CO2レーザー その03（高圧波形）

昨年末、突然、我が家に降臨したCO2レーザーカッターは、
この40Wの2013か2014モデルではなかろうかと思われます。
品番は、JL-3020S のようです。
JK-K3020が正解でした（2019.2.7追記）
電源修理してないのでタイトル変えました（2019.8.30）

AliExpress.com Product - 40w co2 3020 laser engraving machine,3020 laser cutting machine,engrave size 30*20cm support CorelDRAW output

昨年末、光軸調整に嵌っていましたが
電源の調子がおかしくなってきたので中断しています。
結局、年を跨いでしまい「その03（電源修理？）」になってしまいました(-_-;)
時々照射されるレーザーは、威力あるので、
レーザー管も高圧電源も死んでないはずなのです。

では、高圧電源のチェックを行っていくことにします。
この電源ユニットは、CO2レーザー管を接続していない無負荷では
壊れてしまうという情報を耳にしているので、
まずは、ブリーダ＆分圧抵抗器を作るために
家中を宝箱を探して高抵抗器を見つけてきました(^^)
上から
100K、1M、1M、10M、10M、10M、15M、22M、28MΩ
特に下の3つは、45年程前に真空管式テレビを分解した時の
貴重なコレクションです。
約半世紀の時を経て再雇用というわけであります^^;

全部、繋ぎ合わせました。
公称値では、９７.１MΩ
一番右の100KΩにかかる電圧は、約1/1000になります。
計算では、22KVが印加された場合、約23Vとなります。
電流は、約0.2mAでMax20mAの1%程ということになります。

各抵抗値と容量を秋月電子のLCRメーター DE-5000で測定します。
DE-5000のCalibrationを忘れていたのでOpenで1.0pFです。

分圧比を測定します。
電圧測定は、これのDC電圧レンジを使います。
一般に入力抵抗は、10MΩ程度なので、かなり影響します。

DC安定化電源を MAX：33.67V にして印加します。
マルチメータの入力抵抗の影響で、抵抗のみ分圧比から大きくズレます。
E1（R1とR2の接続部）測定電圧から、マルチメータの内部抵抗を逆算すると
RM≒10.14MΩ で、まっとうな入力抵抗になり一安心です。
同じ入力抵抗の計測器で測定すれば、各測定ポイントの分圧比は、
E8：1/1042、E7：1/103.9、E6：1/60.13 になります。
入力抵抗：107.67MΩの1042:1 の簡易高圧プローブになります(^^)

これに２２ＫＶを印加した時の各測定ポイントの電圧は
E9：21V、E8：212V、E7：366V までが利用できそうです。
それより上は、2KVを超えるのでマルチメーターが壊れます。
電流：0.2mA  Max20mAの1% です。
一応、ブリーダ抵抗の役目をしてくれるでしょう！
R1下：15KV、R2下：10KVにもなるので耐圧が心配ではあります。
むき出しでは危険なので

ちょっと大きめのプラモールを

ケース代りにします。
本当は、全部をシリコンで覆いたい所です。
少なくとも空中放電は起こらないハズですが．．．
まあ、測定の時だけなので役目を果たしてくれるでしょう。
常時印加するなら、PSEの基準に遵守した沿面距離にするべきでしょう。

100KΩ 1/8Wでは、線径が細くて不安なので
1/2W品に変えてPCBの欠片に半田付けしました。
上記の電圧もこれで測定しています。

高圧ケーブル 30KVDC AWG22の二重絶縁線を使います。

ホットメルトで各抵抗器をモールに固定します。

シリコンゴムを出してきて

約5KV以上（R1～R4の所）までシリコンゴムで充填します。
本当は、微小な穴でもダメなので低圧容器に入れて泡抜きすべきでしょうが．．．
そのまま2～3日放置して乾燥させます。

モールの蓋を被せて、ひとまず完成です。

測定ポイントE7、E6は、200V以上で触れると感電するので
指が入らない程度の穴を開けています。

黒丸部：GND
緑丸部：E9：1/60.13
橙丸部：E8：1/103.9
赤丸部：E7：1/1042

ちょっと横道にそれて、一応、AliExpressで高抵抗を探してみます。
なかなかヒットせずやっと見つけました。
忘備録としてここにリンクを残しておきます。

100MΩ 10W US$ 8.53／個 高！
金属皮膜だろうから隣り合う被膜の間隔で耐圧が制限されるハズです。
本体 Φ9 x 101mmで「High Voltage」仕様ですが、耐電圧の記載なしです。
20～30MΩが欲しいのですが

