説されている。

現時点で入手したい場合は、サトー電気（1個167円税込）か、若松通商（1個157円税込）になると思う。
ちょっと高価かな。
あるいは、代替品のフェアチャイルド製J310なら、RSコンポーネンツから5個で240円＋送料＋消費税で入手可能。


②FETプローブでRFスペ・アナの測定範囲を拡大

2つ目のものは、EDN Japanの記事。こちらはOPA656というオペアンプを使ったもの。記事の内容を読んだだけだが、かなり高性能らしく、市販品と変わらないのではないかなと思った。


これらは、スペアナ用プローブとしても使えるようなので、機会があればぜひ作ってみたい。

HF-SSTC製作中

前回まで、CPLDを使って48MHzを4MHzに落とす発信器を作ろうとしていたけれど、手持ちのMAX2が調子が悪く、書込みができても動作してくれない。仕方なく、別な方法をとることにした。

手持ちに4MHzのクリスタルと74HC04APがあったので、これで発信器を作った。とても簡単に安定したものができた。

CPLDを使うのは、完成後でも良かったのだから、もっと早く気がつくべきだった。ついでに色々できるように作っておこうと考えたのがよくなかった。



波形は正弦波ではなく、矩形波に近いが、０Vから５Vまでしっかりと振幅しているので、MOS-FETを駆動するにはこちらのほうが都合がよい。

4MHzの発信器はこれでOKとして、次はバッファと１段目のMOS-FETアンプ部の製作。




バッファ部は、バイポーラトランジスタのコンプリメンタリーである2sc2120と2SA950Aでプッシュプル構成。このセットで約1Wまで出力可能。

MOS-FETは、手持ちのものを色々検討し、2SK2232を選定。定格が60V25A、Cissが970pFだから、少し負荷が大きいかな。計算すると、ゲート駆動エネルギーが69.8nJ、4MHzで動かすと0.559Wとなる。バッファの能力は超えていないので十分ドライブできそう。
ただ、お手本となる回路に使われているチップはIRF520で、Cissが460pFだからさらに軽いものを使っているようだ。

それで、秋葉原に近いものが無いか探したら、鈴商さんに2SK2399というのを見つけた。Vdssが100Vで、Idが5A、Cissが500pF。IRF520に比べると、ドレイン電流が10Aに対して５Aなので、少し貧弱かもしれないが、エンハンスメントモードというVthが0.8～2Vなので扱いやすそうだ。とりあえず実験用に数個買った。

バッファと1段目のMOS-FETの間にトロイダルコイルが入っている。通常は、ゲート抵抗をつないでMOS-FETを駆動するのだが、どういうことだろう？ということで実験してみた。

MOS-FETはつけずに、変わりにコンデンサを負荷として試してみる。

いろいろな巻き数で試した結果、フェライトコアFT-23の#61に、10：12でうまく同調するものができた。






画像の上がバッファの入力電圧で、下が負荷としてつけたコンデンサの電圧波形。







試しにコンデンサの容量を半分にしてみたら、やはり波形が乱れてしまった。この結果から、MOS-FET（のCiss）が変わったら、その都度調整が必要だということが分かる。

実際のMOS-FETをつけて、まずは、トロイダルコイルなしに直接駆動するようにしてみた。

はじめは、短時間だから大丈夫かなと放熱器なしだった。しかし、あっという間に熱を持ち始めてブレッドボードが溶け出したので、あわてて電源を落として放熱器をつけた。

MOS-FETの負荷として、本来なら2段目のMOS-FETがつくところに、コンデンサをつけた。


トロイダルコイルなしにしてみて分かったことは、容易に高調波で発信してしまうということだった。

画像の上が、ゲートの入力電圧。
真ん中が、ドレイン電流で500mA/DIV。
下がドレイン電圧で、10V/DIV。

約20MHzぐらいでリンギングしている。

ちなみに、ドレイン電流を測りたくて、トロイダルコイルでカレントトランスを作った。

FT-37の#43にAWG32で51回巻き。これに51オームの抵抗をつなぐと１A=１Vとなる。




ここまで作業を進めてきて、まるで無線機を作っているようなものだと思った。
それと同時に、オシロスコープのプローブをあてると、波形がいろいろと変化してしまって、正しい観測ができなくなるという問題が顕現化してきた。なんとかしたい。

