ダイオードに振り回される

 こんにちは。中間テストがオワったさば根っこです。

 

 2,3日目の科目はまあ大丈夫だと思うけど、一日目の数学と古文がやばいんですよね…。もう過ぎたことなのでどうしようもないんですが。

 

 まあそんなことはともかくとして、コイルガンの設計とかで少し進展があったので紹介。

 

 今回の目玉と言ってもいい回生回路ですが、

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before

 こんな感じだったのが

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after(コンデンサ容量は仮)

 こうなりました。

 

 今までの回路では一番左上のダイオードに2~4段目がONの時にはずっと大電流が流れ続けるようになっていましたが、新しいのではその段がONの時だけ電流が流れるので、その点は改善されました。

 

 また、回収用コンデンサ、コイル、回収用コンデンサ、という具合に直列につながっています。なのでMOSFETをONにしなくても、回収用コンデンサに電気が溜まっていれば、後段コイルに勝手に電流が流れます。

 こうなることでMOSFETをONにする前にあらかじめ電流が流れていることになるので、多少電流が全開になるまでの時間が短くなるかなと思います。

 

 ここまでメリット(?)を語ってきましたが、デメリットももちろんあります。

 

 一つ目は、コンデンサダイオードの順方向電圧分逆充電されるということです。

 回路図を見てもらえばわかると思いますが、サージ回収用コンデンサと、コイルに直列につながっているダイオードが並列につながっています。ダイオードには電流が流れているときに端子間に順方向電圧(Vf)というものが発生します。基本的にこの電圧以上の電圧を加えない限りダイオードに電流は流れません。(適当)

 なのでコンデンサの充電電圧がVfを超えない限りダイオードに電流が流れないということになります。

 そしてそのVf分充電される向きが普通と逆なのでコンデンサが壊れかねないということです。

 もちろん普通のダイオードの順方向電圧(大体1V以下)であれば電解コンデンサも逆充電しても壊れません。しかし、今回使いたいダイオードは耐圧400V級の物。そのようなダイオードでは順方向電圧は1.7Vになります。はい、アウトです。

 

 ここで何故メインコンデンサの充電電圧が150V程度なのにそんなに高い耐圧のダイオードが必要なのかと思われるかもしれません。確かに200V耐圧で順方向電圧が1V以下のものが秋月にありますが、ここが二つ目のデメリットにつながります。

 

 というわけで二つ目のデメリット、サージ回収用コンデンサの容量設定が意外とシビア、ということです。

 昇圧チョッパを思い浮かべてもらえばわかるかと思いますが、出力電圧が高いほど、コイルから電流が素早く無くなります。普通の回生型コイルガンではメインのコンデンサとエネルギーを回収するコンデンサが共用ですので、比較的高い電圧で回収することになります。しかし今回の回路ではコンデンサの元々の電圧は0V、ですのでサージ回収に比較的時間がかかります。しかし、ここで必殺技があります。コンデンサの容量を小さくすればいいのです。コンデンサにたまったエネルギーは E=1/2CV^2 (E=J,C=F)で求められることからわかるように、同じエネルギーを大容量のコンデンサと、小容量のコンデンサに貯めようと思うと、小容量のコンデンサのほうが高い電圧で充電されることになります。(間違ってるかもしれないです。習っていないので)

 という具合で小容量のコンデンサを使えば、電圧は上がりますが、コイルのエネルギーを素早く回収できるわけです。

 しかし当たり前ですが、高電圧が発生するということですので、高耐圧のダイオードが必要になります。

 

 まあこの辺の兼ね合いが難しいということです。はい…。(書くの疲れた)

 

 長くなったので結論

 メリット:回生型なのでコイルの電流制御がいい感じ。ついでに普通の方式と比較してハイサイド素子を廃止してコスパもいいし、回収したエネルギーもすぐに再利用できる。

 デメリット:ダイオードに求められるスペックが高い。(逆に言えば強いダイオードさえ手に入れば最強だと思います)

 

 こんな感じです。いろいろ解決案も考えたのですが、どうしても部品点数が増えたり高い部品が必要になってしまうのでどうしようかな…ってところです。まあ悩んでる時が一番楽しいんですが。

 

 というかここまで書いて思ったのですがこの回路の動作の説明をしたほうがいい気がしてきたので明日あたりに動作の説明を出すかもしれないです。