Coilgun SGP33 - Kompletné pokyny pre montáž a test: 12 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:58

Tento tutoriál popisuje, ako zostaviť elektroniku cievkovej pištole zobrazenej v tomto videu:

Zostava SGP-33 Youtube

Na poslednej strane tohto tutoriálu je aj video, kde ho vidíte v prevádzke. Tu je odkaz.

DPS pre toto demo láskavo poskytol JLCPCB. COM

Cieľom bolo postaviť jednostupňovú cievkovú pištoľ, ktorá je ľahká, má dobrý výkon a používa bežne dostupné diely za rozumnú cenu.

Vlastnosti:

- Jednostupňový, jediný výstrel

- Nastaviteľná šírka impulzu aktivácie cievky

- Cievka poháňaná IGBT

- Jeden kondenzátor 1000uF/550V

- Najvyššia dosiahnutá rýchlosť 36 m/s, bude do značnej miery závisieť od vlastností cievky a projektilu a geometrie

- Počiatočný čas nabíjania je asi 8 s, doba nabíjania závisí od času vybitia, v prípade videa je to 5 s

Celkové náklady iba na elektronické súčiastky sú približne 140 USD v USA, okrem medeného drôtu/ dutinky pre cievku.

V tomto návode popíšem iba spôsob montáže DPS.

Tiež poskytnem všetky ostatné informácie, aby som z tohto okruhu vyťažil maximum bez toho, aby som ho vyhodil do vzduchu.

Podrobný popis mechanickej zostavy uvádzať nebudem, pretože si myslím, že by sa dala vylepšiť / upraviť. V tejto časti budete musieť použiť svoju predstavivosť.

Krok 1: Varovanie

UPOZORNENIE:

Nezabudnite si prečítať túto sekciu a porozumieť jej!

Obvod nabíja kondenzátor asi na 525V. Ak sa dotknete svoriek takého kondenzátora holými rukami, môžete si vážne ublížiť. Tiež (to je menej nebezpečné, ale napriek tomu by to malo byť spomenuté), vysoký prúd, ktorý môžu poskytovať, môže vytvárať iskry a môže odparovať tenké drôty. Noste preto vždy ochranné okuliare!

Ochranné okuliare sú nevyhnutné

Kondenzátor si zachováva nabitie aj po vypnutí hlavného vypínača. Pred prácou na okruhu sa musí vybiť !!!

Za druhé, použijeme energiu obsiahnutú v kondenzátore a premeníme ju na kinetickú energiu projektilu. Napriek tomu, že je rýchlosť tejto strely nízka, môže vám (alebo niekomu inému) ublížiť, preto používajte rovnaké bezpečnostné pravidlá ako pri práci s elektrickým náradím alebo pri akejkoľvek inej mechanickej práci.

NIKDY to nemierte na osobu, keď je nabitá a nabitá, používajte zdravý rozum.

Krok 2: Nástroje a požiadavky na pracovisko

Potrebné zručnosti:

Ak ste v elektronike úplným nováčikom, tento projekt nie je pre vás. Potrebné sú nasledujúce schopnosti:

- Schopný spájkovať zariadenia na povrchovú montáž vrátane integrovaných obvodov, kondenzátorov a rezistorov

- Schopný používať multimetr

Potrebné nástroje (minimum):

- spájkovačka s jemným hrotom / veľkým hrotom

- spájkovací drôt

- Tekuté tavidlo alebo taviace pero

- Odpájací oplet

- Lupa na kontrolu spájkovaných spojov alebo mikroskopu

- Jemná pinzeta

- Multimetr na meranie napätia medziobvodu (525 VDC)

Odporúčané nástroje (voliteľné)

- Nastaviteľné napájanie

- Osciloskop

- Teplovzdušná odpájkovacia stanica

Príprava pracoviska a všeobecné pracovné odporúčania:

- Používajte čistý stôl, najlepšie nie plastový (aby ste predišli problémom so statickým nábojom)

- Nepoužívajte oblečenie, ktoré ľahko vytvára / hromadí náboj (to je ten, ktorý vytvára iskry, keď ho odstránite)

- Pretože takmer nikto nemá doma bezpečné ESD pracovisko, odporúčam montáž vykonať v jednom kroku, t. J. Nenoste so sebou rozumné súčiastky (všetky polovodiče, akonáhle ich vyberiete z obalu). Položte všetky súčasti na stôl a potom začnite.

- Niektoré komponenty sú dosť malé, ako odpory a kondenzátory v baleniach 0603, môžu sa ľahko stratiť, vyberajte z obalu iba jeden po druhom.

- Integrovaný obvod nabíjačky v balení TSSOP20 je najťažšie na spájkovanie, má rozstup 0,65 mm (vzdialenosť medzi kolíkmi), čo zďaleka nie je najmenší priemyselný štandard, ale pre niekoho menej skúseného to môže byť náročné. Ak si nie ste istí, odporučil by som, aby ste namiesto zošrotovania dosky plošných spojov najskôr trénovali spájkovanie na niečo iné

Celý proces montáže DPS je opäť zobrazený na videu uvedenom na prvej stránke tohto tutoriálu

Krok 3: Diagram

V tejto časti uvediem prehľad obvodu. Pozorne si to prečítajte, pomôže vám to zabrániť poškodeniu dosky, ktorú ste práve zostavili.

