2016-12-05 10:54 | カテゴリ:PIC応用回路

アナログの交流、特にコイルの動作は、奥が深いです。
デジタル道一本の私には、難しい世界です。

NCoil00.jpg


続きは、、、



以下の実験は、いい加減な条件で行いましたので、目安として考えてください。
コイルの巻き数も数えるのを忘れましたので(笑)


前回の実験で、Nゲージ用のPWMコントローラからコイルに給電し、それを別コイルで受けて、LEDを点灯させるところまでは上手くいきました。

NCoil001.jpg

WEBで調べていると、周波数が高いと同じコイルでも抵抗が大きいので、損失が大きいと考え、周波数を下げる事を考えました。
ちょうど手元に古いACアダプターがあり、その整流部分を外して、AC8V位を取り出せるようにしました。
怖いので、ちゃんとヒューズも入れました。

送電側コイルにつなげると、30秒ほどで、結構発熱します。
手で触れないくらいなので、一旦電源を切って、準備を整えたうえで、再度短時間で受電側のコイルもセットしてテストしました。

結果、LEDは全く光りません。
受電側では整流していないからかと思い、いったんLEDを外して、代わりに3KΩの抵抗をコイルの両端に付け、テスターで交流電圧を測ってみました。

結果、1Vも出ていませんでした。

なぜ??

そこで、オシロで抵抗を付けた受信コイルの両端の電圧を見てみました。
なんと1.5V程度しかありません。(交流波形のプラスマイナスで)

WEBで調べてみると、交流の周波数が高いほど、コイルの抵抗が上がるので、60Hz程度では、コイルとしての抵抗(インダクタンス)が低く、電流が流れて、発熱するみたいです。
なかなかむつかしいアナログ交流の世界です。

ドライブする周波数とコイルの巻き数などを調整して、検証する必要がありますので、とりあえず、モータードライブICを秋月さんへ注文しておきました。

一昨日、部品が到着。


今回の部品は、

* モータードライブ基盤(ICと端子付き)
* 放熱器
* シリコンセパレータ


(部品の写真全体)

NCoil全部品

(ドライブ回路基盤)
基板中央の小さなチップがモータードライブ用のICです。(小さい!)

NCoil基盤


です。
資料によると、結構発熱するので、放熱器も用意しました。
ショート防止のシリコンセパレータも。

構想としては、コイルのドライブが初めての経験なので、どれくらいの電圧や周波数で、二次コイルにどの程度の電圧や波形が誘導されるかを実験したいと思います。
そのためには、ドライブする周波数を、50Hz程度から数キロHzまで何種類か切り替えて、その都度二次コイルの状態をチェックしてデータを集めます。

じつは、この周波数を切り替えて、、、というところは、先日製作した、赤外線リモコンのボタン操作を利用すれば、簡単に切り替えて、データ収集が楽に行えそうです。

(赤外線リモコン装置の写真)
2内容


先に製作したプログラムのSWITCH文と、MAIN関数のWHILE繰り返し部分を少し変更しました。

という準備を経て、実験システムが完成しました。

(Coil03)
NCoil03.jpg



バー式LEDは、リモコンの動作を確認するための物です。

(Coil02)

NCoil02.jpg

コイルドライブは、この基板で。
端子と放熱器を付けました。
実際に周波数を切り替えて、そのコイルドライブ信号がでているか、ドライブ基板の両端に抵抗を付けて、その両端をオシロで観察してみました。
まだコイルは付けていません。

(Coil01)
NCoil01.jpg

リモコンのボタンで、あらかじめ設定した周波数に波形が切り替わる様にできました。
この実験モデルを使用して、データを取ってみました。

実験条件は、

電源は5V。
モータードライブ基盤で、プラス・マイナスを周期的に切り替えて、一次コイルに供給。
二次コイルを直上にセットして、その両端に抵抗を付け、波形と電圧を計測。
周波数を、500Hz、1K、5K、10K、50、100Kと切り替えます。


まずは、低めの周波数で。

(Coil07)
NCoil07.jpg

少し上げて、1KHzで。

(Coil05)
NCoil05.jpg

最高の、100KHzで

(Coil06)
NCoil06.jpg

次に、送信コイル、受信コイルを付けて、波形を観察してみました。
送信コイルのドライブ時の波形です。

(Coil08)
NCoil08.jpg

送信コイルのエナメル線の太さと巻き数を変えてみました。
受信コイルは以前のままで、細めのエナメル線で、巻き数は多めです。(変更せず)

(Coil09)
NCoil09.jpg

これは、送信コイルを接続したときの受信コイル両端の波形です。
コイルの逆起電力の波形が出ています。
細目の線で、巻き数は多いです。(以前の通り)


(Coil12)
NCoil12.jpg


こちらは、太い線で、巻き数は少な目にしました。
誘導される電圧もアップしています。

次に、周波数、も変えてみました。

(Coil11)
NCoil11.jpg

周波数が低い(500Hz)とLEDも暗くなります。

(Coil10)
NCoil10.jpg

同じ条件で、周波数を上げると(100KHz)
LEDは明るく点灯します。


同じく、送信コイルの巻き線を太く、巻き数を少なくしてみると、

(Coil13)
NCoil13.jpg

一番LEDが明るく点灯しました。


というわけで、荒っぽいテストでしたが、
周波数を100KHz程度にして、送信コイルに太めのエナメル線を巻き数は少な目で、良い結果(LEDが明るい)が得られると思われます。
それでも、送受信コイルの距離は、1cmていどで、それ以上離すと、すぐにLEDは暗くなります。

Yangminさんが紹介されている様な明るさと、コイル間距離を実現するには、かなり周波数を上げて、かつ、太線で巻き数は2-30回くらいでよさそうです。
しかし、今回のドライブ基板のドライブ用電源はMAX10Vですが、今回は5Vでテストしています。
10Vで行えばもっと明るく、かつ距離を離してもいける可能性が高いです。

まとめ

電磁石は、
電流の強さとコイルのまき数に比例します。
しかし、同じ太さなら、まき数を増やしても、その分抵抗が増えて、電流が減るので、、電磁石の強さを増す効果はありません。

1、コイル用電圧は、高く。(同じ抵抗なら、流れる電流が増える)
2、送信コイル線は、太く。(抵抗が減るので電流が多く流れる)
3、送信巻き線は少なく。(多いと、抵抗が増えて電流が少なくなる)
4、送信コイル周波数は、高く。

で行けそうです。



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