ぽんず製造所

当ブログの記事を参考にして行った事により、いかなる不都合が発生としても当方は一切の責任を負いません。全て各自の自己責任でお願いします。

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簡易レールガン

ネットで公開されている自作レールガンの中でも、自分の作るレールガンは小型で簡易的な(お粗末な)部類の物だと思いますが、これをさらに簡単にできるかと思い試作してみました。

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サイズは大体5cm程度です。
レールは入手が簡単でしかも安いVVFケーブルの芯線を使用しました。レールは撃つと損傷し交換することもあるので安価なのは重要ですね。
今回は平角銅線が手に入ったのでオーグメントコイルに使用してみましたが普通PEWとかでもいいと思います。
あとは適当なアクリルやネジで構成されてます。
よく見ると穴の開ける位置をミスってしまってガタガタになってます。恥ずかしいのでよく見ないでください。

450Jくらいで試射してみましたが結果は全然駄目でした。効率1.5%くらい
う~ん? 

キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ⑦

前回理由説明するとか言ってたけどめんどくさいからやーめた
とりあえずプログラムでPWMではなくPFM方式での動作が可能になって安定性が高まりました。
マイコンのPWMモジュールのPWM生成の方法についてよく調べたらPFMも可能ということがわかりましたので

出力電圧を読み、それにあった信号をマイコン内のPWMモジュールで作る利点としては、完全に他励式なので電流検出回路がいらないことや発振が安定することなどです
電流検出については、その分の実装面積分をなくしたり、シャント抵抗分の発熱がなくなったり、シャント抵抗のせいでGNDが浮いてしまうなんてことが無かったり、それなりに良いっちゃ良いですが電流検出はあったほうが安心かもしれないですね過電流防止とか用に
以前のようにコンパレータとRSFFでやるものはたまーーーーに発振がンンッ?ってなることがあったけどPWMモジュにやらせればこんなことはないですね、MOSFETくんも気持ちよさそうです。


そんなこんなでまたチョッパ作りました。
このチョッパは300W出力で設計してみました。サイズはそのまま出力1.5倍です。
測定用にシャント抵抗がついてますがいずれ外す予定です

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前はでっかいコイル1つでしたが小さいの4つに分散させました。

制御基板
マイコンとゲートドライブICが乗ってます

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ベース基板
コイルや電圧フィードバック、レギュレータなどが乗ってます
この基板には小型化のために0.3mm基板を使ってみましたが薄すぎてこの用途には強度がたりなかった...マイコン工作とかではいいかもしれないです。

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ぱわーなところ
MOSFETとかダイオードとかがあります
コイルを4つにしたのでMOSFETやダイオードも4つになってます(ダイオードは二素子入り)
MOSFETは最近秋月に出たスペックの良いやつを使ってます。 値段もぶったまげるくらい安いのが秋月の魅力ですよね。

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ヒートシンクにTO-247素子が埋め尽くされてるの頭おかしい。

それでコイルとコイルの間にネジを通してしかもダイオードの固定と基板の固定を一緒にするというマジキチっぷり
制御基板の裏の空白部分に多回転半固定抵抗とかパスコンをつけたりしたのでかなり密度が高くなってます。
多回転半固定抵抗もコイルの間から回します...

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LEDを何となくいっぱいつけたらなんかいい感じになりました。見た目が。

myhome


このチョッパの特徴としてはこういうこと

DS1Z_QuickPrint21


今使ってる電源が240Wなので設計出力300Wは出せません(電源装置では150Wの出力を確認)
ということで電源をリポに変えてみて、300Wフル出力させてみました。

3750uFのコンデンサを充電した時の電圧波形

DS1Z_QuickPrint24

3750uFを316V充電したので約187J
これを400msで充電してるので187 / 0.4で 出力約460W....!?
と、いい意味でも悪い意味でもちょっとよくわからない出力がでてくれました...
目標出力を遥かに上回っていて嬉しいのですが、さすがに出力出過ぎ。電源がリポなのでこんなに電流流すと爆発しそうで恐ろしいです。
やはり電流制限用にシャント抵抗等をつけたほうが良かったかも知れないです。
本気出せば450W以上出せることがわかりましたが、ここまで来ると出力をわざと落としたほうが良さそうです。

というか300W出力で設定したのにこの出力が出るっていうのがよくわからないわけ
おそらくインダクタの飽和等でインダクタンスが変化し電流がガバガバ流れるようになった説が濃厚です。
詳しく調べようとしてもリポ怖い&ヒューズ切れるで動作時間が極端に短いので実験回数も少なくデータがあまり取れていません。本当に460Wも出てるのかもよくわかりません。いや出てるんだけど...


