【科普向】【小白向】分析蓄能电容esr对业余电发射的影响

电炮相比于常规电动机，有着需要在瞬时释放巨大能量的特点，对电源的性能要求也就比较的高。现在在电发射界普遍的电源有电容器，电感器，单极发电机，爆炸磁通压缩装置，反轨道炮等等。而其中蓄能电感器一般也需要一个强劲的电源为它“充能”，因为电感蓄能为W=1/2 L I²，尽管有一定感抗，总的来讲不能像电容一样小功率长时间充电，因此电容器在电炮的电源中作用巨大。而在业余界，孤陋寡闻的楼主还没见过多少别的器件，因此电容的性能在业余尤其重要，我将对其进行简单科普性讲解

先预告一下本贴内容
第一，分析esr对业余电炮相比于专业研究的影响
第二，分析电容esr在不
同类型电炮中的影响
最后，如何降低esr，如何消除其不良影响以及对不同电容esr的实测方便各位参考

esr是什么呢？esr就是equivalent series resistance，即等效串联电阻，理想电容是没有电阻的，但现实中不使用超导体任何元件总会有一定电阻，esr就是电容各部分上分布的的电阻。因为它是等效串联电阻，因此有着串联增加，并联减小的特点。因为esr这种特点，电容器的esr对业余条件下的电炮有着相比专业条件有大的多的影响，因为esr影响着最大输出电流，而很多电炮对电流都有很大要求。
首先，因为专业条件下容量大，因为容量越大esr越小，对于专业情况下的大容量电容esr相对于电炮本身和导线，开关的阻抗，并不很显著。
其次，专业的电炮蓄能器件电压高（单极发电机除外，“仅仅”有几百v，但常常串联多个）而专业条件下，从来没有使用电解电容的情况，依据电炮原理，轨道炮的科学与技术中所提的电容蓄能成本和能量密度，功率密度，以及各电炮蓄能电容陈列的图片，得出这个结论（楼主孤陋寡闻没有见识过，如有错误请指正）但业余普遍因为廉价的蓄能成本而选择电解电容。相比电解电容，耐压高的金属薄膜电容esr相比耐压低的并不大，甚至更低，因为欧姆定律，面对高电压，薄膜电容微小的esr存在感更低了。而电解电容则因为电解质的加厚而反之。在研究机构和军方眼里，几kv有时都算低压了，但现在国内大多电炮爱好者都使用1000v以下蓄能，450v占相当一部分，原因不解释。低电压高esr的电解电容在需要极大电流放电的场合就相当无力了。
最后，因为电容选择的差异，上面也有提到，专业科研时第一选择就是薄膜电容，油浸电容，因为性能。但业余条件下爱好者往往经济实力有限，所以会选择价格更低的电解电容。（拆机薄膜其实也不贵）电解电容有着esr高，耐压低，耐压越高esr越大的问题
综合上面条件来看，首先是容量，业余上万的不多，而专业研究用几十万起码是要有的。这就已经是esr几十倍的差距，接着是电压，专业条件下全部都是kv级别的，取2kv的话，为普遍的450v电解电容高四倍多。最后，薄膜电容，同容量薄膜电容内阻比电解电容小100倍左右，2000uf电解电容内阻一般为30mΩ，薄膜电容仅0.3mΩ，当容量为几十万uf时。。。内阻几乎可以无视了，不比接线电缆大多少。因此，综上所述，esr对业余条件下电炮影响尤为显著，将其减小，增加电流，减小内阻损耗，是个重要问题

先分析导轨炮，导轨炮作为目前最接近实用的电炮，有着高初速，无需电刷，光电开关，放电火花隙等控制器件的优点。因为轨道炮阻抗很小，电流相当大，在业余条件下蓄能电容的esr就凸显出来了。我们来看看esr所影响的电流对轨道炮的影响。先借用一下著名的轨道炮推力公式，有位坛友帖子里面有相当特色的求解方式。

