Coilgun SGP33 - Fuld montage- og testinstruktion: 12 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Denne vejledning beskriver, hvordan du samler elektronikken i spolepistolen vist i denne video:

SGP-33 samling Youtube

Der er også en video, hvor du ser den i aktion på den sidste side i denne vejledning. Her er linket.

PCB'erne til denne demo blev venligst leveret af JLCPCB. COM

Målet var at bygge en etrins spolepistol, der er let, har god ydeevne og bruger almindeligt tilgængelige dele til en rimelig pris.

Funktioner:

- Enkelt etape, enkelt skud

- Justerbar spoleaktiveringspulsbredde

- IGBT-drevet spole

- Enkelt 1000uF/550V kondensator

- Højeste hastighed opnået 36m/s, vil i høj grad afhænge af spole- og projektilegenskaber og geometri

- Indledende ladetid omkring 8 sekunder, opladningstiden afhænger af afladningstiden, i videoeksemplet er det 5 sekunder

De samlede omkostninger for kun elektroniske dele er omkring $ 140 US, eksklusive kobbertråd/ tønde til spolen.

I denne vejledning vil jeg kun beskrive, hvordan man samler printkortet.

Jeg vil også give alle de andre oplysninger for at få mest muligt ud af dette kredsløb uden at sprænge det.

Jeg vil ikke give en detaljeret beskrivelse af den mekaniske samling, da jeg tror, den kan forbedres / ændres. Du bliver nødt til at bruge din fantasi til den del.

Trin 1: Advarsel

ADVARSEL:

Sørg for at læse og forstå dette afsnit!

Kredsløbet oplader en kondensator til omkring 525V. Hvis du rører terminalerne på en sådan kondensator med dine bare hænder, kan du alvorligt skade dig selv. Også (dette er mindre farligt, men bør ikke desto mindre nævnes), den høje strøm, de kan levere, kan skabe gnister og kan fordampe tynde ledninger. Brug derfor altid øjenværn!

Sikkerhedsbriller er et must

Kondensatoren bevarer ladningen, selv efter at hovedafbryderen er slukket. Det skal aflades, FØR der arbejdes på kredsløbet !!!

For det andet vil vi bruge energien i kondensatoren og omdanne den til kinetisk energi fra et projektil. Selvom projektilets hastighed er lav, kan det stadig skade dig (eller en anden), brug derfor de samme sikkerhedsregler som når du arbejder med elværktøj eller udfører andet mekanisk arbejde.

Så peg ALDRIG dette på en person, når det er lastet og ladet, brug sund fornuft.

Trin 2: Værktøjer og krav til arbejdspladsen

Behov for færdigheder:

Hvis du er helt ny inden for elektronik, er dette projekt ikke noget for dig. Følgende færdigheder er nødvendige:

- Kan lodde overflademonterede enheder, herunder IC'er, kondensatorer og modstande

- Kan bruge et multimeter

Nødvendige værktøjer (minimum):

- Fin spids / stort spids loddejern

- Loddetråd

- Liquid Flux eller flux pen

- Desoldering fletning

- Forstørrelsesglas til inspektion af loddefuger eller et mikroskop

- Fin pincet

- Multimeter til måling af DC-link spændingen (525VDC)

Anbefalede værktøjer (valgfrit)

- Justerbar strømforsyning

- Oscilloskop

- Varmluftsaflodningsstation

Forberedelse af arbejdspladsen og generelle arbejdsanbefalinger:

- Brug et rent bord, helst ikke plast (for at undgå problemer med statisk ladning)

- Brug ikke tøj, der let skaber / akkumulerer ladning, (det er det, der skaber gnister, når du fjerner det)

- Da næsten ingen har en ESD -sikker arbejdsplads derhjemme, anbefaler jeg, at du gør samlingen i et trin, dvs. ikke bærer fornuftige komponenter rundt (alle halvledere, når du tager dem ud af emballagen). Læg alle komponenter på bordet, og start derefter.

- Nogle komponenter er ret små, som modstande og kondensatorer i 0603 pakker, de kan let gå tabt, kun tage en ad gangen ud af deres emballage

- Oplader -IC'en i en TSSOP20 -pakke er den sværeste del, der skal loddes, den har en afstand på 0,65 mm (afstand mellem stifter), som stadig er langt fra at være den mindste industristandard, men det kan være svært for en mindre erfaren. Hvis du ikke er sikker, vil jeg anbefale dig at træne lodning først på noget andet i stedet for at skrotte dit printkort

Igen er hele PCB -samlingsprocessen vist i den video, der er nævnt på den første side af denne vejledning

Trin 3: Diagram

I dette afsnit vil jeg give et overblik over kredsløbet. Læs det omhyggeligt, dette hjælper dig med at undgå skader på brættet, du lige har samlet.

