今回は、いよいよコイルガンの回路設計について説明します。


作製したい仕様

今回はどんな仕様のコイルガンにするかを決めていきたいと思います!!完全に個人的にこんなやつが良いってな理由でこの仕様にしています。
仕様
・充電電圧は100 V
・電池で稼働
・1秒くらいで充電を完了したい
・とりあえず飛べばいいや


・充電電圧は100 V
 今回作製するコイルガンはあまり高電圧での設計はしません。なぜなら、法律に触れたくないから!!コイルガンが銃刀法に違反しないって話はよく耳にすると思います。銃刀法で規制されている銃は、「火薬の爆発を用いいて物体を飛ばす物の事」を銃と定めているので、コイルガンは引っかかりません。なんですが!!怖いんでさらに準空気銃の規制である「人の生命には危険を及ぼさないが人を傷害し得る威力」にも該当しないものを考えます!

では「人の生命には危険を及ぼさないが人を傷害し得る威力」とはどれくらいか、それは「1 cm²当たりの運動エネルギーが3.5 J以上」の物のことを言います。今回は家にあったパイプ材料を用いて、飛翔体のガイドバレルを作ります。内径は7 mmになります。この時のもし飛翔体の最大直径が7 mmの時「人の生命には危険を及ぼさないが人を傷害し得る威力」は1.34 J以上になります。

今回用いたコンデンサは家にあった耐圧250 V330 µFの電解コンデンサです。こいつを並列で3個繋げます。この時のコンデンサに100 V充電した時のエネルギーは4.95 Jになります。しかし、コイルガンは通常10 %も運動エネルギーに変換することが出来ません。なので飛翔体の運動エネルギーはせいぜい0.495 Jくらいでしょう。これなら準空気銃の規制にも引っ掛かりません!!



と、長ったらしく書きましたが…完全に後付けです(笑)作った後に、「あ…そう言えば…」で思いついた理由です。本当の理由は「家にあったから」これが9割を占めます(笑)


・電池で稼働
 これは自分の中では非常に重要な要素になります!!「コイルガンを動かすのにバッテリーを使うのは面倒くさい+コンセントからもってきたくない→乾電池しかない!!」ってな感じでこの縛りを追加しました(笑)
ですが乾電池を使うにあたって重要な要素が…それがどれだけの電流を流せるかってことです。どこを調べて乾電池のスぺックで最大電流は載っていません。ってことで調べてみました!!
調べ方は乾電池に小さな抵抗を付けて電流プローブで電流値を測定しました!!

結果
テスターで測ると、テスターの内部抵抗でわけわからないことになるので、ここでは電流プローブと言うものを用いて測定します。もちろんこんなもの持っていません、大学の機器です(笑)本当はショートさせた状態で電流値を測定したかったのですが、出力結果がブレブレだったので抵抗を接続します。表1に実験結果を示します。使用した乾電池は「EVOLTAの単3アルカリ乾電池」です。1番~8番までは8個の1.5 V乾電池を示しています。VRは接続した抵抗での電圧を示しています。内部抵抗で若干電圧降下しているのがわかりますね。
表1 電流プローブで測定した乾電池の出力電流(単位とかなんも付けてませんでした、すいません(笑))
電池の特性表

図1に表1から作図できる抵抗と出力電流の関係を示します。
電池の特性
図1 表1から作図できる抵抗と出力電流の関係

なぜか7番と8番だけ元気がいいですが、たぶん個体差です。この図を見ると、抵抗値0 Ωでは無限に発散しそうですが、そんなことはありえないので、大体160 mAぐらいまでしか出ないんじゃないですかね?ってことは大体単3乾電池は0.24 Wのエネルギーを出力する能力があることがわかりますね!!


・1秒くらいで充電を完了したい
 1秒で充電したかったのですが、上記の実験結果により理想的な状態で単3乾電池を直列に繋いだ9 V電源で4.95 Jためるには、大体3.5 sで充電できそうな感じですね。まぁ、やってみてどうなるか楽しみにしましょう!!


・とりあえず飛べばいいや
 今回はプロトタイプの位置付けになるため、取り合えず発射できればいいです。それから、エネルギー変換効率とかは考えましょう!!てか元々、「勉強したことを実際にやってみたい」って言うのがモチベーションなんで(笑)



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回路設計とシュミレーション

上記の仕様を目指して 回路を考えてみました。これです!!
コイルガン回路
図2 コイルガン回路図

この回路はスイッチで充電回路と発射回路2つを切り替えられる仕組みになっています。この記事を書いている現在、回路の作製から飛翔体の発射まで成功しているのですが…実はこの回路アナログ回路を作る上で、やってはいけないことをやっていたんです。と言うのも使用している抵抗値が小さすぎる!!アナログ回路では抵抗値が小さすぎても、大きすぎても上手く動作してくれないんです…今回は上手く行っちゃいましたが(笑)あとは、コンパレータの電圧にわざわざLM317使って変圧してるんですよ。これはコスト的にもっとやり様があったのでは等、いろいろ文句が出てきます(笑)これは次回の課題にしましょう!!


この回路で行けば
・充電電圧は100 V
・電池で稼働
・1秒くらいで充電を完了したい
・とりあえず飛べばいいや

を達成できるはずです!!この回路でのシュミレーション結果はこれ!!
シュミレーション結果
図3 充電回路のシュミレーション

1秒では出来ません出来たが、ちゃんと1.5秒くらいで100 Vまで充電できています!!今回のシュミレーションでは理想的な電子部品を使用した時の結果になっています。実際に使用したパーツのパラメータを用いるとシュミレーションに30時間くらいかかりました!!それを喪失してしまうというやらかしをかましたんで、理想バージョンの結果をのせます(笑)

細かい説明をしていきますね。まずはこの部分。
コイルガン回路dcdc
図4 DC-DC昇圧回路部分
この部分は今まで説明してきた通りDC-DC昇圧回路になっていて、100 Vをコンデンサに充電できる設計となっています。ここはここまでの記事で沢山説明しているのでこのぐらいにします。

次はこの部分の回路!!
コイルガン回路発射
図5 発射回路

この部分発射回路をを示しています。ここで重要なパーツは「サイリスタ」です!!このサイリスタは前の記事でも説明しましたがGに電圧信号が入るとAC間の回路を導通させます。これを用いることで、コンデンサにたまったエネルギーを電気的なスイッチでコイルに流すことが出来ます。これの利点は機械式の接点がないこと!!なんで機械式の接点がないといいか分かりますか?機械式にすると発射スイッチを押した時、接点が溶解してくっ付いちゃうからです!!コンデンサに溜まっていた約5 Jが一気に流れるととんでもなく発熱します!


あと説明していない回路は…ここかな?
コイルガン回路充電完了確認
図6 充電量確認回路

この回路は充電が完了したことを、LEDが発光することで知らせる回路になります。ツェナーダイオードを直列に繋げることでコンデンサ間電圧が100 Vになった時、LED側に電流が流れてくれます。

こんだけです!!コイルガンの回路って意外に簡単でしょ?




今回は以上になります。
次回「コイルガンの作り方~回路編⑤組み立て~」に続く





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