Coilgun SGP33 - Upute za potpuno sastavljanje i ispitivanje: 12 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Ovaj vodič opisuje kako sastaviti elektroniku pištolja sa zavojnicom prikazanog u ovom videu:

SGP-33 montažni Youtube

Na posljednjoj stranici ovog vodiča postoji i video zapis gdje ga vidite na djelu. Evo linka.

PCB -ove za ovu demonstraciju ljubazno je dostavio JLCPCB. COM

Cilj je bio izgraditi jednostepeni pištolj sa zavojnicama koji je lagan, ima dobre performanse i koristi uobičajeno dostupne dijelove po razumnoj cijeni.

Karakteristike:

- Jednostepeni, pojedinačni snimak

- Podesiva širina impulsa za aktiviranje zavojnice

- Zavojnica sa IGBT pogonom

- Pojedinačni kondenzator 1000uF/550V

- Najveća postignuta brzina od 36 m/s uvelike će ovisiti o svojstvima zavojnice i projektila i geometriji

- Početno vrijeme punjenja oko 8s, vrijeme punjenja ovisi o vremenu pražnjenja, u video primjeru je 5s

Ukupni troškovi samo za elektroničke dijelove iznose oko 140 USD, isključujući bakrenu žicu/ cijev za zavojnicu.

U ovom vodiču ću samo opisati kako sastaviti PCB.

Također ću pružiti sve ostale informacije kako biste izvukli maksimum iz ovog kruga, a da ga ne dižete u zrak.

Neću davati detaljan opis mehaničkog sklopa jer mislim da bi se mogao poboljšati / izmijeniti. Za taj dio ćete morati upotrijebiti maštu.

Korak 1: Upozorenje

OPREZ:

Pročitajte i razumite ovaj odjeljak!

Krug puni kondenzator na približno 525V. Ako golim rukama dodirnete stezaljke takvog kondenzatora, možete se ozbiljno ozlijediti. Također (ovo je manje opasno, ali ipak treba napomenuti), velika struja koju mogu pružiti može stvoriti iskre i ispariti tanke žice. Zato uvijek nosite zaštitu za oči!

Zaštitne naočare su neophodne

Kondenzator zadržava naboj i nakon isključivanja glavnog prekidača. Mora se isprazniti PRIJE rada na strujnom krugu !!!

Drugo, iskoristit ćemo energiju sadržanu u kondenzatoru i pretvoriti je u kinetičku energiju projektila. Iako je brzina projektila mala, mogao bi vas (ili nekoga drugog) povrijediti, stoga koristite ista sigurnosna pravila kao pri radu s električnim alatima ili bilo kakvim drugim mehaničkim radovima.

Zato NIKADA nemojte ovo usmjeravati na osobu kada je napunjena i napunjena, koristite zdrav razum.

Korak 2: Alati i zahtjevi na radnom mjestu

Potrebne vještine:

Ako ste potpuno novi u elektronici, onda ovaj projekt nije za vas. Potrebne su sljedeće vještine:

- Sposobnost lemljenja uređaja za površinsko montiranje uključujući IC -ove, kondenzatore i otpornike

- Može koristiti multimetar

Potrebni alati (minimum):

- Lemilica sa finim vrhom / velikim vrhom

- Lemljena žica

- Tečni fluks ili flomaster

- Pletenica za odlemljivanje

- Lupa za pregled lemnih spojeva ili mikroskop

- Fina pinceta

- Multimetar za mjerenje napona istosmjerne veze (525VDC)

Preporučeni alati (opcionalno)

- Podesivo napajanje

- Osciloskop

- Stanica za vađenje toplog vazduha

Priprema radnog mjesta i opće preporuke za rad:

- Koristite čisti stol, po mogućnosti ne plastičan (kako biste izbjegli probleme sa statičkim nabojem)

- Ne koristite odjeću koja lako stvara / akumulira naboj (to je ona koja stvara iskre kada je uklonite)

- Budući da gotovo nitko kod kuće nema ESD sigurno radno mjesto, preporučujem da se montaža izvede u jednom koraku, tj. Nemojte nositi oko sebe osjetljive komponente (svi poluvodiči nakon što ih izvadite iz ambalaže). Stavite sve komponente na stol, a zatim krenite.

- Neke su komponente prilično male, poput otpornika i kondenzatora u 0603 pakiranjima, lako se mogu izgubiti, izvaditi samo jedan po jedan iz pakiranja

- IC punjač u paketu TSSOP20 je najteži dio za lemljenje, ima razmak od 0,65 mm (udaljenost između pinova) što je još uvijek daleko od najmanjeg industrijskog standarda, ali bi moglo biti teško nekome s manje iskustva. Ako niste sigurni, preporučio bih vam da prvo istrenirate lemljenje na nečem drugom, umjesto da odložite PCB

Opet, cijeli proces sastavljanja PCB -a prikazan je u videu spomenutom na prvoj stranici ovog vodiča

Korak 3: Dijagram

U ovom odjeljku dat ću pregled kola. Pažljivo ga pročitajte, to će vam pomoći da izbjegnete oštećenja ploče koju ste upravo sastavili.

S lijeve strane bit će spojena baterija. Uvjerite se da je ispod svih 8 V u svim uvjetima ili bi se moglo oštetiti strujno kolo punjača!

Baterije koje sam koristio su 3,7 V, ali će imati napon veći od 4 V pri vrlo malom opterećenju, pa bi punjaču dale napon veći od 8 V prije nego što se uključi. Ne riskirajući, postoje dvije schottky diode u nizu s baterijom za pad napona na ispod 8V. Oni služe i kao zaštita od preokrenutih baterija. Također koristite osigurač od 3 do 5A u seriji, to može biti niskonaponski osigurač poput onih koji se koriste u vozilima. Da biste izbjegli pražnjenje baterije kada pištolj nije u upotrebi, preporučujem da spojite glavni prekidač za napajanje.

Napon baterije na ulaznim priključcima PCB -a trebao bi biti između 5V i 8V u svakom trenutku kako bi krug ispravno radio.

Upravljački dio sadrži zaštitu od prenapona i 3 vremenska kruga. Tajmer IC U11 sa LED1 treperenjem označava da je naredba za uključivanje kola punjača aktivna. Tajmer IC U10 određuje širinu izlaznog impulsa. Širina impulsa može se podesiti potenciometrom R36. Sa vrijednostima R8 i C4/C6 prema BOM raspon je: 510us do 2,7ms. Ako vam je potrebna širina impulsa izvan ovog raspona, ove se vrijednosti mogu prilagoditi kako želite.

Jumper J1 može biti otvoren za početno testiranje. Naredba za omogućavanje kola punjača prolazi kroz taj kratkospojnik (pozitivna logika, tj. 0V = punjač je onemogućen; VBAT = punjač je omogućen).

Gornji srednji dio sadrži krug punjača kondenzatora. Ograničenje vršne struje transformatora je 10A, ova struja je konfigurirana s otpornikom osjetnika struje R21 i ne smije se povećavati ili možete riskirati zasićenje jezgre transformatora. Vrh 10A dovodi do malo više od 3A prosječne struje iz baterije, što je u redu za baterije koje sam koristio. Ako želite koristiti druge baterije koje ne mogu osigurati tu struju, morat ćete povećati vrijednost otpornika R21. (povećanje vrijednosti otpornika R21 za smanjenje vršne struje transformatora i posljedično prosječne struje iz baterije)

Izlazni napon glavnog kondenzatora mjeri se komparatorom. Aktivira LED2 kada je napon iznad oko 500V i deaktivira punjač kada je napon iznad 550V u slučaju prenapona (to se zapravo nikada ne bi trebalo dogoditi).

NIKADA NEMOJTE NAPAJATI PUNJAČ BEZ GLAVNOG KAPACITORA POVEZANOG NA KOLO. To može oštetiti IC punjač.

Posljednji krug je mostni krug koji prazni kondenzator kroz dva IGBT -a u opterećenje / zavojnicu.

Korak 4: Pregled PCB -a

Prvo provjerite ima li na PCB -u bilo čega neobičnog. Dolaze stvarno pregledani i električno ispitani od proizvođača, ali uvijek je dobra ideja provjeriti prije sastavljanja. Nikada nisam imao problema, to je samo navika.

Gerber datoteke možete preuzeti ovdje:

prenesite ih proizvođaču PCB -a poput OSHPARK. COM ili JLCPCB. COM ili bilo kojem drugom.

Korak 5: Montaža

Preuzmite Excel BOM datoteku i dvije pdf datoteke za lokaciju komponente

Prvo sastavite manju tiskanu ploču koja drži veliki elektrolitski kondenzator. Obratite pažnju na pravi polaritet!

Zaglavlja od 90 stupnjeva koja će povezati ovu PCB s glavnom PCB -om mogu se montirati na gornju ili donju stranu ovisno o vašem mehaničkom sklopu.

NEMOJTE još zalemiti zaglavlja u glavnu PCB, teško ih je ukloniti. Spojite dvije kratke žice deblje od AWG20 između dva PCB -a.

Na glavnom PCB -u prvo sastavite IC punjač koji je najteži dio ako niste navikli na njega. Zatim sastavite manje komponente. Prvo ćemo instalirati sve kondenzatore i otpornike. Najjednostavniji način je da stavite malo lema na jednu podlogu, a zatim komponentu prvo zalemite pomoću pincete na ovu podlogu. Nije važno kako lemni spoj izgleda u ovom trenutku, ovo služi samo za njegovo učvršćivanje.

