На днях я закончил монтаж и тестирование последней версии преобразователя напряжения для койлгана, в котором постарался воплотить все свои теоретические и экспериментальные исследования последних лет. Процедуру его разработки я описал в нескольких роликах на своем Ютьюб-канале (ссылки на на них будут даны под текстом статьи). Здесь же я кратко изложу основные принципы и доложу результаты.

Итак, что хотелось (и получилось) сделать:

а) максимально компактный преобразователь напряжения с питанием от литиевых аккумуляторов в диапазоне от 7 до 25 В (что достигнуто "развязкой" логического и силового питания на две независимые цепи);

б) выходное напряжение (максимальное напряжение на заряжаемых конденсаторах) до 450 В, причем должна быть обеспечена возможность получения как положительного, так и отрицательного напряжения относительно "земли";

в) способность к работе с любыми номиналами заряжаемых емкостей;

г) защита от обрыва и короткого замыкания на выходе;   

д) возможность управления режимом работы от внешнего контроллера;

е) развитая система индикации состояния преобразователя (как с помощью светодиодов, так и с выдачей сигналов ошибки "вовне");

ж) использование стандартного ( не "самопального") трансформатора.

Замечу, что требования пунктов (в) и (г) выгодно отличают данный преобразователь от широко распространенных более простых схем типа Вальдемара или флайбэк-конвертеров на 555 таймере, которые так любят новички. Они могут быть выполнены только с использованием контроля мгновенного значения тока во вторичной обмотке. Это, конечно, усложняет конструкцию, но, на мой взгляд, является необходимой вещью, если нет желания каждый раз чинить преобразователь после того, как забыли его нагрузить, перепутали полярность заряжаемых емкостей или решили подключить еще пару ступеней к своей гауссовке...Ну а для выполнения п. (б) пришлось спроектировать конвертер в двух исполнениях - с положительным и отрицательным выходом - слишком уж отличается там схемотехника....

На фото ниже сверху вниз: спичечный коробок (для представления о размерах изделий), финальная версия преобразователя, и отработочная версия.

 Конструкция, на мой взгляд, получилась очень удачная, поэтому я заказал сразу несколько экземпляров печатных плат - буду использовать их в ближайших разработках пушек Гаусса. На следующем фото преобразователь в двух исполнениях (с отрицательным и положительным выходом), и платы для распайки будущих копий.

В процессе отладки схемы я провел несколько измерений с помощью цифрового осциллографа. На рисунке снизу приведены осциллограммы зарядки тестовой батареи электролитов суммарной номинальной емкостью 3290 мкФ до напряжения около 425 В (снималось с делителя напряжения 1:100, масштаб 1,5 В/дел), и напряжения питания от аккумулятора Li-Po 3S 1300 мА·ч ( масштаб 1,5 В/дел).

Как видно, зарядка занимает ровно 4 секунды, при этом просадка напряжения на аккумуляторе составляет около 1 В, что говорит о довольно существенной токовой нагрузке... Взяв за основу эти данные, я провел вычисление мгновенной мощности преобразователя. Сделать это не так просто, как кажется на первый взгляд - проблема тут в измерении больших (до 30 А) и быстро меняющихся токов в первичной обмотке, что не позволяет использовать традиционные методы с токосъемными резисторами. Более подробно об этих проблемах можно почитать на Форуме Арсенала здесь, но я придумал, как выйти из положения - нужно мерять не входную, а выходную мощность конвертера - ведь она нас, собственно говоря, и интересует. Нам же важно как быстро заряжается емкость, а не сколько энергии "вкачивается на вход" (в конце концов, КПД правильно спроектированного преобразователя всегда близок к 80...90 %, и при сильном желании можно прикинуть и входную мощность).

Посчитать же мощность по выходу можно с помощью следующего трюка. Нам известно, что энергия заряженной до напряжения U емкости C составляет E = C·U²/2. Дифференцируя эту формулу по времени, находим производную энергии (которая, в отсутствии иных потерь, и будет выходной мощностью преобразователя): P = dE/dt = C·U·(dU/dt). Выражение в скобках представляет собой скорость изменения напряжения на емкости, которая может легко быть определена с помощью логов цифрового осциллографа. На деле все оказалось немного сложнее, т.к. полученные сигналы имели сильные искажения из-за помех (это нормальное явление для обратноходовых конверторов). Итоговые зависимости после математической обработки показаны на следующем рисунке (для удобства, они приведены к единому началу отсчета по вертикальным осям).

Как видно, вследствие зашумленности сигналов расчетное значение выходной мощности (оно выведено кривой серого цвета) имеет существенные искажения даже после усреднения. Тем не менее, можно уверенно говорить, что оно имеет значение около 75 Вт. Похожая цифра получается, если просто поделить итоговую энергию в заряженной емкости на длительность зарядки - заинтересованный читатель может проделать это несложное вычисление самостоятельно.

Апдейт от 21.03.2023: после небольшой вариации номиналов элементов в частотозадающей цепи конвертора, удалось еще повысить его мощность и достигнуть длительности зарядки всего 3 секунды. Вот осциллограмма зарядки для исполнения с отрицательным выходом:

Всем успехов в творчестве,

Eugen

P.S. А вот ролики, в которых можно подробно ознакомиться с процедурой разработки преобразователя: