Coilgun SGP33 - Полная инструкция по сборке и тестированию: 12 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:51

В этом руководстве описывается, как собрать электронику катушечного пистолета, показанного в этом видео:

SGP-33 сборка Youtube

Также есть видео, где вы видите это в действии, на последней странице этого руководства. Вот ссылка.

Печатные платы для этой демонстрации любезно предоставлены JLCPCB. COM.

Цель заключалась в создании одноступенчатого ружейного пистолета, который был бы легким, имел хорошие характеристики и использовал бы общедоступные детали по разумной цене.

Функции:

- Одноступенчатый, одиночный выстрел

- Регулируемая длительность импульса активации катушки

- Катушка, управляемая IGBT

- Одиночный конденсатор 1000 мкФ / 550 В

- Максимальная скорость, полученная 36 м / с, будет сильно зависеть от свойств и геометрии катушки и снаряда.

- Время начальной зарядки около 8 с, время перезарядки зависит от времени разряда, в видео-примере это 5 с.

Общая стоимость только электронных компонентов составляет около 140 долларов США, не считая медного провода / цилиндра для катушки.

В этом уроке я только опишу, как собрать печатную плату.

Я также предоставлю всю остальную информацию, чтобы получить максимальную отдачу от этой схемы, не взрывая ее.

Подробно описывать механическую сборку я не буду, так как считаю, что ее можно улучшить / доработать. Для этого вам нужно будет задействовать свое воображение.

Шаг 1: Внимание

ОСТОРОЖНОСТЬ:

Убедитесь, что вы прочитали и поняли этот раздел!

Схема заряжает конденсатор примерно до 525 В. Если дотронуться до выводов такого конденсатора голыми руками, можно серьезно пораниться. Кроме того (это менее опасно, но, тем не менее, о нем следует упомянуть), большой ток, который они могут обеспечить, может создавать искры и может испарять тонкие провода. Поэтому всегда надевайте защитные очки!

Защитные очки - необходимость

Конденсатор сохраняет заряд даже после выключения главного выключателя. Его необходимо разрядить ПЕРЕД работой в цепи !!!

Во-вторых, мы будем использовать энергию, содержащуюся в конденсаторе, и преобразовывать ее в кинетическую энергию снаряда. Несмотря на то, что скорость этого снаряда мала, он все равно может поранить вас (или кого-то еще), поэтому соблюдайте те же правила безопасности, что и при работе с электроинструментом или при выполнении любых других механических работ.

Поэтому НИКОГДА не направляйте это на человека, когда он заряжен и заряжен, руководствуйтесь здравым смыслом.

Шаг 2. Требования к инструментам и рабочему месту

Необходимые навыки:

Если вы новичок в электронике, то этот проект не для вас. Необходимы следующие навыки:

- Возможность пайки устройств для поверхностного монтажа, включая микросхемы, конденсаторы и резисторы

- Возможность использовать мультиметр

Необходимые инструменты (минимум):

- Паяльник с тонкими / большими жалами

- Паяльная проволока

- Жидкий флюс или ручка для флюса

- Распайка оплетки

- Увеличительное стекло для проверки паяных соединений или микроскоп

- Прекрасный пинцет

- Мультиметр для измерения напряжения промежуточного контура (525 В постоянного тока)

Рекомендуемые инструменты (необязательно)

- Регулируемый блок питания

- Осциллограф

- Паяльная станция горячим воздухом

Подготовка рабочего места и общие рабочие рекомендации:

- Используйте чистый стол, желательно не пластиковый (во избежание проблем со статическим зарядом).

- Не используйте одежду, которая легко создает / накапливает заряд (это та, которая создает искры, когда вы ее снимаете).

- Поскольку почти ни у кого нет дома, безопасного для электростатического разряда, я рекомендую выполнять сборку за один этап, т.е.не носить с собой разумные компоненты (все полупроводники, когда вы вынимаете их из упаковки). Поместите все компоненты на стол и начните.

- Некоторые компоненты довольно маленькие, например, резисторы и конденсаторы в корпусах 0603, их можно легко потерять, вынимайте их из упаковки только по одному.

- Микросхема зарядного устройства в корпусе TSSOP20 - самая сложная часть для пайки, она имеет шаг 0,65 мм (расстояние между контактами), что все еще далеко не самый маленький отраслевой стандарт, но это может быть сложно для кого-то менее опытного. Если вы не уверены, я бы порекомендовал вам сначала потренироваться в пайке на чем-нибудь другом, вместо того, чтобы утилизировать печатную плату.