AliExpress.com Product - 5% Tolerance 10W 100M Ohm High Voltage Resistor Red

100MΩの下は、5W 10MΩしか見つかりません。
本体 50mm、これも耐電圧の記載なしです。US$ 7.78／個

AliExpress.com Product - 5W 10M Ohm 2% High Voltage Glass Glaze Film Resistor

何と！ 1GΩ（1000MΩ）が！初めてみました。
US$ 6.85／個、1000V印加しても1μA、何に使うんだろう？
表面の絶縁抵抗すら影響してくるし、何か化学系の装置用なのかな？

AliExpress.com Product - 5W 1G Ohm 1% Tolerance Red Glaze High Voltage Resistor

後は、この短いタイプしか見つかりませんでした。
3W 10MΩ 200pcs（送料込みで US$ 9.57）
本体：17.5mm
耐圧が、Maximum Working：500V、Maximum Overload：1000Vです。
500Vだと0.05mAということになります。
500Vで0.2mA流すと、2.5MΩとなるので、
100MΩにするには、耐圧を考えると、2.4MΩを40個数珠繋ぎかあ～
或いは、Overload 1000V使用で、5.1MΩを20個数珠繋ぎかな。

AliExpress.com Product - MOF 3W 5% 0.1-0.91R 1R-10M Metal Oxide Film Resistor x 200PCS

5W 10MΩ 100pcs（送料込みで US$ 11.37）もありますが
耐圧は同じ、Working：500V、Overload：1000V、本体：24.5mm です。

AliExpress.com Product - MOF 5W 5% 0.1-0.91R 1R-10M Metal Oxide Film Resistor x 100PCS

アフィリンクでは、ないのでリンク切れるかもですが、同じタイプでは、
ここの3W 100pcs（10MΩ 送料無料 US$ 4.27）

或いは、こっちの5W 10pcs（10MΩ 送料無料 US$ 1.75）
耐圧を無視すれば、これがお手頃だが．．．
今度必要になった時は、これか上の3Wにしようかな。

さ～て、正月も開けて、シリコンゴムも乾いただろうので
ブリーダ＆高圧プローブを接続します。

高圧側を接続してシリコンチューブ（ちょっと短いかな～）を被せます。

DCかパルスかわからないので、携帯オシロDS203で波形を見ることにします。
DS203のプローブの入力抵抗をザクッとマルチメータで見ます。
探しても仕様が見つからないのです。
DC203の電源入れて、Probe x10、9.91MΩ
まあ、10MΩに近いのでいいでしょう。

一応、Probe x1では、0.98MΩ

自作高圧プローブの測定端子（100KΩの両端）に
DS203のProbe x10を繋いで、約1000:1で
レーザー管に印加されている高電圧波形を見ていきます。

レーザー管の水冷ポンプを忘れないようにON！
出力 1%でTESTして、DS203の波形が僅かに振れるのを確認して
出力 20%で！
これは、レーザー出ても発射口前の板は焦げないパワーです。

TESTボタンをちょんと押しました。
GNDがちょっとズレていますが
DC 2V/DIV、100msec/DIV、約８Vでています。
自作高圧プローブは、約1000:1なので、約８KV ということになります。
立ち下がりが遅いのは、高圧出力のコンデンサとの時定数だと思われます。
FBT出力そのものは、数十KHzのパルスでしょうが、
整流＋最小限のコンデンサでDCにしているハズです。
Peakの80～90%以上でレーザーが出てると思われるので
この立ち下がりは、さほど問題ないと思います。

2000V/DIV、10msec/DIV

2000V/DIV、1msec/DIV
立上時間：2msecというところです。
1次CR LPFの「fc：カットオフ周波数」と「tr：10%～90%の立上時間」には
fc[Hz]＝0.35 ÷ tr[sec] の関係があります。
fc：1MHzだと、tr：0.35μsec になるというわけです。
2msecでは、カットオフ周波数：175Hzとなります。
自作高圧プローブのカットオフ周波数は、数KHzはあるかと思うので
これは、たぶん、高圧電源そのものの応答速度ではないかと思われます。
175 cycle/sec x 60sec = 10500 cycleなので、1000mm/minの場合は、
約10dot/mm間隔でON/OFFできるということになると思います。

