Coilgun SGP33 - Kompletní montážní a testovací pokyny: 12 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Tento tutoriál popisuje, jak sestavit elektroniku cívkové pistole zobrazené v tomto videu:

Sestava SGP-33 Youtube

Na poslední stránce tohoto tutoriálu je také video, kde jej vidíte v akci. Tady je odkaz.

PCB pro toto demo poskytl JLCPCB. COM

Cílem bylo postavit jednostupňovou cívkovou zbraň, která je lehká, má dobrý výkon a používá běžně dostupné díly za rozumnou cenu.

Funkce:

- Jednostupňový, jediný výstřel

- Nastavitelná šířka pulzu pro aktivaci cívky

- Cívka poháněná IGBT

- Jeden kondenzátor 1000uF/550V

- Nejvyšší dosažená rychlost 36 m/s, bude do značné míry záviset na vlastnostech cívky a projektilu a geometrii

- Počáteční doba nabíjení přibližně 8 s, doba nabíjení závisí na době vybití, v příkladu videa je to 5 s

Celkové náklady pouze na elektronické součástky jsou asi 140 USD v USA, kromě měděného drátu/ hlavně pro cívku.

V tomto tutoriálu pouze popíšu, jak sestavit desku plošných spojů.

Poskytnu také všechny další informace, abych z tohoto okruhu vytěžil maximum, aniž bych to vyhodil do vzduchu.

Podrobný popis mechanické sestavy uvádět nebudu, protože si myslím, že by se dala vylepšit / upravit. V této části budete muset použít svou představivost.

Krok 1: Varování

POZOR:

Nezapomeňte si tuto sekci přečíst a porozumět jí!

Obvod nabíjí kondenzátor na přibližně 525V. Pokud se dotknete svorek takového kondenzátoru holýma rukama, můžete si vážně ublížit. Také (to je méně nebezpečné, ale přesto by to mělo být zmíněno), vysoký proud, který mohou poskytovat, může vytvářet jiskry a může odpařovat tenké dráty. Proto vždy noste ochranu očí!

Ochranné brýle jsou nutností

Kondenzátor si zachovává náboj i po vypnutí hlavního vypínače. Musí být vybita PŘED prací na okruhu !!!

Za druhé použijeme energii obsaženou v kondenzátoru a přeměníme ji na kinetickou energii střely. Přestože je rychlost této střely nízká, může vám (nebo někomu jinému) ublížit, proto používejte stejná bezpečnostní pravidla jako při práci s elektrickým nářadím nebo při jakékoli jiné mechanické práci.

NIKDY to nemiřte na osobu, když je nabitá a nabitá, použijte zdravý rozum.

Krok 2: Nástroje a požadavky na pracoviště

Potřebné dovednosti:

Pokud jste v elektronice úplně noví, pak tento projekt není pro vás. Jsou nutné následující dovednosti:

- Schopný pájet zařízení pro povrchovou montáž včetně integrovaných obvodů, kondenzátorů a rezistorů

- Schopen používat multimetr

Potřebné nástroje (minimum):

- Páječka s jemným hrotem / velkou špičkou

- Pájecí drát

- Tekuté tavidlo nebo tavné pero

- Odpájecí cop

- Zvětšovací sklo pro kontrolu pájených spojů nebo mikroskopu

- Jemná pinzeta

- Multimetr pro měření napětí meziobvodu (525 V DC)

Doporučené nástroje (volitelné)

- Nastavitelné napájení

- Osciloskop

- Horkovzdušná odpájecí stanice

Příprava pracoviště a obecná pracovní doporučení:

- Použijte čistý stůl, nejlépe ne plastový (aby se předešlo problémům se statickým nábojem)

- Nepoužívejte oblečení, které snadno vytváří / hromadí náboj (to je ten, který vytváří jiskry, když jej odstraníte)

- Protože téměř nikdo nemá doma bezpečné pracoviště ESD, doporučuji montáž provést v jednom kroku, tj. Nenoste rozumné součásti (všechny polovodiče, jakmile je vyjmete z obalu). Umístěte všechny součásti na stůl a poté spusťte.

- Některé součásti jsou docela malé, jako odpory a kondenzátory v balení 0603, mohou se snadno ztratit, vyjmout z obalu pouze jeden po druhém

- Nabíjecí IC v pouzdru TSSOP20 je nejobtížněji pájitelný, má rozteč 0,65 mm (vzdálenost mezi piny), což zdaleka není nejmenší průmyslový standard, ale pro někoho méně zkušeného to může být obtížné. Pokud si nejste jisti, doporučuji místo sešrotování desky plošných spojů nejprve natrénovat pájení na něco jiného

Celý proces montáže DPS je opět ukázán na videu zmíněném na první stránce tohoto tutoriálu

Krok 3: Diagram

V této části uvedu přehled obvodu. Přečtěte si to pozorně, pomůže vám to zabránit poškození desky, kterou jste právě sestavili.