Опять же, весь процесс сборки печатной платы показан в видео, упомянутом на первой странице этого руководства.

Шаг 3: Схема

В этом разделе я дам обзор схемы. Прочтите внимательно, это поможет вам избежать повреждений только что собранной платы.

Слева будет подключена батарея. Убедитесь, что оно ниже 8 В при любых условиях, иначе цепь зарядного устройства может быть повреждена!

Батареи, которые я использовал, имеют 3,7 В, но при очень небольшой нагрузке они будут иметь напряжение выше 4 В, поэтому они будут давать напряжение выше 8 В на зарядное устройство перед его запуском. Не рискуя, есть два диода Шоттки, соединенные последовательно с батареей, чтобы снизить напряжение до уровня ниже 8 В. Они также служат защитой от перевернутых батарей. Также используйте последовательно плавкие предохранители от 3 до 5 А, это могут быть предохранители низкого напряжения, подобные тем, которые используются в транспортных средствах. Чтобы избежать разряда батареи, когда пистолет не используется, я рекомендую подключить главный выключатель питания.

Напряжение аккумулятора на входных клеммах печатной платы должно постоянно находиться в диапазоне от 5 В до 8 В для правильной работы схемы.

Секция управления содержит защиту от пониженного напряжения и 3 схемы таймера. Микросхема таймера U11 с миганием светодиода LED1 указывает на то, что команда на включение цепи зарядного устройства активна. Таймер IC U10 определяет ширину выходного импульса. Ширина импульса регулируется потенциометром R36. Для значений R8 и C4 / C6 согласно спецификации диапазон составляет: от 510 мкс до 2,7 мс. Если вам требуется, чтобы ширина импульса выходила за пределы этого диапазона, эти значения можно отрегулировать по вашему желанию.

Перемычка J1 может быть открыта для первоначального тестирования. Команда на включение зарядного устройства проходит через эту перемычку (положительная логика, т.е. 0 В = зарядное устройство отключено; VBAT = зарядное устройство включено).

В верхней средней части находится схема зарядного устройства конденсатора. Пиковый ток трансформатора составляет 10 А, этот ток настраивается с помощью резистора измерения тока R21, и его не следует увеличивать, иначе существует риск насыщения сердечника трансформатора. Пиковое значение 10А приводит к тому, что средний ток от батареи немного превышает 3А, что нормально для батарей, которые я использовал. Если вы хотите использовать другие батареи, которые не могут обеспечить такой ток, вам необходимо увеличить сопротивление резистора R21. (увеличьте сопротивление резистора R21, чтобы уменьшить пиковый ток трансформатора и, следовательно, средний ток от батареи)

Выходное напряжение главного конденсатора измеряется компаратором. Он активирует светодиод 2, когда напряжение превышает примерно 500 В, и деактивирует зарядное устройство, когда напряжение превышает 550 В в случае перенапряжения (что на самом деле никогда не должно происходить).

НИКОГДА НЕ ВКЛЮЧАЙТЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО БЕЗ ГЛАВНОГО КОНДЕНСАТОРА, ПОДКЛЮЧЕННОГО К ЦЕПИ. Это может повредить микросхему зарядного устройства.

Последняя схема представляет собой мостовую схему, которая разряжает конденсатор через два IGBT в нагрузку / катушку.

Шаг 4: Осмотр печатной платы

Сначала осмотрите печатную плату на предмет необычного. На самом деле они поставляются проверенными и электрически протестированными от производителя, но всегда рекомендуется дважды проверить перед сборкой. У меня никогда не было проблем, это просто привычка.

Вы можете скачать файлы Gerber здесь:

загрузите их у производителя печатной платы, такого как OSHPARK. COM, JLCPCB. COM или любого другого.

Шаг 5: Сборка

Загрузите файл спецификации Excel и два файла pdf для расположения компонентов.

Сначала соберите меньшую печатную плату, на которой установлен большой электролитический конденсатор. Обратите внимание на правильную полярность!

Заглушки под углом 90 градусов, которые будут соединять эту печатную плату с основной платой, могут быть установлены на верхней или нижней стороне в зависимости от вашей механической сборки.

Пока НЕ припаивайте разъемы к основной плате, их сложно удалить. Подключите два коротких провода толще AWG20 между двумя печатными платами.

На основной плате сначала соберите микросхему зарядного устройства, которая является самой сложной частью, если вы к ней не привыкли. Затем соберите более мелкие компоненты. Сначала мы установим все конденсаторы и резисторы. Самый простой метод - нанести немного припоя на одну площадку, а затем спаять компонент с помощью пинцета на этой площадке. Неважно, как паяное соединение выглядит в этом месте, это служит лишь для его фиксации на месте.