続いて、出力５０％！
どういうわけか、今日は、安定してレーザーがでて
発射口の前の板が一瞬で焦げます。

5V/DIV、10msec/DIV
TESTボタンをすばやく押して
Peak：15V、Flat部：11V で1000:1 高圧プローブ付きなので
Peak：１５KV、Flat部：１１KV です。

5000V/DIV、5msec/DIV

5000V/DIV、1msec/DIV

出力 99.9%～10%まで波形を見てみます。

ほぼ100％の出力Max99.9%

レンジは、5000V/DIV  2msec/DIVで通します。
Peak：15KV  Flat：11KV

出力：９０％

変な波形がでました。
放電開始に手こずった場合なのかも？

やり直すと

Peak：15KV、Flat：11KV、100%とほとんど同じです。

出力：８０％

出力 100%、90%と見分けつかない感じ

出力：７０％

変化しませんね～

出力：６０％

変化なしです。

出力：５０％

これも変化なし
Flat部も2DIVのラインより微妙に上の状態が続いています。
たぶん、電圧一定で定電流回路になっているのだと思われます。
20mA辺りまで電圧がほとんど変化しない、なかなかの高圧電源です。
逆に感電すると致死量の電流を流せるので、とても怖い電源です。

出力：４０％

波形が大きく変わり
Peakがなくなりました。
が、Flat部が、11KVから15KV辺りに上がって暴れています。

出力：３０％
マゼンタのプラズマが見えるのでレーザー出ていると思うのですが
集束させてないので、板は焦げず、わかりません。
もはやレーザー出てないかも？

Peakがないままですが
Flat部が下がり12～13KVで暴れています。

出力：２０％
部屋を暗くすると陰極部にだけマゼンタのプラズマは見えてます。

Peak：8KV、Flat：7KVって所、暴れもなくなりました。

出力：１０％

Peak：なし、3KV位のFlatです。
この時、レーザー管に電流が流れているのかは、わかりません。
プラズマ出てないようです。

CO2レーザー管の特性を調べると、ここにこんな表がありました。

一般的なレーザー管の特性だそうです。
マーティーのは、Φ50、700mmなので
・Ignition Voltage：14～15KV
・Operating Voltage：10～10.5KV
先の99.9%～50%までを測定した結果の
Peak：15KV、Flat：11KV とほぼ一致しています！
自作高圧プローブも正しく動作してくれてたということかな(^^)
”Ignition”！、レーザーでも”点火”と訳していいのだろうか？
その内、車用語からは、消えるのかな～

バラスト抵抗：100KΩの両端にProbe x10で電流波形を見てみます。
上側がレーザー管の陰極から、下側は、GNDです。

出力：２０％

100V/DIV（1mA/DIV）、200μsec/DIV
ジィ～っと音がしています。
Peak 700V以上！ 7mA以上流れていることになります。
予想より遥かに高いです。
この後、CH1の5V以下のレンジで何も出なくなりました(T_T)
10Vレンジは生きてるので、レンジ切替のAnalog SWが死んだみたいです。
DS203の最大入力80V、x10 Probeで800V、ウカツでした(-_-;)

と、丁度いい所に電流計が届きました！
Full Scale 20mA US$ 3.10 のをポチっていて

AliExpress.com Product - 85C1-mA DC White Plastic Shell Analog Panel AMP Meter Ammeter 1mA 2mA 3mA 5mA 10mA 20mA 30mA 50mA 100mA 200mA 300mA

電流確認用の抵抗：1KΩと電流計：20mA品を
レーザー管のGND側に追加します。
電流計の内部抵抗は、4.0Ωなので、20mAで電圧降下80mVです。

出力 20%でTESTボタンを押すと

2mAですね～
Max 20mAだとすると20%では、4mAになる筈なんですが．．．
上の方のレーザー管特性の表では、Starter Current：3～4mA
2mAじゃレーザー出てないっぽいですね～