Zatim lemite drugi jastučić. Sada upotrijebite tekući fluks ili olovku za fluks na ležećim spojevima koji ne izgledaju tako lijepo i ponovno ih spojite. Koristite primjere u videu kao referencu o tome kako izgleda prihvatljiv lemni spoj.

Sada pređite na ICs. Popravite jedan terminal na PCB -u pomoću gore navedene metode. Zatim lemite i sve ostale iglice.

Zatim ćemo instalirati veće komponente kao što su elektrolitički i filmski kondenzatori, trimpot, LED diode, Mosfeti, diode, IGBT i transformator kola punjača.

Dvaput provjerite sve lemne spojeve, provjerite da li je neka komponenta slomljena ili napukla itd.

Korak 6: Pokretanje

Oprez: Nemojte prekoračiti ulazni napon od 8V

Ako imate osciloskop:

Priključite dugme (normalno otvoreno) na ulaze SW1 i SW2.

Provjerite je li kratkospojnik J1 otvoren. U idealnom slučaju, priključite podesivo napajanje na računaru na ulaz baterije. Ako nemate podesivo stolno napajanje, morat ćete ići izravno s baterijama. LED 1 bi trebao treptati čim je ulazni napon veći od oko 5,6V. Podnaponski krug ima veliku histerezu, odnosno za početak uključivanja strujnog kola napon mora biti veći od 5,6 V, ali će isključiti krug samo kada ulazni napon padne ispod 4,9 V. Za baterije korištene u ovom primjeru ovo je nevažna značajka, ali može biti korisna ako radite s baterijama koje imaju veći unutarnji otpor i/ili su djelomično ispražnjene.

Izmjerite napon glavnog visokonaponskog kondenzatora odgovarajućim multimetrom, trebao bi ostati 0V jer se pretpostavlja da je punjač deaktiviran.

Osciloskopom izmjerite širinu impulsa na pinu 3 U10 pritiskom na tipku. Trebalo bi ga podesiti trimpotom R36 i varirati između 0,5 i 2,7 ms. Postoji kašnjenje od oko 5 s prije nego što se puls može ponovo pokrenuti nakon svakog pritiska na dugme.

Idite na korak … puni naponski test

ako nemate osciloskop:

Učinite iste korake kao gore, ali preskočite mjerenje širine impulsa, ništa se ne može mjeriti multimetrom.

Idite na … test punog napona

Korak 7: Test punog napona

Uklonite ulazni napon.

Zatvorite kratkospojnik J1.

Dvaput provjerite ispravan polaritet visokonaponskog kondenzatora!

Priključite multimetar za očekivani napon (> 525V) na stezaljke visokonaponskog kondenzatora.

Spojite ispitni kalem na izlazne stezaljke Coil1 i Coil2. Najniža zavojnica induktiviteta/otpora koju sam koristio u ovom krugu bila je AWG20 500uH/0,5 Ohm. U videu sam koristio 1mH 1R.

Uvjerite se da u blizini ili unutar zavojnice nema feromagnetnih materijala.

Nosite zaštitne naočare

Primijenite napon baterije na ulazne priključke.

Punjač bi se trebao pokrenuti i istosmjerni napon na kondenzatoru bi trebao brzo rasti.

Trebao bi se stabilizirati na oko 520V. Ako pređe 550 V i nastavi rasti, odmah isključite ulazni napon, nešto ne bi bilo u redu s povratnim dijelom IC punjača. U tom slučaju morat ćete ponovno provjeriti sve lemne spojeve i ispravnu ugradnju svih komponenti.

LED2 bi sada trebao svijetliti označavajući da je glavni kondenzator potpuno napunjen.

Pritisnite dugme okidača, napon bi trebao pasti nekoliko stotina volti, točna vrijednost ovisit će o prilagođenoj širini impulsa.

Isključite ulazni napon.

Prije rukovanja PCB -ovima, kondenzator se mora isprazniti

To se može učiniti čekanjem dok napon ne padne na sigurnu vrijednost (potrebno je dosta vremena) ili pražnjenjem pomoću otpornika snage. Nekoliko serija sijalica sa žarnom niti će također obaviti posao, broj potrebnih sijalica ovisit će o njihovom naponu, dvije do tri za lampe od 220 V, četiri do pet za lampe od 120 V

Uklonite žice s PCB -a kondenzatora. Za dovršetak modula, kondenzator se sada (ili kasnije) može lemiti izravno na glavnu ploču, ovisno o postupku mehaničke montaže. Kondenzatorski modul teško je ukloniti s glavne tiskane ploče, planirajte u skladu s tim.