Затем припаяйте вторую площадку. Теперь используйте жидкий флюс или флюсовую ручку на не очень красивых паяных соединениях и заново сделайте соединение. Используйте примеры в видео в качестве справочной информации о том, как выглядит приемлемое паяное соединение.

Теперь перейдем к микросхемам. Закрепите одну клемму на печатной плате описанным выше способом. Затем припаяйте и все остальные контакты.

Затем мы установим более крупные компоненты, такие как электролитические и пленочные конденсаторы, подстроечный резистор, светодиоды, МОП-транзисторы, диоды, IGBT и трансформатор схемы зарядного устройства.

Дважды проверьте все паяные соединения, убедитесь, что ни один компонент не сломан, не имеет трещин и т. Д.

Шаг 6: Запуск

Внимание: не превышайте входное напряжение 8 В

Если у вас есть осциллограф:

Подключите кнопку (нормально разомкнутую) к входам SW1 и SW2.

Убедитесь, что перемычка J1 разомкнута. В идеале подключите регулируемый настольный источник питания ко входу батареи. Если у вас нет регулируемого настольного источника питания, вам придется использовать батареи. Светодиод 1 должен мигать, как только входное напряжение превысит 5,6 В. Схема пониженного напряжения имеет большой гистерезис, то есть для первоначального включения схемы напряжение должно быть выше 5,6 В, но оно отключит схему только тогда, когда входное напряжение упадет ниже примерно 4,9 В. Для батарей, используемых в этом примере, это несущественная функция, но может быть полезна при работе с батареями, которые имеют более высокое внутреннее сопротивление и / или частично разряжены.

С помощью подходящего мультиметра измерьте напряжение главного высоковольтного конденсатора, оно должно оставаться равным 0 В, поскольку предполагается, что зарядное устройство отключено.

С помощью осциллографа измерьте ширину импульса на выводе 3 U10 при нажатии кнопки. Он должен регулироваться с помощью триммера R36 и варьироваться от 0,5 до 2,7 мс. После каждого нажатия кнопки перед повторным запуском импульса имеется задержка около 5 секунд.

Перейти к этапу… испытание при полном напряжении

если у вас нет осциллографа:

Выполните те же действия, что и выше, но пропустите измерение ширины импульса, мультиметром нечего измерять.

Перейти к… испытанию полным напряжением

Шаг 7: Испытание при полном напряжении

Снимите входное напряжение.

Закройте перемычку J1.

Дважды проверьте правильность полярности высоковольтного конденсатора!

Подключите мультиметр, рассчитанный на ожидаемое напряжение (> 525 В), к клеммам высоковольтного конденсатора.

Подключите испытательную катушку к выходным клеммам Coil1 и Coil2. Самая низкая катушка индуктивности / сопротивления, которую я использовал с этой схемой, была AWG20 500 мкГн / 0,5 Ом. В видео я использовал 1mH 1R.

Убедитесь, что рядом с катушкой или внутри нее нет ферромагнитных материалов.

Надевайте защитные очки

Подайте напряжение аккумулятора на входные клеммы.

Зарядное устройство должно запуститься, и напряжение постоянного тока на конденсаторе должно быстро возрасти.

Он должен стабилизироваться на уровне около 520 В. Если оно превышает 550 В и продолжает расти, немедленно отключите входное напряжение, что-то не так с частью обратной связи микросхемы зарядного устройства. В этом случае вам нужно будет перепроверить все паяные соединения и правильно установить все компоненты.

Светодиод LED2 должен загореться, показывая, что основной конденсатор полностью заряжен.

Нажмите кнопку триггера, напряжение должно упасть на несколько сотен вольт, точное значение будет зависеть от установленной ширины импульса.

Отключите входное напряжение.

Перед работой с печатными платами необходимо разрядить конденсатор

Это можно сделать либо дождавшись, пока напряжение упадет до безопасного значения (занимает много времени), либо разрядив его с помощью силового резистора. Несколько последовательно соединенных ламп накаливания также подойдут для этой цели, количество необходимых лампочек будет зависеть от их номинального напряжения: от двух до трех для ламп 220 В, от четырех до пяти для ламп на 120 В.

Отсоедините провода от платы конденсатора. Чтобы завершить модуль, конденсатор теперь (или позже) можно припаять непосредственно к основной плате, в зависимости от процесса механической сборки. Модуль конденсатора сложно снять с основной платы, планируйте соответственно.