图片：16_220_f65d6d8529e1a58.png

从这里可以看出，推力是正比于电流的平方的。因此当电流太小时，就形不成显著推力，形成了一个“瓶颈”，当电流继续升高推力就会急剧升高（二次函数不解释）所以当制作小蓄能时，要么降低esr提高电压获得足够电流，要么增加电感梯度。否则就很可能会变成电焊机。

这个公式有些人可能不太熟悉，那就从人人皆知的安培力入手分析。都知道磁场垂直于通电直导线时

图片：f=ibl.png

(注意L为通电直导线，即电枢的长度，等同于下面的s）



轨道炮推力就是来自安培力（洛伦兹力），而纵向磁场来自轨道与电枢，电源组成的单匝线圈。因此公式中的B，磁感应强度，同样正比于电流I：

图片：磁通量.png

要算出平均磁感应强度B先算平均磁通量，这里x为导轨长度，电感梯度乘以长度等于电感不解释。

图片：磁感应强度.png

接着除以了截面面积xs得到平均磁感应强度，代入安培定则公式，再除以二（电枢前部不馈电几乎没有磁场）然后还是得到

图片：16_220_f65d6d8529e1a58.png

 补图

图片：左手定则.jpg

图片：轨道炮示意图.jpg

许多业余电炮爱好者在入轨道炮坑时没有esr的问题，希望先小投入尝试一下，可惜太小的蓄能电容容量导致了过大的esr也就导致了过小的电流，加速力的“瓶颈”就导致了这样的轨道炮成为电焊机。而只要电流能大到一定程度，就能突破“瓶颈”，获得可观的加速力，制作轨道炮时，当蓄能高到一定程度时满足能射出去而不焊住，并有一定威力的最低要求就会相当简单。

接着讲同轴感应炮（这里指靠涡流发射的楞次炮）。同轴感应炮优点在于bt的效率和能适配高质量弹丸。同轴感应炮，都知道是利用楞次定律，靠方向相反的感应磁场与激励磁场相作用从而施加推力。因为楞次定律，电流上升时排斥，降低时反拉。比起轨道炮，同轴感应炮对电容器esr要求更高，因为：
首先，要获得大的推力，感应电流要大。要提高感应电流就要提高感应电动势。当电容通过线圈时，会有一个极短的上升前沿，主要出于线圈感抗，还有开关器（固态开关都有一个开关时间，电流在开关时间增大，而机械开关则因为接触力的增大，接触电阻的减小，电流增大）因为

图片：感应电动势.png

（注意这个来自某高中物理的公式是平均电动势而不是瞬时，为了方便用的）
这个上升前沿要越短感应电动势越高，电流也就越大。线圈电感越大磁感应强度越高，但上升前沿就长了，线圈和电容的搭配对感应炮很重要，但不是这个帖子重点，因为，除了感抗还有一些降低电流变化率的因素：电容esr。电容esr的存在导致峰值电流降低，电流上升率自然低了，对感应炮影响很大。
其次，不带换向的感应炮是靠排斥力运作的，随时间推移，弹丸离线圈越来越远，耦合系数越来越低，磁路越来越长，效率随之降低。因此感应炮要求短时间内释放能量以提高效率。另外，由于电流上升之后下降会造成反拉，反拉时弹丸越远越好，而推力只持续瞬间，所以电流越大越好。

因此，电容的esr对感应炮有着巨大影响。由于感应炮不适合像轨道炮一样靠加容量降低esr，而是需要高电压小容量让脉冲更短，对于感应炮电容单位容量的esr是十分重要的（esr大致反比于容量）

磁阻式线圈炮在国内爱好者中相当普及也讲一下好了，磁阻线圈炮中很大一个问题就是反拉，esr要是足够低就能做到快速放电，也就可以零反拉，效率会高很多，前提是不发生饱和。这个就不多讲了太不和谐，想到套件都换成高压薄膜电容简直画面太美不敢看

最后，重接炮。重接炮看起来是离实际应用最远的，模拟起来也很麻烦决定效果的因素很多。但有一点是确定的：重接炮中磁力线重接之前，即磁路闭合之前，发射用的能量会储存在线圈中，等于是说也相当于蓄能电感，磁路闭合后能量再释放。而电感的蓄能有：