自作CNCフライスの初切削

Xステージのレベルを出して、大雑把ながら、0.1㎜程度の範囲に収めた。

そのほか、ネジをもう一度増し締めなど行い、エンドミルを取り付けて切削に挑戦してみた。

厚みが2ミリのアクリル板に「９０５」という数字を0.5ミリの深さで彫ってみた。切削時の移動速度はF50。

スピンドルの回転数は1万回転強に設定。

はじめ、Z軸の高さ調節が良く分からなくて、動かしたとたんに、深い穴を彫り始めたのであわてて停止をかけた。

何度やっても目標よりも大きく下に動いてしまうので、ステップ実行にして、高さを手で調整しながらの初切削となってしまった。

出来上がったものの大きさを定規で測ったら、縦75ミリ×横96ミリだった。おや、製図は、縦50ミリ×横66ミリだったはず・・・１．５倍の大きさだ。

どうやら、ステッピングモーターのステップ数を間違えているようだった。

ステップモータ駆動基板の説明書に書いてある数値をそのまま鵜呑みにしていたのがまずかった。

これが原因でZ軸が１．５倍動きすぎて深い穴をあけていたんだということも分かった。

なにはともあれ、構想からちょうど１年かかって、やっとCNCフライスが動きました。

めでたしめでたし。

EMAモーターをつくることを考えてみた

もともとフリエネ装置を作るということが目的ではじめた研究だったのだが、基礎的な技術の習得や必要な機材をそろえることからはじめたので、かなり脱線していた。

そして、テスラコイルを作りだしてから、もう３年になる。そろそろ、軌道修正して、COP100%以上となる超高効率な装置を作る必要がある。

ずっと以前から抱いているテスラコイルを改造したもののイメージもさることながら、もう少し早く出来上がりそうなもので、結果を出すことが必要。いつまでも、プログラマー兼SEで働きながら、研究を続けるというわけには行かない。

そこで、数あるフリエネ装置のなかから、EMAモーターに着目してみた。

回転し続けるEMAモーター

テスラコイルで作ろうとしている最終型のものから比べると、扱うエネルギーレベルが低目で、既存のモーター技術の延長にあるものだから、早く結果を出すにはちょうど良いだろうと。

いろいろ調べていくと、このEMAモーターを作った「エドウィン・V・グレイ」さんは、最終的にチューブが特徴的な静止型のものを作っているようだったが、こちらの回路は良く分からない点が多くて、再現するのが難しそうに思えた。よって、ここは原点に戻るほうが手間なようでも早道だと。だから改めてEMAモーターに焦点をあててみた。

モーターの構造がちょっと変わっているように思えたが、基本回路というものがあって、それをよくよく見ると、コンデンサーと（モーターの）コイル、それとスパークギャップからなるもので、テスラコイルと同じであることが分かってきた。

私の個人的な見解だと、このスパークギャップに火花が飛ぶと、そのときに空間からエネルギーが流入してくるものだと考えている。そして、スパークさせるには、高い電圧にする必要がある。だから、EMAモーターは1000Vの高圧で動作するものと思われる。
ある本には、コイルに発生する逆起電力がポイントなんだと書かれていたが、私はそれよりもスパークギャップの方が効率が良いと思っている。

グレイさんは、なぜモーターにしたんだろうか。それは、スパークギャップをタイミングよく動作させるためではないか。モーターにつけておけば、回転するので、ギャップの間隔は周期的に決まってくる。それに大きなエネルギーで回転させたら、相当大きなトルクが得られるだろうから、発電機をつければよいとでも考えたのかもしれない。

ところで、このEMAモーターには、一つ特徴的なものとして、安全装置というものがある。コイルとコンデンサーにどんどんエネルギーが溜まっていくと、爆発などする恐れがあるので、放電用のギャップが別に存在する。しかし、この放電がポイントで、エネルギーを捨てるのではなく、回収するようにできていることがとても重要だと思う。

