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2006年7月28日(金) 18:10

逐次充電

 コンデンサーにはいろいろな種類がある。それはつまり、すべてにおいて最強というコンデンサーが存在しないことを意味する。用途によって種類を使い分けるのだ。では、パルスレーザーに向いたコンデンサーは何だろう?
 これは、キセノンフラッシュを光らせるのに適したものは?と言い換えてもほぼ同じである。
 一般的な回答と、ポータブルレーザーでは事情が異なる。据え置きレーザーならある程度は物量作戦も可能だが、ポータブルの場合はサイズや重さを無視出来ない。となれば、ジュールを稼ぎたい場合に事実上電解コンデンサー以外の選択肢がない。
 オイルコンデンサーはパルス電源として優秀だがジュールの割に少々重過ぎる。パワーを追求するとポータブル化は苦しい。それに、少し前までフィルムコンデンサーのように半永久的な寿命があると勘違いしていた。
 実際にはオイルコンデンサーの寿命は短いようだ。保存寿命ではなく放電可能回数の方である。となれば選択する理由が無くなってしまう。

 電解コンデンサーは放電可能回数が少ないがこの際それは目を瞑るとして、耐圧が低いわ内部抵抗大きいわと困ったちゃんである。しかし、耐圧は直列すれば上げられるし内部抵抗は並列すれば減らせる。
 これに対して、容量の割にでかいとか重いとかは、対策が無い。つまり選択の余地はなく、メインコンデンサーは電解使うしかないのである。
 カメラや短いフラッシュ管であれば、300〜400Vで充分な発光が得られる。だが、もっとハイパワーな管だったり発光時間を短縮したい場合は、電圧を上げねばならない。
 周知の通り、コンデンサーの並列は良いが直列は問題を含んでいる。2個直列しても耐圧は2倍にならないし3個直列しても3倍にならない。個々の特性のバラつきにより特定のコンデンサーだけに余計な負荷が加わるのが通例だ。

 しかし、それが問題になるのは充電時だけ。放電する場合は個々の充電がしっかり行われているなら電圧は個数に比例してアップする。つまり、1個ずつもしくは並列で充電し、直列で放電すれば良いのだ。
 こんなことは誰でも分かるのであり、問題はそれを実現する具体的方法である。
 まず、何らかの配線付け替えが必要なのは自明である。幾つかのスイッチを使って配線しておき、必要に応じて切り替えれば良い。機械スイッチをバチバチ切り替えるのはまあ論外として、どうするのがベストだろうか?
 普通なら半導体スイッチを使えば簡単である。ところが、相手は高圧大電流と来ている。特に肝心な放電時の性能を考えると、直列接続時に回路にスイッチ素子が含まれないのがベストである。
 コンデンサーは最初から直列にしておき、充電時に工夫したい。

 こうして順番に考えると、ほとんど一本道だ。選択肢が無いとも言う。
 直列回路に余計な素子を挟みたくなければ、コンデンサーを1段ずつ順番に充電するしかない。欲張って複数の電池を同時に使って並列充電して短時間で完了などと欲張ると、ちょっとしたパズルになる。ダイオード等を使わず実現するのは困難だし、電池を相互に絶縁するのは最低限必要なのでバッテリーも複数系統用意せねばならない。

 充電回路は放電時に比べると電流が小さいため、スイッチング素子にも選択の余地がありそうだ。しかし300〜400Vとなると案外余地がない。
 それなりのパワーがあるコンデンサーバンクを実用的な時間で充電しようすると、充電回路の電流もアンペア級になる。400Vで直流1A流せる素子はそう多くない。先日作った放電回路では、400Vでたった40ミリアンペアを安心して流すためにかなり破格なトランジスターを用意した。
 リレーも考えたが定格満たすには結構でかいのが必要だし、何よりスイッチONしている間中0.1Aとか消費し続けるのが許せない。

 サイリスタは使えるだろうか?
 レールガンやコイルガンのメインスイッチに使うような破格の耐電流は不用だが、問題はON時の抵抗値である。数ミリΩなら許せるが、高耐圧FETのように数百ミリΩもあった日には論外である。LT3750による制御ではトランス2次側の電荷を成り行き任せでコンデンサーに放出させる。瞬間的には結構大きな電流が流れるはずであり、抵抗値が大きいとロスがバカにならない。
 コンデンサーの直列回路の途中に入れる場合ほど致命的ではないが、無視出来ない。バッテリーで動かそうとする場合、いかなる場合も「効率」を忘れられない。

 2次側ではなく1次側をスイッチングする手が無いでもない。12Vで消費電流かなり一定。10Aであっても数ミリΩのFETが使えるのでロスは小さい。しかしこの場合、2次側のトランス等をコンデンサーの段数分用意せねばならない。インフラの無駄が大きく、重量等も無視できないポータブル機器ではこれまた却下される。
 適切なスイッチ素子さえ用意出来れば特に悩む問題でもないのだが・・・

written by higashino [パルスレーザー] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(0)] [TB(0)]

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