最後に本番と同じ7500uFの充電した時

DS1Z_QuickPrint28

320Vまで900msで充電してるので出力は420Wほどに落ちています。おそらく電池が減ってきただけだと思います。

新チョッパはまだまだ不安定ですがなんとか動いてくれました。調節や出力リミットなどをつけて安定化していきたいと思います。



おまけ:歴代の昇圧チョッパ
出力や効率だけで見るとどんどん高性能化していってますが、大きさや安定性など総合的に見ると真ん中のが一番良かったかもしれないです(そもそも今回のはまだ開発中ですが)

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キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ⑥

またチョッパを思いついたというか、作ってみたかったというか、やりたいことがあったのでその事前実験というかをやってみました。
キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ①~⑤では全てPFMという方式で動作させていました。
今回はこれをPWM方式で動作させることにします。理由は次回

新たに基板を作るのがめんどくさいので⑤で作った奴をプログラムだけ変更してPWMで動作させることにします。
普通なら出力電圧は一定でいいのですが、キャパシタチャージャー用は出力電圧が変動します。なのでDT比も出力電圧によって変えなければいけません。
DT比は 1-(入力電圧/出力電圧)*100[%] でいいみたいです(テキトーにググっただけ)
プログラムとしてはADCで現在の出力電圧を読む、上記式を計算する、PWMモジュールにその値を入れるといった感じです。ADCは測定誤差が小さくなるように50回読んで平均させてます。このせいで次回DT比更新まで2msくらいかかっちゃってますがまぁ問題無いでしょう。
PWM周波数はマイコン的に一番やりやすかった7.8125kHzにしました。
また、出力電圧によってDT比が変わるということはコイルのピーク電流値が変わるということなので、出力電圧が低い時はコイル電流が小さく高い時には大きくなるはずです。これも実際に見てみましょう。

動作風景



PWMなのでちゃんと音の周波数が一定ですね


3750uFのコンデンサを充電した時の波形です
黄色:コイル電流
水色:MOSFETゲート電圧
ピンク:出力電圧

充電全期間
黄色がひどいことになってるのは無視して

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336Vを1.052秒で充電してるので出力は約200Wです。適当にやった割には結構出ますね
でますよ

拡大
充電初期

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充電中期

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充電後期

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周波数は変わらずにデューティー比だけが変わってる様子がわかりますね。 
それと予想通り出力電圧が高くなるとコイル電流が増えてるようです。
コイル電流の変動がよく分かる画像

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コイル電流、充電初期はピーク7A程度ですが後期になるともう30A程度流れちゃってますね...コイル飽和しまくりっすね
デューティー比が上がるとコイル電流が増えちゃうのは方ないことなのでD比制限を掛けてもいいかもしれないです(出力は落ちると思いますが)
また今は全期間が臨海モードでの動作ですが、初期だけ連続モードで後期に臨海モードに切り替えるなどすれば出力の変動が抑えられるかもしれません。
こういうところを見るとPFM動作は電流値や出力電力が変動しないのがいいところかな―とか思ったりします(???)
記事書いてて思ったけどPFMなPWMできるんじゃね?と思った(?)

ちなみにDT可変の様子
速くて見難いかもしれないけど 

 

まぁこんなんやね
今のところ順調です。 

サイリスタ部分

レールガンのスイッチにディスクサイリスタを使うことにしたのでいろいろと作りました

アクリルとアルミ

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アルミは電極となり、アクリルで電極とサイリスタを挟み込みます。1枚しかないですがもう片方はフレームと一体化させる予定なのでまだ作ってません。
てかこのアクリル色々失敗してるし暇があったら作り直したい

アルミはアクリルにネジで固定できます。

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ネジを貫通させてるので

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このサイリスタの真ん中の穴にはまって固定されるようにしてみました。

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サイリスタを駆動するためのゲートドライバ(?)も作りました。
スペースに収まるようにしてたらこんなスティックに。サイズ8x54mm

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普通にゲートドライバICで作るのもいいけど電源問題とかなんとかいろいろめんどくさかったので作りました
動作は回路図を見てもらえばわかると思う(パスコン等省略)
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SCRのゲートはPchMOSFETを使ってハイサイドからスイッチングします。今回はFDS4675を使用。
左下のトランジスタ(今回は小型化のためデジトラを使用(小さいMOSFETでも良かったかも))がOFFになっていればMOSFETのG-Sは0VなのでONしません。
Trに電流を流すとゲートがGNDに落とされるのでMOSFETがON、SCRにも電流が流れてONします。
この時、本当にGNDに落としてしまうとゲートの定格電圧を超えてしまう恐れがあります。しかし横にあるツェナーダイオードのおかげで-18Vほどに制限してくれます。ツェナーに電流が流れすぎてもヤバイのでTrのコレクタの上にある抵抗で電流制限させています。

