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パルスパワー発生装置の小型・軽量化
東谷大樹，須藤俊輔，佐竹輝，吉田康佑，秋山雅裕（一関工業高等専門学校）
・はじめに
・パルスパワー発生装置
パルスパワーとは、少ない電力で時間をかけて充電したエネルギーを一度に取り出して、瞬間的に巨大電力を得る技術である。現在、このパルスパワーを利用した応用研究が、農業や食品、医療分野など、様々な分野に広がっている。こうした背景を受けて、今後のパルスパワー発生装置には、装置の小型・軽量化、高機能化、操作の簡易化が求められている。本研究では、これらの要求に応えるために、USB通信を用いてパソコンからパルスパワーを制御するシステムの開発と、小型パルスパワー発生装置の研究開発を行なっている。
キノコへのパルス印加 水中ストリーマ状放電プラズマの様子
パルスパワー発生装置は、実際に負荷へ放電する「MPC回路」、MPC回路に充電する「充電器」、そして出力電圧等を決定する「FPGAコントローラ」から構成される。
・FPGAコントローラ
FPGAの電源回路
FPGAを使うためのDC3.3Vを出力する電源回路を設計した。
右図のAC-DCモジュールで
AC100VからDC±15Vに変換
している。さらにこのDC15Vを
入力として、下の三端子レギュ
レータを使用した回路で
DC3.3Vを出力している。抵抗
100Ωは発熱防止のため、コン
デンサ0.1uFは発信防止のために使用している。
これらにより、AC100VからDC3.3Vを安定して出力し、FPGAの電源として使用できる回路が作成できた。
本研究では、FPGAを用いたコントローラの研究開発を行った。パルスパワー発生装置の制御にFPGAを用いたことで回路の小型化に成功し、仕様変更のために回路を組み替える必要がなくなった。
USB通信システムは、制御プログラムによってUSB-IOの信号の長さを変えることに成功した。今後、USB-IOとFPGAを接続してPCとFPGAの通信が実現すれば、更なる操作の簡易化ができ、応用分野開拓の近道が期待できる。
・まとめ
FPGAコントローラ
MPC回路 充電器
AC100V
制御電圧
~10V トリガ信号
異常制御
充電電圧
~1.5kV
パルスパワー発生装置
放電
パルスパワー発生までの流れ
① FPGAの周波数の立ち上がりと同時に充電禁止信号をOFFにする。コントローラから制御電圧0~10V
が出力され、充電器がMPC回路に充電を開始する。
② 充電禁止信号が再びONし、充電器は充電を止める。
③ ②から50μsの保護時間を開けて、MPC回路にトリガ信号を入力する。MPC回路のサイリスタがターンオンして、パルスパワー出力。
パルスパワー発生までの信号例
・充電器とMPC回路
充電器 制御電圧0~10Vを受け
て、最大1.5kVをC0に
充電する。
正常に充電できなくなった
時に異常信号を返す。
MPC回路 トリガ信号を受けると、サイリスタがターンオンし、C0に充電された電圧がPT
によって昇圧されて、C1に印加される。C1が最大電圧になると、SI1が飽和し、
負荷へ放電する。
ファンが止まった時と、電圧が高くなりすぎた時に異常信号を返す。
FPGAコントローラは、パルスパワーの出力設定と異常信号を受けた時の
制御をFPGAで行っている。
FPGAの利点
・PICに比べて動作速度が速い
・低コストで開発環境が整う
・プログラムで回路を構成できる
ロジックICを用いたコントローラ
FPGAコントローラ
現在使用しているコントローラは、FPGAの電源として直流電源を使用している。又、パルスパワーの出力設定を変更するために、FPGAのプログラムを書き換える必要がある。そこで、FPGA
用の電源回路と、USBを用いた通信システムを開発した。
AC-DCモジュール
電源回路の回路図
特に、プログラムで回路を構成
できることで、ロジックICを用いた
回路に比べてコンパクトな回路に
できる。
USB通信システム
FPGAとPCの通信のために、USB-IOを使用する。USB-IOは、USBケーブルでPCと接続できる入出力基盤で、PCからの入力により12個のポートから0V又は5Vの信号を出力できる。制御プログラムは、出力電圧、周波数、パルス回数、繰り返しの有無を設定でき、値を選ぶとそれに対応して信号ONの長さを変える仕様になっている。例えば、繰り返し有で100ms、50%の電圧で200ms、周波数50ppsで250ms・・・と、各項目を順番に連続して信号を送る。
MPC回路の回路図
FPGAコントローラ
デジタル出力
USB
ケーブル
制御プログラム(PC)
USB-IO
FPGA