スパークギャップは通常、電圧が低いと電流が流れる回路が断ち切られた状態にある。しかし、電位が上がってくると、空気の絶縁が破壊されて、電流が流れる。これは回路のスイッチが入った状態と同じである。
だから、エネルギーが充満して、許容量を超えたらオーバーフローする。オーバーフローしたときが回収するタイミング。あふれ出たエネルギーを集めて、扱いやすい低電圧に変換すれば、いろんなものにつかえるようになる。

スイスのリンデン村のMLコンバーターも、ライデン瓶に集めた静電気を変換して一般家庭の電源と同じものにしているのであるから、要素技術としては同じだと思う。

しかし、この低圧への変換はどうやっているのだろうか？ここがすごく疑問。
この問題が解決すれば、実際の装置を組んでみようと思う。

CNCで文字を書いてみる

CNCで切削する前にペンをつけて文字を書いてみることにした。
Mach3の使い方もまだ分かっていないのに、いきなりエンドミルをつけて切削しようとしても無理だろうから。それで、やってみたら、案の定、色々と問題が出てきた。

まず、データを作る必要があるのだが、これはJWWや鍋CADといったフリーのCADソフトが使えた。

次にCAMソフト、すなわちGコードを生成プログラムが必要であるのだが、これがどれも高価なものが多かったり、無償のものも制約が多い。その中でもフリーのNCVCというものが合ったので使ってみることにした。

まず、使い慣れた鍋CADで文字を書いてDXF形式でデータを保存してみたが、駄目だった。鍋CADの有償版でないと、文字を作成できなかった。コメントやラベルではCADデータにはなっていなかった。
仕方なく、直線で文字を書いた。

この次に、NCVCを立ち上げて、DXF形式のデータを読み込ませてみたら、バグがあるのかエラーで落ちる。仕方なく、JWWを立ち上げてDXFを読み込ませて、JWC形式で保存。これをNCVCで読み込ませるという回避方法をとった。

NCVCでGコードを生成すると、綺麗な３D画像が表示されるようになる。

この状態で、拡張子ncdのファイルが作成される。

今度はMach3を立ち上げて、ncdファイルをGコードファイルとして読み込ませる。

さて、ここからが大変だった。

久しぶりに、CNCの電源を入れて動かしてみたのだが、ウンともスンとも言わない。変だなぁーとかなりの間悩んだあげく、I/Fボードの電源をつなぐ場所を間違えていたことに気がついた。正しい位置に電源をつないだら、問題なく動作。

次に、読み込ませたGコードを実行する。するとCNCが動き出す。しかし、原点位置が分からず適当に中心にしていたら、ステッピングモーターが回りすぎて端にぶつかってしまう。あわててストップボタンを押すこと数回。これでようやく、どこに原点を良いのかを突き止める。

次に、どうも描いている文字がおかしい。反転している。
これは、軸の移動方向が逆転していた。さんざんMach3を調べて、ようやく、Config⇒Homing/Limitから入りReverseにチェックを入れることで修正。

するとその直後から、動作がものすごく遅くなる。F1～F3ぐらいで動いている。何をやってみても駄目で速度の変更ができない。そのうち、切削形状が3Dで表示されていたものが、ねずみ色の背景だけになってしまった。
しばらく呆然としながら、WindowsXPをリブート。すると動きが元に戻っていた。

これでようやくペンで画像が書けるようになった。
いざ書かせてみると、X軸テーブルの水平が出ていないようで、右端ではペンが宙を浮いているが、左端ではペン先がつぶれそうになっている。

う～ん、なかなか色々問題があるものだ。
でも、切削までもう一息。

ALTERAのQuartusⅡでByteBlasterⅡが認識されない

QuartusⅡのバージョンを10.0にあげたところ、ByteBlasterⅡが認識されなくなってしまった。
FAQに、ドライバーをコマンドラインからインストールする方法が書いてあったので実行したけれど、症状は変わらなかった。