Vlevo bude připojena baterie. Ujistěte se, že je za všech podmínek nižší než 8 V, jinak může dojít k poškození obvodu nabíječky!

Baterie, které jsem použil, jsou 3,7 V, ale při velmi mírném zatížení budou mít napětí vyšší než 4 V, proto by nabíječce před spuštěním poskytly napětí vyšší než 8 V. Bez rizika jsou v sérii s baterií dvě schottkyho diody, které snižují napětí pod 8V. Slouží také jako ochrana před obrácenými bateriemi. Použijte také pojistku 3 až 5 A v sérii, může to být pojistka nízkého napětí, jako jsou pojistky používané ve vozidlech. Abyste se vyhnuli vybití baterie, když zbraň nepoužíváte, doporučuji připojit hlavní vypínač.

Napětí baterie na vstupních svorkách desky plošných spojů by mělo být vždy mezi 5 V a 8 V, aby obvod správně fungoval.

Řídicí část obsahuje podpěťovou ochranu a 3 časové obvody. Časovač IC U11 s blikáním LED1 indikuje, že příkaz k zapnutí obvodu nabíječky je aktivní. Timer IC U10 určuje šířku výstupního impulsu. Šířku pulzu lze nastavit potenciometrem R36. S hodnotami R8 a C4/C6 podle kusovníku je rozsah: 510us až 2,7ms. Pokud požadujete šířky impulzů mimo tento rozsah, lze tyto hodnoty upravit podle potřeby.

Propojovací kabel J1 lze otevřít pro počáteční testování. Příkaz k povolení obvodu nabíječky prochází propojkou (pozitivní logika, tj. 0 V = nabíječka deaktivována; VBAT = nabíječka povolena).

Horní střední část obsahuje obvod nabíječe kondenzátoru. Špičkový proudový limit transformátoru je 10 A, tento proud je konfigurován s proudovým snímacím odporem R21 a neměl by být zvýšen, jinak riskujete nasycení jádra transformátoru. Špička 10A vede k trochu více než 3A průměrnému proudu z baterie, což je v pořádku pro baterie, které jsem použil. Pokud chcete použít jiné baterie, které nemohou poskytovat tento proud, budete muset zvýšit hodnotu odporu R21. (zvýšení hodnoty odporu R21 ke snížení špičkového proudu transformátoru a následně průměrného proudu z baterie)

Výstupní napětí hlavního kondenzátoru se měří komparátorem. Aktivuje LED2, když je napětí nad asi 500 V, a deaktivuje nabíječku, když je napětí vyšší než 550 V v případě přepětí (to by se ve skutečnosti nikdy nemělo stát).

NIKDY NENAPÁJEJTE NABÍJEČ BEZ HLAVNÍHO KAPACITORU PŘIPOJENÉHO K OKRUHU. Mohlo by dojít k poškození IC nabíječky.

Poslední obvod je můstkový obvod, který vybíjí kondenzátor dvěma IGBT do zátěže / cívky.

Krok 4: Kontrola DPS

Nejprve zkontrolujte PCB, zda neobsahuje nic neobvyklého. Jsou skutečně zkontrolovány a elektricky testovány výrobcem, ale vždy je dobré před montáží zkontrolovat. Nikdy jsem neměl problémy, je to jen zvyk.

Soubory Gerber si můžete stáhnout zde:

nahrajte je výrobci PCB jako OSHPARK. COM nebo JLCPCB. COM nebo komukoli jinému.

Krok 5: Montáž

Stáhněte si soubor rozpisky aplikace Excel a dva soubory pdf pro umístění komponent

Nejprve sestavte menší desku plošných spojů, která drží velký elektrolytický kondenzátor. Dbejte na správnou polaritu!

90 stupňové záhlaví, které spojí tuto desku plošných spojů s hlavní deskou plošných spojů, lze namontovat na horní nebo spodní stranu v závislosti na vaší mechanické sestavě.

Ještě NEPájejte záhlaví do hlavní desky plošných spojů, je obtížné je odstranit. Připojte dva krátké vodiče silnější než AWG20 mezi obě desky plošných spojů.

Na hlavní desce plošných spojů nejprve sestavte nabíječku IC, což je nejtěžší část, pokud na ni nejste zvyklí. Poté sestavte menší součásti. Nejprve nainstalujeme všechny kondenzátory a odpory. Nejjednodušší metodou je nanést trochu pájky na jednu podložku a poté součást připájet pomocí pinzety na tuto podložku. Nezáleží na tom, jak v tomto bodě vypadá pájecí spoj, slouží to pouze k jeho upevnění na místě.