ダーーーっと書いたけどこんな感じ。
あとMOSFETのゲートはkΩ級の抵抗を用いているので立ち上がり・立ち下がりがかなーーーり遅いと思うのでとても気持ち悪いですが、流す電流も少ないしかける電圧もそんな大きくないし駆動時間とかどうせ数msのパルスなのでまぁ大丈夫だろう...多分
どうでもいいけどサイリスタ駆動回路ってネットにある資料少ない気がする


動作試験。
マイコンから1msの信号を送ってサイリスタを駆動させてみます。サイリスタには24V掛けて1Aほど流します。
なんとなくLEDつけた。

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黄色:マイコンからの信号
水色:MOSFETゲート電圧
ピンク:サイリスタのゲート電圧
青:サイリスタのアノードにかかってる電圧

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完璧に動作(シミュレーション通り)している!!
ゲートを一度ONしてしまえばずっと電流が流れるというサイリスタの特性がよく分かります

MOSFETのゲートの立ち下がり...予想通りかなり遅い200usもかかってます
それとちゃんと18Vに制限できてるね

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ついでに立ち上がり
まぁ立ち下がりよりは早いですが

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サイリスタ部はこんな感じです。
そろそろフレームを作らないと先へ進めないです
フレームは全体的にアクリルで作ろうと思いますが、アクリルがないので注文しないと
アクリルで作るとasp氏コイルガンのパクリになりそうで怖いですってか設計図の時点ですでに......人の作品を見てるとなんか似てしまう
と言い訳しておく 

キャパシタチャージャー用昇圧チョッパ⑤

マイコン買ったんでこの前のチョッパ完成しました

こんな感じのが

CIMG0043

こうなって

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こうなって

CYBWbrfUoAA7P6R

完成 

CIMG0049
CIMG0050

コイルが変わってるのは仕様です
あとシャント抵抗起こしてそこにゲート電源用レギュレータつけました 

今まではボタンを押せば動作、みたいな感じでやってきましたが、マイコンにUARTで動作信号を送ると動作し始めて停止を送ると止まるようにしました。
チョッパからは電圧情報が返されてきます。
また補助機能的に自動充電停止機能をつけました。
動作の状態などはプログラムで色々設定できるからいいね

\パカッ/

CIMG0054

このフィルムコンがそれなりに重要でして

CIMG0057

チョッパからコンデンサまでが長い場合、配線インダクタンスでチョッパ側に過電圧が発生してしまって運が悪いと素子が死にます。
この過電圧を抑えるために出力の直後に適当なコンデンサを入れています。直後に入れて配線インダクタンス成分をなるべく小さくします。
とりあえず0.47uF2シリで0.235uFくらい入れてみました。
2シリになってるのはスペース的に入りそうな薄いフィルムコンが手持ちにこれしかなかったのと耐圧が足りなかったから

コンデンサがない場合の出力直後の電圧(シミュレーション)

さーじ

コンデンサあり(実測)
ピンク:出力直後, 水色:ゲート

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結構抑えられているようです


コイル電流波形を見てみた
大体動作はあってるけどなんかものすごく汚いしヤバイです......逆になんでこれで動くのか

コンデンサ充電初期と充電後期のコイル電流です
黄色:コイル電流 水色:ゲート

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ちゃんとD比が変わってるのがわかります。

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あとテキトーに効率計算してみた
黄色:コイル電流
水色: 電源電圧
ピンク:出力コンデンサ電圧
負荷は抵抗負荷150Ω

NewFile10

電源が平均23.1V
コイル電流を見るためのシャント抵抗が22mΩで電圧がの平均が268mV=12.1818...A
なので入力281.4W

出力は199Vの抵抗負荷150Ωなので264W

出力/入力で効率93%......??で計算あってるのかな
これがあってるなら効率結構良くて嬉しいです......が、なんか計算ミスしてそう。それに電圧が上がれば上がるほど効率が落ちると思うのであんまり考えないでおこう
あと抵抗負荷じゃなくてコンデンサ充電だともっと出力も効率も落ちますし


まぁチョッパが完成したのでこれをレールガンに搭載しようと思います。というかもともとそういう目的で今までやってきたんだしね




ーーーーおまけーーーー
レールガン用のでかいコンデンサを充電してみた


5000兆円欲しい!