Til venstre vil batteriet blive tilsluttet. Sørg for, at den er under 8V under alle forhold, ellers kan opladerens kredsløb blive beskadiget!

De batterier, jeg brugte, er 3,7V, men vil have en spænding højere end 4V, når de er under meget let belastning, de ville derfor give en spænding højere end 8V til opladeren, før den starter. Uden at tage nogen risiko, er der to schottky -dioder i serie med batteriet for at sænke spændingen til under 8V. De fungerer også som en beskyttelse mod inverterede batterier. Brug også en sikring på 3 til 5A i serie, dette kan være en lavspændingssikring som dem, der bruges i køretøjer. For at undgå at tømme batteriet, når pistolen ikke er i brug, anbefaler jeg at tilslutte en hovedafbryder.

Batterispændingen ved printkortets indgangsterminaler skal altid være mellem 5V og 8V, for at kredsløbet fungerer korrekt.

Kontrolsektionen indeholder en underspændingsbeskyttelse og 3 timer kredsløb. Timer IC U11 med LED1 blinker angiver, at kommandoen til at tænde for opladerkredsløbet er aktiv. Timer IC U10 bestemmer udgangspulsbredden. Pulsbredden kan justeres med potentiometer R36. Med R8- og C4/C6 -værdier i henhold til styklisten er området: 510us til 2,7ms. Hvis du har brug for pulsbredder uden for dette område, kan disse værdier justeres, som du ønsker.

Jumper J1 kan være åben til første test. Kommandoen for at aktivere opladerkredsløbet går gennem denne jumper (positiv logik, dvs. 0V = oplader deaktiveret; VBAT = oplader aktiveret).

Den øverste midtersektion indeholder kondensator oplader kredsløb. Transformatorens spidsstrømgrænse er 10A, denne strøm er konfigureret med strømfølermodstanden R21 og bør ikke øges, eller du kan risikere at mætte transformatorkernen. 10A peak fører til lidt over 3A gennemsnitlig strøm fra batteriet, hvilket er ok for de batterier, jeg brugte. Hvis du ønsker at bruge andre batterier, der ikke kan levere den strøm, skal du øge værdien af modstand R21. (øg værdien af modstand R21 for at reducere transformatorens topstrøm og følgelig den gennemsnitlige strøm fra batteriet)

Hovedkondensatorens udgangsspænding måles med en komparator. Det aktiverer LED2, når spændingen er over ca. 500V og deaktiverer opladeren, når spændingen er over 550V i en overspændingshændelse (det burde faktisk aldrig ske).

STRØM ALDRIG OPLADEREN UDEN HOVEDKAPACITOREN TILSLUTTET PÅ KREDSEN. Dette kan beskadige opladerens IC.

Det sidste kredsløb er brokredsløbet, der aflader kondensatoren gennem to IGBT'er til belastningen / spolen.

Trin 4: Inspektion af printkort

Undersøg først printkortet for noget usædvanligt. De kommer faktisk inspiceret og elektrisk testet fra producenten, men det er altid en god idé at dobbelttjekke, før de samles. Jeg har aldrig haft problemer, det er bare en vane.

Du kan downloade Gerber -filerne her:

uploade dem til en PCB -producent som OSHPARK. COM eller JLCPCB. COM eller andre.

Trin 5: Montering

Download Excel BOM -filen og de to pdf -filer til komponentplacering

Saml først det mindre printkort, der rummer den store elektrolytkondensator. Vær opmærksom på den rigtige polaritet!

De 90 graders overskrifter, der forbinder dette printkort til hovedkortet, kan monteres på toppen eller undersiden afhængigt af din mekaniske samling.

Lod endnu IKKE hovedet i hovedkortet, de er svære at fjerne. Tilslut to korte ledninger tykkere end AWG20 mellem de to printkort.

På hovedkortet samles først opladeren IC, som er den sværeste del, hvis du ikke er vant til det. Saml derefter de mindre komponenter. Vi installerer først alle kondensatorer og modstande. Den nemmeste metode er at lægge en lille smule loddemateriale på en pude, derefter lodde komponenten ved hjælp af pincetten på denne pude først. Det er ligegyldigt, hvordan loddetappen ser ud på dette tidspunkt, det tjener bare til at fikse det på plads.