Шаг 8: механический

Рекомендации по механическому монтажу

На основной плате есть 6 вырезов для установки на подставку. Около этих следов более или менее видны следы меди. При установке печатной платы необходимо следить за тем, чтобы эти следы не закоротили винт. Поэтому необходимо использовать пластиковые прокладки и пластиковые шайбы. Я использовал кусок металлолома, алюминиевый U-образный профиль в качестве корпуса. Если используется металлическая опора, она должна быть заземлена, т.е. подключена проводом к минусовой клемме аккумулятора. Доступные части (части, к которым можно прикоснуться) - это курковый выключатель и аккумулятор, их уровень напряжения близок к заземлению. Если какой-либо узел высокого напряжения соприкоснется с металлическим корпусом, он будет замкнут на землю, и пользователь будет в безопасности. В зависимости от веса корпуса и катушки весь блок может быть довольно тяжелым спереди, поэтому необходимо соответствующим образом установить рукоятку.

Корпус также можно сделать намного лучше, напечатать на 3D-принтере, покрасить и т. Д. - решать вам.

Шаг 9: Теория

Принцип работы очень простой.

Два IGBT активируются одновременно на период времени от нескольких сотен мкс до пары мс в зависимости от конфигурации / настройки моностабильного генератора U10. Затем через катушку начинает нарастать ток. Ток соответствует напряженности магнитного поля, а напряженность магнитного поля - силе, действующей на снаряд внутри катушки. Снаряд начинает медленно двигаться, и как раз перед тем, как его середина достигает середины катушки, IGBT отключаются. Ток внутри катушки не прекращается мгновенно, а теперь течет через диоды и обратно в основной конденсатор в течение некоторого времени. В то время как ток затухает, внутри катушки все еще есть магнитное поле, поэтому оно должно упасть почти до нуля, прежде чем середина снаряда достигнет середины катушки, в противном случае на него будет оказана разрушающая сила. Реальный результат соответствует моделированию. Конечный ток перед выключением импульса составляет 367 А (токовый датчик 1000 А / 4 В).

Шаг 10: Конструкция катушки

Скорость 36 м / с была получена со следующей катушкой: 500uH, AWG20, 0,5R, длина 22 мм, внутренний диаметр 8 мм. Используйте трубку, которая имеет наименьший возможный зазор между внутренней стенкой и снарядом и при этом позволяет снаряду свободно перемещаться. Он также должен иметь как можно более тонкие стенки, но при этом быть очень жестким. Я использовал трубку из нержавеющей стали, и никаких вредных воздействий замечено не было. Если вы используете электропроводящую трубку, обязательно изолируйте ее соответствующей лентой (я использовал каптоновую ленту) перед намоткой. Возможно, вам понадобится временно установить дополнительные концевые детали во время намотки, потому что в процессе намотки возникают значительные боковые силы. Тогда я бы порекомендовал закрепить / защитить обмотки эпоксидной смолой. Это поможет предотвратить повреждение обмоток при обращении с катушкой / ее сборке. Вся сборка катушки должна быть сделана таким образом, чтобы обмотки не могли двигаться. Вам также понадобится какая-то опора, чтобы установить его на основной корпус.

Шаг 11: Возможные модификации и ограничения схемы

Конденсатор, заряженный до 522 В, содержит 136 Джоулей. Эффективность этой схемы довольно низкая, как и в большинстве простых одноступенчатых конструкций, которые ускоряют ферромагнитные снаряды. Максимальное напряжение ограничено максимально допустимым напряжением конденсатора 550 В постоянного тока и максимальным номиналом VCE IGBT. Другая геометрия катушки и более низкие значения индуктивности / сопротивления могут привести к более высоким скоростям / КПД. Однако максимальный указанный пиковый ток для этого IGBT составляет 600 А. Существуют и другие IGBT того же размера, которые могут поддерживать более высокие импульсные токи. В любом случае, если вы планируете увеличить емкость или размер IGBT, убедитесь, что вы приняли во внимание следующие основные проблемы: Соблюдайте максимальный ток, указанный в таблице данных IGBT. Я не рекомендую увеличивать напряжение зарядного устройства, необходимо учитывать слишком много переменных. Увеличение емкости и использование более длительных импульсов для больших катушек также увеличит рассеиваемую мощность IGBT. Поэтому им может потребоваться радиатор. Я рекомендую сначала смоделировать модифицированную схему в SPICE / Multisim или другом программном обеспечении для моделирования, чтобы определить, какой будет пиковый ток.

Удачи!

Шаг 12: спиральный пистолет в действии

Просто весело снимаю наугад…