图片：电感蓄能.png

所以重接炮也需要高电流来满足电感蓄能，所以业余条件下重接炮失败，除了设计上，仿真上的复杂，电容的esr也会造成很大影响。

指正下两个小问题：
1、3L中“推力正比于推力的平方”笔误。
2、磁阻炮并不是弹丸中心和线圈中心越近效率越高，驱动力是和磁阻的变化率有关的，两者中心近重合时磁阻变化率会减小，一般而言驱动力最大处在一倍极距的位置。

Ma3·02的守望：指正下两个小问题：
1、3L中“推力正比于推力的平方”笔误。
2、磁阻炮并不是弹丸中心和线圈中心越近效率越高，驱动力是和磁阻的变化率有关的，两者中心近重合时磁阻变化率会减小，一般而言驱动力最大处在一倍级距的位置。回到原帖

感谢指正，这个没有注意到，弹丸进入线圈时确实会损失能量的

所以泥想说:“天灭电解教，薄膜大法好”吧（滑稽）

在讲如何降esr，或者消除它的不良影响之前，需要先说明两个误区：

都知道轨道炮追求恒流，要是电压太高，反倒会放电过快影响效果。但这绝对不意味着高esr在这种情况会带来好处（减慢放电）！因为esr会产生欧姆损失！正确的延长放电方式是增加容量，降低电压。

有些人认为并联许多小电容的电容组比同参数单体电容esr更小，但事实不然！因为电容容量小，内阻就会大！同工艺同质量的电解电容（容量不同）的容量与esr的积是基本不变的！电容的esr主要的决定因素只有工艺和质量。

那么接着讲如何降低esr。先讲电解电容。要降低esr，先要从它的分布入手。这是从百度文库弄的电解电容esr分布示意图。

图片：电容esr.PNG

电解电容因为有着浸电解质的纸作为阴极，它的内阻远高于由良导体作为电极板的薄膜电容。同时，由于电解电容引脚和阳极都是良导体，所以计算时可以先暂时忽略。
因为有

图片：电阻.png

又有

图片：电容公式.png

可以得出esr近似反比于电容量

那么，从上面已经得到了降低esr最有效的方式之一：并联更多电容。但有时要求容量不能太高该怎么办呢？那么此时要么改变电磁炮别的参数来消除不良影响，要么用另一种有效的方式：换电容。薄膜电容有着比电解电容低很多的esr，因为它两极都是良导体。薄膜电容有着诸多优点：耐压高，esr小，击穿损伤小。因为薄膜电容电极板利用蒸镀工艺制成，相当薄，当发生电击穿时该点电极板就会蒸发一部分，电容损失极小的一部分容量，但不至于损坏。有的薄膜电容还有内置保险丝结构，发生击穿的部分电极就会被隔离。使用薄膜电容有着很多好处，esr的问题根本不用担心，但它也有严重的问题。先不说价格（二手薄膜电容不比好的电解贵太多）真正致命的是体积和重量。想搞便携的就只能绕道了。如果想要便携，低esr兼具，那就必须合理地选用电解电容。低esr的电解电容有这些：高频低阻滤波电容，闪光灯电容，还有显示器液晶电容。这一类一般都有着比普通电解电容小一半多的esr。其中闪光灯电容因为电压比较低，尤其适合轨道炮。虽然专业条件下轨道炮电压也会有几kv电压，但容量会很巨大，而且电压相比于感应炮还是很低，所以业余条件下310v的闪光灯电容其实相当合适。

楼主，你的X被你丢掉了

图片：QQ图片20160610201832.png

entropy：那么，从上面已经得到了降低esr最有效的方式之一：并联更多电容。但有时要求容量不能太高该怎么办呢？那么此时要么改变电磁炮别的参数来消除不良影响，要么用另一种有效的方式：换电容。薄膜电容有着比电解电容低很多的esr，因为它两极都是良导体。薄膜...回到原帖

”310v的闪光灯电容其实相当合适“我不这么认为

进来看看。

esr是不是有表可以测试？多少钱。

纯技术帝。

先看看，哈哈