Lod derefter den anden pude. Brug nu flydende flux eller en fluxpen på de ikke så flotte loddemetalforbindelser, og gør samlingen igen. Brug eksemplerne i videoen som en reference til, hvordan en acceptabel loddemetal ser ud.

Gå nu videre til IC'erne. Fix en terminal på printkortet ved hjælp af ovennævnte metode. Lod derefter også alle de andre stifter.

Dernæst vil vi installere de større komponenter som elektrolyt- og filmkondensatorer, trimpot, lysdioder, Mosfets, dioder, IGBT'er og transformeren i opladerkredsløbet.

Dobbelttjek alle loddeforbindelser, kontroller, at ingen komponenter er brudt eller revnet osv.

Trin 6: Opstart

Forsigtig: Overskrid ikke 8V indgangsspænding

Hvis du har et oscilloskop:

Tilslut en trykknap (normalt åben) til indgangene SW1 og SW2.

Kontroller, at jumper J1 er åben. Ideelt set skal du tilslutte en justerbar strømforsyning ved bordet til batteriindgangen. Hvis du ikke har en justerbar strømforsyning ved bordet, skal du gå direkte med batterier. LED 1 skal blinke, så snart indgangsspændingen er højere end omkring 5,6V. Underspændingskredsløbet har en stor hysterese, dvs. for at tænde kredsløbet i første omgang skal spændingen være højere end 5,6V, men det slukker kun kredsløbet, når indgangsspændingen falder til under ca. 4,9V. For de batterier, der bruges i dette eksempel, er dette en irrelevant funktion, men kan være nyttig, hvis du arbejder med batterier, der har en højere intern modstand og/eller er delvis afladet.

Mål den primære højspændingskondensatorspænding med et egnet multimeter, den skal forblive 0V, fordi opladeren formodes at være deaktiveret.

Med oscilloskopet måles pulsbredden ved pin 3 på U10, når der trykkes på trykknappen. Den skal kunne justeres med trimpot R36 og variere mellem ca. 0,5 ms og 2,7 ms. Der er en forsinkelse på cirka 5 sekunder, før pulsen kan genstartes efter hvert tryk på en knap.

Gå til trin … fuld spændingstest

hvis du ikke har et oscilloskop:

Udfør de samme trin som ovenfor, men spring pulsmåling over, der er ikke noget, der skal måles med et multimeter.

Gå til … fuld spændingstest

Trin 7: Fuld spændingstest

Fjern indgangsspændingen.

Luk jumper J1.

Dobbelttjek den korrekte polaritet af højspændingskondensatoren!

Tilslut et multimeter med en nominel spænding (> 525V) til højspændingskondensatorterminalerne.

Tilslut en testspole til udgangsterminalerne Coil1 og Coil2. Den laveste induktans/modstandsspole, jeg brugte med dette kredsløb, var AWG20 500uH/0,5 Ohm. I videoen brugte jeg 1mH 1R.

Sørg for, at der ikke er ferromagnetiske materialer i nærheden af eller inde i spolen.

Brug sikkerhedsbriller

Tilfør batterispænding til indgangsterminalerne.

Opladeren skal starte, og DC -spændingen på kondensatoren skal hurtigt stige.

Den skal stabilisere sig ved omkring 520V. Hvis den overstiger 550V og stadig går op, skal du straks slukke for indgangsspændingen, noget ville være galt med feedback -delen af opladeren IC. I dette tilfælde bliver du nødt til at kontrollere alle loddeled igen og korrekt installation af alle komponenter.

LED2 skal nu lyse for at indikere, at hovedkondensatoren er fuldt opladet.

Tryk på udløserknappen, spændingen skal falde et par hundrede volt, den nøjagtige værdi afhænger af den justerede pulsbredde.

Sluk for indgangsspændingen.

Inden håndtering af printkortene skal kondensatoren aflades

Dette kan enten gøres ved at vente, indtil spændingen falder til en sikker værdi (tager lang tid) eller ved at aflade den med en effektmodstand. Flere glødelamper i serie vil også gøre jobbet, antallet af nødvendige pærer afhænger af deres spændingsværdi, to til tre for 220V lamper, fire til fem for 120V lamper

Fjern ledningerne fra kondensatorens printkort. For at fuldføre modulet kan kondensatoren nu (eller senere) loddes direkte til hovedkortet afhængigt af den mekaniske samlingsproces. Kondensatormodulet er svært at fjerne fra hovedkortet, planlæg derefter.