Poté pájejte druhou podložku. Nyní použijte tekutý tavidlo nebo tavné pero na nepříliš dobře vypadající pájecí spoje a spoj znovu proveďte. Použijte příklady ve videu jako referenci, jak vypadá přijatelný pájený spoj.

Nyní přejděte k integrovaným obvodům. Opravte jeden terminál na DPS pomocí výše uvedené metody. Poté připájejte také všechny ostatní piny.

Dále nainstalujeme větší součásti, jako jsou elektrolytické a filmové kondenzátory, trimpot, LED diody, mosfety, diody, IGBT a transformátor nabíjecího obvodu.

Znovu zkontrolujte všechny pájené spoje, ujistěte se, že žádná součást není zlomená nebo prasklá atd.

Krok 6: Spuštění

Pozor: Nepřekračujte vstupní napětí 8V

Pokud máte osciloskop:

Připojte tlačítko (normálně otevřené) ke vstupům SW1 a SW2.

Ověřte, zda je propojka J1 otevřená. Ideálně připojte nastavitelný stolní napájecí zdroj ke vstupu baterie. Pokud nemáte nastavitelný stolní napájecí zdroj, budete muset jít přímo s bateriemi. LED 1 by měla blikat, jakmile je vstupní napětí vyšší než přibližně 5,6V. Podpěťový obvod má velkou hysterezi, tj. Aby obvod nejprve zapnul napětí musí být vyšší než 5,6 V, ale vypne obvod pouze tehdy, když vstupní napětí klesne pod přibližně 4,9 V. U baterií použitých v tomto příkladu je to irelevantní funkce, ale může to být užitečné, pokud pracujete s bateriemi, které mají vyšší vnitřní odpor a/nebo jsou částečně vybité.

Změřte napětí hlavního vysokonapěťového kondenzátoru vhodným multimetrem, mělo by zůstat 0 V, protože nabíječka má být deaktivována.

Při osciloskopu změřte při stisknutí tlačítka šířku pulsu na pinu 3 U10. Měl by být nastavitelný pomocí trimpotu R36 a měl by se pohybovat mezi přibližně 0,5 ms a 2,7 ms. Po každém stisknutí tlačítka dojde k přibližně 5s zpoždění, než bude možné puls restartovat.

Přejděte ke kroku … test plného napětí

pokud nemáte osciloskop:

Proveďte stejné kroky jako výše, ale přeskočte měření šířky pulsu, multimetrem nelze nic měřit.

Přejít na … test plného napětí

Krok 7: Test plného napětí

Odstraňte vstupní napětí.

Zavřete propojku J1.

Znovu zkontrolujte správnou polaritu vysokonapěťového kondenzátoru!

Připojte multimetr dimenzovaný na očekávané napětí (> 525 V) ke svorkám kondenzátoru vysokého napětí.

Připojte testovací cívku k výstupním svorkám Coil1 a Coil2. Nejnižší cívka indukčnosti/odporu, kterou jsem s tímto obvodem použil, byla AWG20 500uH/0,5 Ohm. Ve videu jsem použil 1 mH 1R.

Ujistěte se, že v blízkosti nebo uvnitř cívky nejsou žádné feromagnetické materiály.

Noste ochranné brýle

Na vstupní svorky přiveďte napětí baterie.

Nabíječka by se měla spustit a stejnosměrné napětí na kondenzátoru by mělo rychle stoupat.

Mělo by se stabilizovat na přibližně 520V. Pokud překročí 550 V a stále stoupá, okamžitě vypněte vstupní napětí, něco by bylo špatně na zpětné vazbě části nabíječky IC. V takovém případě budete muset znovu zkontrolovat všechny pájené spoje a správnou instalaci všech součástí.

LED2 by nyní měla svítit, což znamená, že hlavní kondenzátor je plně nabitý.

Stiskněte spoušť, napětí by mělo klesnout o několik stovek voltů, přesná hodnota bude záviset na upravené šířce impulsu.

Vypněte vstupní napětí.

Před manipulací s deskami plošných spojů je třeba vybít kondenzátor

To lze provést buď počkáním, dokud napětí neklesne na bezpečnou hodnotu (trvá dlouho), nebo jeho vybitím výkonovým odporem. Několik žárovek v sérii bude také dělat svou práci, počet potřebných žárovek bude záviset na jejich jmenovitém napětí, dvě až tři pro žárovky 220 V, čtyři až pět pro žárovky 120 V

Odstraňte vodiče z desky kondenzátoru. K dokončení modulu lze kondenzátor nyní (nebo později) připájet přímo na základní desku v závislosti na procesu mechanické montáže. Kondenzátorový modul je obtížné vyjmout z hlavní desky plošných spojů, podle toho naplánujte.