MAX２に書込みができないと困るので、ヴァージョンを以前使っていた9.1に下げたら、問題なく認識された。

以上、備忘録的に残しておく。

スピンドルを改造した

昨日、旋盤で作成したカップリングとスピンドル軸をつなぐためのジョイントパーツ
にねじ切りを行った。そして、イモネジで仮組みしてみた。

カップリング側のΦ4㎜の真ちゅう製の軸は、軸径が細いので1点止めにしたのだが、この軸の部分が微妙に傾いてしまった。これはどうしようもない。


CNCのZ軸ステージを取り外して、スピンドルとモーターの組み立てる。
この状態で、モーターの電源を入れて、回転させてみる。

先ほどの軸の傾きは、カップリングが吸収してくれていた。このカップリングは、市販のものだけあって、良い仕事をしてくれている。

これとは別の部分であるステッピングモーターのカップリングは、頑張って自作した訳だが、出来上がりのことを考えると、これにしておけば良かったかも、と思った。

モーターの取り付けはL字のアルミで、ゴム板を間に挟んで振動を吸収しようと試みた。けれど、あまり効果が無い様子。

回転数を上げると、やはり、どうしても振動が大きくなる。
でも、前作はプーリーでスピンドルの回転数が１／２になっていたのが、今回はモーター直結なので、回転数は十分稼げるから、モーターの騒音や振動を少なくするため少し控えめで回すこともできそうである。

左の画像はCNCにセッティングが完了したところ。

見た目もすっきりした感じで、回転計センサーもきちんと固定されていて安心感がある。

実は、今回こうした改造を行った理由のひとつに、スピンドルの回転方向にあった。以前のマウントだと、エンドミルの刃に対して逆回転になっていて、切削できなくなっていたのだ。これは明らかに設計ミス。だからどうしても改造する必要があったのだ。

中断していた試運転を再開して、早く初切削に挑戦してみたい。

旋盤作業

カップリングとスピンドルシャフトを接続するためのパーツを旋盤で作ることができた。

ようやくというか、まだというか、50～100/1000ミリ程度までしか精度が出せないので、多少ガタツキがある。

一日かかってこれだけが精一杯。もっと手早く作業ができるようにならないと。

このあと、このパーツに固定用のイモネジをつける必要がある。

真鍮棒を削るのに1760RPMぐらいで旋盤を回したが、すごい振動だった。きちんとした台に据え付けないと駄目かもしれない。

卓上旋盤で初切削

スピンドル改造のため、いよいよ旋盤をつかうことになった。

そのまえに、あちこち錆びがでていたので、オイルストーンでできる範囲の錆び落としをおこなった。

旋盤に四つ爪チャックを取り付けようとしたら、取り付け用ナットが不足していた。急いで近くのホームセンターまで行き、M6ナット３個を購入した。

チャックを取り付けて、Φ30アルミ丸棒を取り付けて、ダイアルゲージでセンターを出す。

旋盤のバイブルといわれる「ミニ旋盤を使いこなす」を読みながらの作業。今回の場合、旋盤の回転数は８０００÷３０×３＝８００回転がちょうど良いようである。

電源を入れて旋盤を回転させる。チャックのバランスが悪いのか、少し振動が大きいような感じがする。
恐る恐る、バイトをアルミ材に近づける。スルスルスルと滑らかに、細い渦巻状の糸のような切子が出てきた。

面取りなどで、慣れてきたら、次は穴ぐり作業。先にドリルで穴をあけておく必要があった。ドリルで穴をあけて、穴ぐり用バイトで慎重に掘っていく。

初めてにしては調子がいいなと思っていたのはつかの間、穴が少し大きくなりすぎて、スピンドルをあわせたらグラグラしている。これじゃあ駄目だ。

ほんの少しの微妙な加減にコツがいるようである。

HF-SSTCの製作

今年の4月に発見したHigh Frequency Solid State Tesla Coilをそろそろ作ってみようと思った。

CNC用スピンドルの改造で材料の発注をかけたが、すべて揃うまでに１週間ぐらいかかるだろうから、その空いた時間で少しずつ作ろうということ。こういう、八方美人的な作業は、生まれが双子座の私にはよくあること。