Trin 8: Mekanisk

Overvejelser ved mekanisk montering

Hovedkortet har 6 udskæringer til montering på en understøtning. Der er kobberspor mere eller mindre nær disse spor. Ved montering af printkortet skal man være opmærksom på ikke at kortslutte disse spor til skruen. Derfor skal der bruges plast afstandsstykker og plastskiver. Jeg brugte et metalskrotstykke, en U-profil af aluminium som huset. Hvis du bruger en metallisk understøtning, skal den jordes, dvs. forbindes med en ledning til batteriets minuspol. Tilgængelige dele (dele, der kan berøres) er triggerkontakten og batteriet, deres spændingsniveau er nær jorden. Hvis en højspændingsnode ville komme i kontakt med metalhuset, ville det blive kortsluttet til jorden, og brugeren er i sikkerhed. Afhængigt af vægten af huset og spolen kan hele enheden være ret front-tung, så grebet skal installeres i overensstemmelse hermed.

Huset kunne også gøres meget pænere, 3D -printet, malet osv., Det er op til dig.

Trin 9: Teorien

Arbejdsprincippet er meget enkelt.

De to IGBT'er aktiveres på samme tid i en periode, der varer et par hundrede os til et par ms afhængigt af konfigurationen/justeringen af den monostabile oscillator U10. Strømmen begynder derefter at bygge op gennem spolen. Strøm svarer til magnetfeltstyrke og magnetfeltstyrke til kraften, der udøves på projektilet inde i spolen. Projektilet begynder at bevæge sig langsomt, og lige inden dets midte når midten af spolen, slukkes IGBT'erne. Strømmen inde i spolen ophører dog ikke øjeblikkeligt, men strømmer nu gennem dioderne og tilbage i hovedkondensatoren i nogen tid. Mens strømmen henfalder, er der stadig magnetfelt inde i spolen, så dette skulle falde til næsten nul, før midten af projektilet når midten af spolen, ellers ville der blive udøvet en brudkraft på den. Det virkelige resultat svarer til simuleringen. Slutstrømmen før pulsen slukkes er 367A (strømprobe 1000A/4V)

Trin 10: Spolekonstruktion

Hastigheden på 36 m/s blev opnået med følgende spole: 500uH, AWG20, 0,5R, 22 mm længde, 8 mm indvendig diameter. Brug et rør, der har den mindst mulige afstand mellem indervæg og projektil og stadig tillader fri bevægelse af projektilet. Det skal også have de tyndeste vægge, mens det er meget stift. Jeg brugte et rør i rustfrit stål, og der blev ikke bemærket nogen skadelige virkninger. Hvis du bruger et elektrisk ledende rør, skal du sørge for at isolere det med et passende tape (jeg brugte Kapton -tape), før det vikles. Du skal muligvis midlertidigt montere yderligere endestykker under viklingen, fordi der udvikles betydelige sidekræfter under viklingsprocessen. Jeg vil derefter anbefale at reparere/beskytte viklingerne med epoxy. Dette vil hjælpe med at forhindre viklingerne i at blive beskadiget under håndtering/samling af spolen. Hele spolen skal udføres på en måde, så viklingerne ikke kan bevæge sig. Du har også brug for en slags støtte for at montere den på hovedhuset.

Trin 11: Mulige ændringer og begrænsninger af kredsløbet

Kondensatoren opladet til 522V indeholder 136 Joule. Effektiviteten af dette kredsløb er temmelig lav, som med de fleste enkle enkelttrinsdesigner, der fremskynder ferromagnetiske projektiler. Den maksimale spænding er begrænset af den maksimalt tilladte kondensatorspænding på 550VDC og den maksimale VCE -værdi for IGBT'erne. Andre spolegeometrier og lavere induktans/modstandsværdier kan føre til højere hastigheder/effektivitet. Den maksimalt angivne spidsstrøm for denne IGBT er dog 600A. Der er andre IGBT'er af samme størrelse, der muligvis kan understøtte højere overspændingsstrømme. Under alle omstændigheder, hvis du overvejer at øge kapacitansen eller IGBT -størrelsen, skal du overveje følgende hovedproblemer: Respekter den maksimale strøm, der er angivet i IGBT -databladet. Jeg anbefaler ikke at øge laderspændingen, for mange variabler skal overvejes. Forøgelse af kapacitans og brug af længere pulsbredder til større spoler vil også øge IGBT'ernes strømspredning. De kan derfor have brug for en kølelegeme. Jeg anbefaler at simulere et modificeret kredsløb først i SPICE /Multisim eller anden simuleringssoftware for at bestemme, hvad spidsstrømmen vil være.

Held og lykke!

Trin 12: Spolepistolen i aktion

Bare have det sjovt med at skyde tilfældige ting …