Vľavo bude batéria pripojená. Zaistite, aby bol za všetkých podmienok nižší ako 8 V, inak by mohlo dôjsť k poškodeniu obvodu nabíjačky!

Batérie, ktoré som použil, sú 3,7 V, ale pri veľmi miernom zaťažení budú mať napätie vyššie ako 4 V, preto by nabíjačke pred spustením poskytli napätie vyššie ako 8 V. Neriskujúc existujú dve schottkyho diódy v sérii s batériou, ktoré znižujú napätie pod 8V. Slúžia tiež ako ochrana pred obrátenými batériami. Používajte tiež poistku 3 až 5A v sérii, môže to byť poistka nízkeho napätia, ako sa používa vo vozidlách. Aby ste sa vyhli vybíjaniu batérie, keď pištoľ nepoužívate, odporúčam pripojiť hlavný vypínač.

Aby obvod správne fungoval, napätie batérie na vstupných svorkách dosky plošných spojov by malo byť vždy medzi 5 V až 8 V.

Riadiaca časť obsahuje ochranu proti podpätiu a 3 časové obvody. Časovač IC U11 s blikajúcim LED1 indikuje, že príkaz na zapnutie obvodu nabíjačky je aktívny. Časovač IC U10 určuje šírku výstupného impulzu. Šírku impulzu je možné nastaviť potenciometrom R36. Pri hodnotách R8 a C4/C6 podľa kusovníka je rozsah: 510us až 2,7ms. Pokiaľ požadujete šírky impulzov mimo tento rozsah, tieto hodnoty je možné upraviť podľa vlastného uváženia.

Jumper J1 môže byť otvorený na počiatočné testovanie. Príkaz na povolenie obvodu nabíjačky prechádza cez prepojku (pozitívna logika, t.j. 0 V = nabíjačka je deaktivovaná; VBAT = nabíjačka je povolená).

Horná stredná časť obsahuje obvod nabíjačky kondenzátora. Limit špičkového prúdu transformátora je 10 A, tento prúd je nakonfigurovaný pomocou snímača odporu R21 a nemal by sa zvyšovať, inak hrozí riziko saturácie jadra transformátora. Špička 10A vedie k o niečo viac ako 3A priemernému prúdu z batérie, čo je v poriadku pre batérie, ktoré som použil. Ak chcete použiť iné batérie, ktoré nedokážu poskytnúť tento prúd, budete musieť zvýšiť hodnotu rezistora R21. (zvýšenie hodnoty odporu R21 na zníženie špičkového prúdu transformátora a následne priemerného prúdu z batérie)

Výstupné napätie hlavného kondenzátora sa meria komparátorom. Aktivuje LED2, keď je napätie vyššie ako 500 V, a deaktivuje nabíjačku, keď je napätie vyššie ako 550 V v prípade prepätia (to by sa v skutočnosti nikdy nemalo stať).

NIKDY NENAPÁJAJTE NABÍJAČ BEZ HLAVNÉHO KAPACITORU PRIPOJENÉHO NA OKRUH. Mohlo by to poškodiť integrovaný obvod nabíjačky.

Posledný obvod je mostíkový obvod, ktorý vybíja kondenzátor cez dva IGBT do záťaže / cievky.

Krok 4: Kontrola DPS

Najprv skontrolujte PCB, či neobsahuje nič neobvyklé. Prichádzajú skutočne skontrolované a elektricky testované výrobcom, ale vždy je dobré ich pred montážou dvakrát skontrolovať. Nikdy som nemal žiadne problémy, je to len zvyk.

Súbory Gerber si môžete stiahnuť tu:

nahrajte ich výrobcovi DPS ako OSHPARK. COM alebo JLCPCB. COM alebo iným.

Krok 5: Zostavenie

Stiahnite si súbor BOM programu Excel a dva súbory pdf pre umiestnenie komponentov

Najprv zostavte menšiu dosku plošných spojov, ktorá drží veľký elektrolytický kondenzátor. Dbajte na správnu polaritu!

90 stupňové záhlavia, ktoré budú spájať túto dosku s hlavnou doskou, je možné namontovať na hornú alebo dolnú stranu v závislosti od vašej mechanickej zostavy.

Hlavičky ešte NEPájejte do hlavnej dosky plošných spojov, je ťažké ich odstrániť. Pripojte dva krátke vodiče hrubšie ako AWG20 medzi dve dosky plošných spojov.

Na hlavnom plošnom spoji najskôr zostavte integrovaný obvod nabíjačky, čo je najťažšie, ak na to nie ste zvyknutí. Potom zostavte menšie súčiastky. Najprv nainštalujeme všetky kondenzátory a odpory. Najjednoduchším spôsobom je položiť na jednu podložku trochu spájky a potom pomocou tejto pinzety na túto podložku najskôr spájkovať súčiastku. Nezáleží na tom, ako v tomto bode vyzerá spájkovací spoj, slúži to len na jeho upevnenie na mieste.