陰極（レーザー発射口）側に薄っすらとマゼンタのプラズマが見えます。

50%でTESTボタンを押した瞬間の電流計の振れ！
シャッターのタイミングずれで4mAになっていますが、
目視では、5mA近くまで振れました。
ということは、Max：10mA程のようです。
先のレーザー管の仕様では、15～18mAなのになあ～

で、1KΩの両端の電流波形。
10V/DIV（10mA/DIV） 1msec/DIV
さっきと同様、Peak 7mAほどあります。
プラズマ電流はパルス状なのか～
まあ放電現象ですからね～ 物性の世界は、よ～わかりません。

周波数は、一定ではなく、180μsec～270μsecで変動しています。

出力：50%！
確実にレーザーがでて、一瞬で板が焦げる電流です。

10V/DIV（1mA/DIV）、10msec/DIV
4～6Vで波打っているので、平均5Vの5mA
先の電流計の表示値とほぼ合います。

5msec/DIV

2msec/DIV
先頭にプラズマ放電開始のヒゲが見えてきます。

1msec/DIV

500μsec/DIV
毎回、TESTボタン押下でオシロのトリガかけるので同じ波形ではありません。

200μsec/DIV
この最初のヒゲ部分が、Ignitionしている所なのでしょう。
その後ろは、盛り上がって平坦になっています。

100μsec/DIV
Peak部の電流：18mAにもなっています。
バラスト抵抗100KΩの電圧降下：1.8KVにもなります。

ちょっと繰り返していると、
たまたまレーザーがでなかった時の波形が撮れました！
プラズマ放電のマゼンタ色も、とても薄いのです。
波形の後ろの方も電流が流れず0Vが続いています。
うまくIgnition（放電開始）できてないのだと思われます。
この時だけ電源からジ～っと音がします。

これは、レーザー照射された時
1mA/DIV、1msec/DIV
Ignition動作の後のFlat部では、5～6mAが安定して流れています。
蛍光灯みたいに何か放電起動回路みたいなのがあるのだろうか？

そして、こんなピーク！ Peak：40mAってのもでました！
10V/DIV（10mA/DIV）、100μsec/DIV
その後の山は、10mA、間隔は、約10μsec（10KHz）
100KΩのバラスト抵抗の電圧降下は、Peak部：4KV、その後：1KV
これは、いかんですね～
うまくIgnitionできなかった原因は、これのようです。
バラスト抵抗は、最大10KΩ辺りにしておいた方がよさそうです。

では、100KΩのバラスト抵抗を取ってみます。
電流測定用のバラスト抵抗：1KΩと電流計だけです。
電流計：20mAの内部抵抗は、4.0Ωです。

出力：50%

これは、自作高圧プローブの電圧波形、5000V/DIV、10msec/DIV
Peakの幅も電圧も大きくなっています。

バラスト抵抗：100KΩでは、これでした。

5000V/DIV、5msec/DIV（バラスト抵抗：1KΩ）

5000V/DIV、1msec/DIV（バラスト抵抗：1KΩ）

電流波形は、10mA/DIV、1msec/DIV
Peak電流の様相が全く違います。
70mA超えています。
レーザーが出始めると結構平らなんですね～

10mA/DIV、100μsec/DIV
すごい、こんなに変わるとは！

先のバラスト抵抗100KΩでは、同じレンジでこの波形です。
10mA/DIV、100μsec/DIV
50%でもレーザーの出が不安定だったのは、
バラスト抵抗が大き過ぎが原因に間違いなさそうです。
レーザーが出ない時にジ～っと音がしていたのは、高圧のリークではなく
電源が間欠発振状態になりトランスが鳴いてる音だったようです。