Krok 8: Mechanický

Aspekty mechanické montáže

Hlavní deska plošných spojů má 6 výřezů pro montáž na podpěru. V blízkosti těchto stop jsou víceméně stopy mědi. Při montáži desky plošných spojů je třeba dbát na to, aby tyto stopy nebyly zkratovány ke šroubu. Proto je třeba použít plastové rozpěrky a plastové podložky. Jako pouzdro jsem použil kovový šrot, hliníkový U profil. Pokud používáte kovovou podpěru, měla by být uzemněna, tj. Připojena vodičem k zápornému pólu baterie. Přístupné části (části, kterých se lze dotknout) jsou spouště a baterie, jejichž napětí je blízko země. Pokud by jakýkoli vysokonapěťový uzel přišel do kontaktu s kovovým pouzdrem, byl by zkratován k zemi a uživatel je v bezpečí. V závislosti na hmotnosti pouzdra a cívky může být celá jednotka docela těžká zepředu, takže je třeba odpovídajícím způsobem nainstalovat rukojeť.

Pouzdro by také mohlo být mnohem hezčí, 3D vytištěno, malováno atd., To je na vás.

Krok 9: Teorie

Princip práce je velmi jednoduchý.

Oba IGBT jsou aktivovány současně po dobu několika stovek us až několika ms v závislosti na konfiguraci/nastavení monostabilního oscilátoru U10. Cívkou se pak začne hromadit proud. Proud odpovídá síle magnetického pole a síle magnetického pole síle působící na projektil uvnitř cívky. Střela se začne pomalu pohybovat a těsně před tím, než její střed dosáhne doprostřed cívky, jsou IGBT vypnuty. Proud uvnitř cívky však nepřestává okamžitě, ale nyní proudí diodami a na nějaký čas zpět do hlavního kondenzátoru. Zatímco proud se rozpadá, uvnitř cívky je stále magnetické pole, takže by to mělo klesnout téměř na nulu, než se střed střely dostane do středu cívky, jinak by na ni působila síla lámání. Výsledek reálného světa odpovídá simulaci. Koncový proud před vypnutím pulsu je 367A (proudová sonda 1000A/4V)

Krok 10: Konstrukce cívky

Rychlost 36 m/s byla získána s následující cívkou: 500 uH, AWG20, 0,5 R, délka 22 mm, vnitřní průměr 8 mm. Použijte trubku, která má nejmenší možnou mezeru mezi vnitřní stěnou a projektilem a přesto umožňuje volný pohyb střely. Mělo by také mít co nejtenčí stěny a přitom být velmi tuhé. Použil jsem trubku z nerezové oceli a nebyly zaznamenány žádné škodlivé účinky. Pokud používáte elektricky vodivou trubici, nezapomeňte ji před navinutím izolovat vhodnou páskou (použil jsem pásku Kapton). Během navíjení budete možná muset dočasně namontovat další koncové kusy, protože během procesu navíjení se vyvíjejí značné boční síly. Pak bych doporučil opravit/chránit vinutí epoxidem. To pomůže zabránit poškození vinutí při manipulaci/montáži cívky. Celá sestava cívky by měla být provedena tak, aby se vinutí nemohla pohybovat. K upevnění na hlavní pouzdro potřebujete také nějakou podporu.

Krok 11: Možné úpravy a omezení obvodu

Kondenzátor nabitý na 522 V obsahuje 136 joulů. Účinnost tohoto obvodu je velmi nízká, stejně jako u většiny jednoduchých jednostupňových návrhů, které urychlují feromagnetické projektily. Maximální napětí je omezeno maximálním povoleným napětím kondenzátoru 550 V DC a maximálním hodnocením VCE IGBT. Jiné geometrie cívek a nižší hodnoty indukčnosti/odporu mohou vést k vyšší rychlosti/účinnosti. Maximální specifikovaný špičkový proud pro tento IGBT je 600A. Existují další IGBT stejné velikosti, které by mohly podporovat vyšší nárazové proudy. V každém případě, pokud uvažujete o zvýšení kapacity nebo velikosti IGBT, zvažte následující hlavní problémy: Respektujte maximální proud uvedený v datovém listu IGBT. Nedoporučuji zvyšovat napětí nabíječky, je třeba zvážit příliš mnoho proměnných. Zvýšení kapacity a použití delších šířek impulzů pro větší cívky také zvýší ztrátový výkon IGBT. Proto mohou potřebovat chladič. Doporučuji nejprve simulovat upravený obvod v SPICE /Multisim nebo jiném simulačním softwaru, abyste zjistili, jaký bude špičkový proud.

Hodně štěstí!

Krok 12: Coil Gun v akci

Jen se pobavit při fotografování náhodných věcí …