4月に発見した後、半年ぐらいの間に、似たものが２つほどWEB上で新たに見つかった。でも日本人はまだ作っていないのか、ネット公開していないだけなのか、見つからなかった。

今回は、前回のSSTC製作における失敗も生かし、できるだけ基本スペックは同じものを作るようにしようと思う。よって、周波数4MHzで動作するもので、出力段はパワーMOS-FET１石とする。要するに基本的に設計図をそのまま踏襲する。
まったく同じパーツを入手するのは困難なので、それらについては似たようなもので流用することになる。高周波の回路、特にコイルは手巻きだから、ほとんどカットアンドトライになると思われる。これは、仕方ないことというか、ノウハウなのかもしれない。

設計図を簡単に書き上げて、さっそく、信号発信源は、パルスジェネレーターをつかい、手持ち部品で増幅器の1段目を作ってみた。

ここで以前購入した「トロイダル・コア活用百科」が役に立つ。

手製のコイルは、トロイダルコア FB23#61に１：１、10回巻き。

信号を入れるときに気がついたが、この自作SGは最高周波数5MHzなのだが、クロックの関係上、4MHzが出力できなかった。仕方なく5MHzで動かす。画像のLCDには周期が2usecと表示されているが、これは表示のバグで実際には0.2usecである。

オシロスコープ波形の上がSGの出力で、下がコイルの負荷として、MOS-FETに見立てた、3300pFのセラミックコンデンサの波形。

途中にトランジスタのプッシュプルがあるが、ここでは利得が１。かつ、コイルも１：１の巻き数比だから、SGの出力である3.3Vがそのまま出ている。そして正弦波としてコンデンサのところに出ているので、まずます、うまく同調しているようだ。ただし、このまま3.3Vの振幅だと実際のMOS-FETを動作させることができるのか心配。少なくともこの２倍の6Vぐらいまで出ていないと、MOS-FETが完全にOn/Offできないように思う。
なお、SGの出力は、本来矩形波なのだが、負荷とのマッチングが取れていないせいか、立ち上がりが非常に悪く見える。

ここで、いくつかの問題が出てきたので、次回は、これらを解決する必要がある。

1. 4MHzの発信器が必要。
2. MOS-FETが安定動作するように、5V以上の振幅まで増幅させる。

スピンドル部の改造計画

ちょっと更新が遅れ気味なので、一気にアップすることにした。

CNCのスピンドルの剛性を高めようと考えた末、大幅な仕様変更することにした。

今までモーターとスピンドル軸とはプーリーとゴムベルトを介していたが、この方法をやめて、モーターとスピンドル軸を直接つなぐ方法に変更することにした。

軸のセンターをあわせるのはかなり難しいので、ちょっとした挑戦でもある。

まず、軸心をしっかりと出しておかないと、振動を抑えることができない。こういう場合は、取り付ける台の部分などはすべて旋盤を使って作ると芯が綺麗に揃う。しかし、スピンドルの保持ケースはすでにアルミパイプで出来上がっているので、これも作り直すとなると少々面倒。だから、スピンドルケースは基本的にそのまま使うことにした。その代わりに調整時点で、レーザー光を使って軸心を出す方法により正確さを確保することにした。

それから、スピンドルの軸径Φ20㎜とモーターの軸径Φ3.17㎜をつなぐカップリングが必要になってくる。しかし市販のカップリングでは、そのような径の違いは扱っていない。
それで、自作することを考えた。
アルミに切り込みを入れたカップリングが有名だが、これを作るためにはアルミ棒に切り込みを入れ必要がある。しかし機材がないため断念した。他のタイプのカップリングもいろいろと加工が複雑そうに見えた。
ここは、ネットでいろいろ調べてみたが、結局は、Monotaroで比較的安価なものが見つかったので軸径Φ3㎜の市販品を使うことにした。
その代わり、20㎜メス～3㎜オスの異型ジョイントを自作することにした。ここでいよいよ先日購入した旋盤の出番である。

以上で設計を終え、材料を手配した。