Korak 8: Mehanički

Razmatranja mehaničke montaže

Glavna PCB ploča ima 6 izreza za montiranje na nosač. Blizu ovih tragova ima manje -više tragova bakra. Prilikom montaže PCB -a morate paziti da te tragove ne skratite na vijak. Zbog toga je potrebno koristiti plastične odstojnike i plastične podloške. Za kućište sam koristio komad starog metala, aluminijski U-profil. Ako koristite metalni nosač, treba ga uzemljiti, tj. Spojiti žicom na minus pol baterije. Pristupačni dijelovi (dijelovi koji se mogu dodirnuti) su okidač i baterija, njihov naponski nivo je blizu zemlje. Ako bi bilo koji visokonaponski čvor došao u dodir s metalnim kućištem, spojio bi se na masu i korisnik je siguran. Ovisno o težini kućišta i zavojnice, cijela jedinica može biti prilično teška sprijeda, pa je potrebno odgovarajuće ugraditi držač.

Kućište bi također moglo biti mnogo ljepše, 3D štampano, obojeno itd. Na vama je.

Korak 9: Teorija

Princip rada je vrlo jednostavan.

Dva IGBT -a se aktiviraju istovremeno u vremenskom periodu od nekoliko stotina do nekoliko ms, ovisno o konfiguraciji/podešavanju monostabilnog oscilatora U10. Struja tada počinje da se nakuplja kroz zavojnicu. Struja odgovara jačini magnetskog polja i jačini magnetskog polja sili koja djeluje na projektil unutar zavojnice. Projektil se počinje polako kretati i neposredno prije nego što njegova sredina dosegne sredinu zavojnice, IGBT se isključuju. Struja unutar zavojnice ipak ne prestaje odmah, već sada neko vrijeme teče kroz diode i nazad u glavni kondenzator. Dok struja opada, unutar zavojnice još uvijek postoji magnetsko polje, pa bi to trebalo pasti na gotovo nulu prije nego što sredina projektila dođe do sredine zavojnice, u protivnom bi na nju djelovala slomna sila. Rezultat iz stvarnog svijeta odgovara simulaciji. Krajnja struja prije isključivanja impulsa je 367A (strujna sonda 1000A/4V)

Korak 10: Konstrukcija zavojnice

Brzina od 36 m/s je postignuta sa sljedećim namotajem: 500uH, AWG20, 0,5R, dužina 22 mm, unutrašnji promjer 8 mm. Upotrijebite cijev koja ima najmanji mogući razmak između unutrašnjeg zida i projektila i još uvijek omogućuje slobodno kretanje projektila. Također bi trebao imati što tanje zidove, a pritom biti vrlo krut. Koristio sam cijev od nehrđajućeg čelika i nisu primijećeni nikakvi štetni učinci. Ako koristite električno provodljivu cijev, obavezno je prije namotavanja izolirajte odgovarajućom trakom (koristio sam Kapton traku). Možda ćete morati privremeno montirati dodatne završne dijelove tijekom namotavanja, jer se tijekom procesa navijanja razvijaju znatne bočne sile. Tada bih preporučio da popravite/zaštitite namote epoksidom. To će pomoći u sprječavanju oštećenja namota pri rukovanju/sastavljanju zavojnice. Cijeli sklop zavojnice treba izvesti na način da se namoti ne mogu pomicati. Također vam je potrebna neka vrsta nosača za postavljanje na glavno kućište.

Korak 11: Moguće izmjene i ograničenja kola

Kondenzator napunjen na 522V sadrži 136 džula. Efikasnost ovog kruga je prilično niska, kao i kod većine jednostavnih jednostepenih konstrukcija koje ubrzavaju feromagnetne projektile. Maksimalni napon ograničen je najvećim dopuštenim naponom kondenzatora od 550VDC i maksimalnim VCE vrijednostima IGBT -ova. Druge geometrije zavojnica i niže vrijednosti induktiviteta/otpora mogu dovesti do većih brzina/efikasnosti. Maksimalna specificirana vršna struja za ovaj IGBT je 600A. Postoje i drugi IGBT -ovi iste veličine koji bi mogli podržati veće struje prenapona. U svakom slučaju, ako namjeravate povećati kapacitet ili veličinu IGBT -a, svakako razmislite o sljedećim glavnim pitanjima: Poštujte maksimalnu struju navedenu u IGBT podatkovnom listu. Ne preporučujem povećanje napona punjača, potrebno je uzeti u obzir previše varijabli. Povećanje kapaciteta i upotreba veće širine impulsa za veće zavojnice također će povećati rasipanje snage IGBT -ova. Stoga će im možda trebati hladnjak. Preporučujem da prvo simulirate modificirano kolo u SPICE /Multisim -u ili drugom simulacijskom softveru kako biste odredili kolika će biti vršna struja.

Sretno!

Korak 12: Zavojnica u akciji

Samo se zabavite snimajući nasumične stvari …