更にトリガレベルを上げていくと、

レンジも 20mA/DIV、Peak：130mA超えです。
Peakが大きい時は、間隔が広くなっているようです。

横軸拡大、20mA/DIV、10μsec/DIV

レンジ上げて、50mA/DIV、5μsec/DIV
更にでかいのを捉えました。
230mA！
これで1KΩの電圧降下は、230Vということになります。

50mA/DIV、1μsec/DIV

調子に乗って、50mA/DIV、0.2μsec/DIV まで横軸拡大！
リンギングは全く見当たりません。
昔～し、高圧電源のFBT（Fly Back Trans）には、
A「寄生容量が大きい平巻き」、B「寄生容量が小さい積層巻き」があって
Aは、リンギングがとても多く発生していたのです。
たぶん、バラスト抵抗の役目は、そのリンギングを軽減する為なのかも。
この電源ユニットは、リンギングがないようなので、
バラスト抵抗は必要ないのではないかと思われます。
元々、バラスト抵抗がついていた形跡がないのです。
他に考えられるのは、EMC（不要輻射）低減かな～
近くの回路（メインボードや操作パネルボード）やラジオとかに
ノイズが乗る可能性もあります。
安定してIgnitionする範囲でバラスト抵抗をつければ
Ignitionノイズやプラズマ放電ノイズを低減できるハズです。
まあ、金属筐体に入っているので、それでかなり防げているとは思いますが。

ということで、バラスト抵抗無しというのも、あまり気持ちよくないので、
電流測定にも使った、手持ちの唯一のホーロー抵抗 10W 1KΩにしておきます！
瞬間的とはいえ、1KΩで200mAでは、200V／40Wにもなりますが、
10Wのホーローであれば大丈夫でしょう！
これも約半世紀前のコレクション^^;

ついでに、出力：20%

5000V/DIV、10msec/DIV（バラスト抵抗：1KΩ）

バラスト抵抗：100KΩでは、これでした。
2000V/DIV、10msec/DIV、縦軸レンジが違うが、ほぼ同じかな？

5000V/DIV、5msec/DIV（バラスト抵抗：1KΩ）

5000V/DIV、1msec/DIV（バラスト抵抗：1KΩ）

電流波形、10mA/DIV、1msec/DIV

10mA/DIV、100μsec/DIV

10mA/DIV、10μsec/DIV
Peak 40mA

50mA/DIV、0.1μsec/DIV
Peak 70mAを記録しました。

出力：30%

50mA/DIV、1msec/DIV
Peak 130mA
この時は、レーザーが出ているのではないかと思われます。
弱いレーザーでてるか、どうやったら確認できるんだろう？

見るの忘れるとこでした、コントロール信号も見ておきます。
「その01」で調べた時は、これでした。
特に電流を決めている［IN］端子がDCなのかパルスなのか気になります。

電源ユニットのこのコネクタから

操作パネルボードに繋がっています。
上から［K－］［K＋］［5V］［IN］［GND］

まずは、［K－］端子
この線は、電源ユニット側で切断されてるのが正常な仕様です。
DC5V固定かと思っていたら
TESTボタンを押した時だけ「LOW」になっていました。

［K＋］端子
これは、レーザーON/OFF制御信号のハズです。

［K＋］端子
TESTボタンを押した時だけ「LOW」になります。
つまり、LOW：ON  HIGH：OFFのTTL信号です。
やっと［K－］が切られているのがわかりました。
［K－］は、［K＋］と逆の論理なのに同じ波形がでているからですね！

右の［Laser power］ボタンで有効／無効を切り替えでき、
無効状態では、％表示がDOTだけになります。
この無効状態では、次の［IN］端子だけ、波形が出なくなります。
［K＋］［K－］端子は、変化せず、TESTボタンでLOWになります。

［5V］端子

もちろん、5V

［IN］端子
レーザー電流を決める電圧がでています。

５０％で見てみます。

DCではなく、TTLレベルのPWM波でした！

1V/DIV、50μsec/DIV
TESTボタンを押さなくても、PWM波はでたままです。

10μsec/DIV
DUTYも周期も均一ではないです。ちょっと気になります。
30～36μsec周期：28K～33KHz
DUTYも50%強です。
正確な周波数の必要はないので簡易的なCR発振回路なのでしょう。
確かどこかに20KHz以上と書かれていた記憶があります。
GRBLにする時は、ソース変更してDefaultの周波数から変える必要があります。

Maxの９９．９％

35～36μsec周期かな

電流：10%

34～37μsec周期かな
Duty 10%よりちと少ない気がします。

回路動作の素性がだいぶわかってきました。
ここまでくると、電源ユニットの中を見たくなりました！
レーザー管に傾き調整ホルダーをつけようと思っているので
どうせ、高圧ケーブルも外さないといけないのです。
電源ユニットは、高圧ケーブル以外は、コネクタになっているのです。
ちょっと裏にナットがあったので面倒でしたが、電源ユニット外してきました。
蓋を開けます。

今週は、ここまでであります^^;