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2021年2月5日(金) 21:56

新設計

 少し冷静に、計算してみよう。
 昇圧チョッパーは、構造が単純な代償として欠点も多い。そのうちの1つは、パーツの利用効率が悪いこと。FETに通電することでコイルにエネルギーを蓄積し、FETをOFFにすることで蓄積したエネルギーを放出。ターンオフサージにより高電圧を発生させ、昇圧する。
 すなわち、バッテリーからエネルギーを取り込めるのはFETのON期間だけであり、OFF期間は取り込めない。そして、原理上FETのOFF期間は必ず確保せねばならない。

 FETのON期間はコイル電流が増大するが、コイルのインダクタンスにより増大速度は制約される。逆に、コイルの飽和電流に達する前に、ONを止めねばならない。このあたりの設計を誤ると、一気に効率が低下し過熱する。

 結果として、コイル電流は左図のようなイメージで変化する。
 つまり、平均電流はピーク電流の半分以下なのだ。

 飽和電流が10Aのコイルを用意しても、投入できる電流は平均5Aにも満たない。それだけ、過大なスペックのパーツを用意せねばならない。

 さて、ステッピングモーター用の電源として余裕を持ったスペックとして、30V3Aぐらいは可能にしたい。それは、千石DCコンバーターでは無理だった。では、どのような設計なら30V3A出力が可能になるのだろうか?

 入力は、ラジコンバッテリーである。電圧は、6〜9Vを想定する。効率が100%でさえ、90ワット出力を得るには平均10〜15Aの入力が必要と分かる。電圧が6V付近まで降下し、効率が70%でも・・・と考えると20A入力は「最低限」である。
 平均20A入力に対応するには、飽和電流40A以上のコイルを必要とする。

 この時点で、千石DCコンバーターには無理だったことが分かる。千石DCコンバーターに搭載されているコイルは、飽和電流が20〜30Aだ。出力48ワットで力尽きるのは、計算通りとも言える。
 飽和電流40Aのコイルは、なかなか入手困難。もちろん存在はするが、でかくなる。そこで、30Aのパワーインダクターを2個使うことにする。

 下図は、コイルガン戦車のコンデンサー充電用昇圧チョッパーの回路図だ。PICによって半周期ズラして発生させた2系統のPWM出力を使い、2系統の昇圧チョッパーを並列動作させる。上図のような変動の大きい消費電流を、平均化することもできる。この回路図自体は後に修正されているし、コンデンサー充電と定常負荷駆動では性質が異なる。パーツの定数は、あれこれいじらねばならない。
 だが、基本的な考え方は同じだ。

 PICのPWNなら、4並列動作までは容易に可能。しかし、個々のドライブ用にTLP250を必要とするし、コイルも邪魔。今回も2並列が適正だろう。
 欠点としてはチョッパー周波数の最適化ができないため効率が悪いことだが、そこは2並列。20Aではなく30Aのコイルを使うことで補う。
 他にも専用ICに比べてチョッパー周波数を高くできないのも欠点だが、大電流を扱うならコイルのインダクタンスをそれほど大きくしなくても良い。まあこの手の装置の常として、実際に作って試さないと始まらない。

written by higashino [Sタンク 1/16] [この記事のURL] [コメントを書く] [コメント(3)] [TB(0)]

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Comments

『タイトルなし』

最大負荷時のインダクタ電流リプル率を30%くらいにして電流連続モードで動作するようにすればもっと飽和電流が小さいインダクタを使えますよ。

written by ホタテ

『タイトルなし』

最大負荷時のインダクタ電流リプル率を30%くらいにして電流連続モードで動作するようにすればもっと飽和電流が小さいインダクタを使えますよ。

written by ホタテ

『なるほど』

コイルガンの場合は発生電圧が高いため難しいですが、それほど高い電圧を必要としないなら行けるかもしれません。
ただ計算上、千石コンバーターはコイルの飽和電流制限に引っ掛かっているっぽいんですよ。つまり、ラジコンバッテリーから20V以上を作るというのは「それほどではなく高い電圧」になっちゃってる可能性が。
傍証としても、ラジコンバッテリーから24Vあたりを作れる市販品のDCコンバーターがない。電流を大して取り出せないものばかり。
厳密な設計すればそこまで大きな電流を要しないかもしれませんが「自分にそんな能力はない」「市販品にもない」状況です。

written by IDK

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