Potom spájkujte druhú podložku. Teraz na nie príliš dobre vyzerajúcich spájkovacích spojoch použite tekuté tavidlo alebo taviace pero a spoj znova urobte. Použite príklady vo videu ako referenciu, ako vyzerá prijateľný spájkovací spoj.

Teraz prejdite na integrované obvody. Opravte jeden terminál na doske pomocou vyššie uvedenej metódy. Potom spájkujte aj všetky ostatné kolíky.

Ďalej nainštalujeme väčšie komponenty, ako sú elektrolytické a filmové kondenzátory, trimpot, LED diódy, mosfety, diódy, IGBT a transformátor obvodu nabíjačky.

Dvakrát skontrolujte všetky spájkovacie spoje, uistite sa, že žiadny komponent nie je zlomený alebo prasknutý atď.

Krok 6: Spustenie

Pozor: Neprekračujte vstupné napätie 8V

Ak máte osciloskop:

Pripojte tlačidlo (normálne otvorené) k vstupom SW1 a SW2.

Skontrolujte, či je prepojka J1 otvorená. V ideálnom prípade pripojte nastaviteľný stolný napájací zdroj k vstupu na batériu. Ak nemáte nastaviteľný stolný napájací zdroj, budete musieť ísť priamo na batérie. LED 1 by mala blikať, akonáhle je vstupné napätie vyššie ako asi 5,6V. Podpäťový obvod má veľkú hysterézu, to znamená, že na zapnutie obvodu musí byť napätie najskôr vyššie ako 5,6 V, ale obvod sa vypne iba vtedy, ak vstupné napätie klesne pod približne 4,9 V. Pre batérie použité v tomto prípade je to irelevantná funkcia, ale môže byť užitočné, ak pracujete s batériami, ktoré majú vyšší vnútorný odpor a/alebo sú čiastočne vybité.

Zmerajte napätie hlavného kondenzátora vysokého napätia vhodným multimetrom, malo by zostať 0 V, pretože nabíjačka má byť deaktivovaná.

Pri osciloskope zmerajte pri stlačení tlačidla šírku impulzu na kolíku 3 U10. Mal by byť nastaviteľný pomocou trimpotu R36 a mal by sa pohybovať od približne 0,5 ms do 2,7 ms. Po každom stlačení tlačidla dôjde k približne 5 -sekundovému oneskoreniu, kým sa impulz môže reštartovať.

Prejdite na krok … test plného napätia

ak nemáte osciloskop:

Vykonajte rovnaké kroky ako vyššie, ale preskočte meranie šírky impulzu, multimetrom sa nedá nič merať.

Prejdite na … test plného napätia

Krok 7: Test plného napätia

Odstráňte vstupné napätie.

Zatvorte prepojku J1.

Dvakrát skontrolujte správnu polaritu vysokonapäťového kondenzátora!

Pripojte multimetr dimenzovaný na očakávané napätie (> 525 V) k svorkám kondenzátora vysokého napätia.

Pripojte testovaciu cievku k výstupným svorkám Coil1 a Coil2. Najnižšia cievka indukčnosti/odporu, ktorú som použil s týmto obvodom, bola AWG20 500uH/0,5 Ohm. Vo videu som použil 1 mH 1R.

Uistite sa, že v blízkosti alebo vnútri cievky nie sú žiadne feromagnetické materiály.

Noste ochranné okuliare

Na vstupné svorky aplikujte napätie batérie.

Nabíjačka by sa mala spustiť a jednosmerné napätie na kondenzátore by malo rýchlo stúpať.

Mal by sa stabilizovať na približne 520V. Ak prekročí 550 V a stále sa zvyšuje, okamžite vypnite vstupné napätie, niečo nie je v poriadku so spätnou väzbou v časti IC nabíjačky. V takom prípade budete musieť znova skontrolovať všetky spájkovacie spoje a správnu inštaláciu všetkých komponentov.

LED2 by teraz mala svietiť, čo znamená, že hlavný kondenzátor je úplne nabitý.

Stlačte spúšťacie tlačidlo, napätie by malo klesnúť o niekoľko stoviek voltov, presná hodnota bude závisieť od nastavenej šírky impulzu.

Vypnite vstupné napätie.

Pred manipuláciou s PCB je potrebné vybiť kondenzátor

To sa dá urobiť buď čakaním, kým napätie neklesne na bezpečnú hodnotu (trvá dlho), alebo sa vybije výkonovým odporom. Túto úlohu zvládne aj niekoľko žiaroviek v sérii, počet potrebných žiaroviek bude závisieť od ich napätia, dve až tri pre žiarovky 220 V, štyri až päť pre žiarovky 120 V

Odstráňte vodiče z PCB kondenzátora. Na dokončenie modulu je možné kondenzátor teraz (alebo neskôr) spájkovať priamo s hlavnou doskou v závislosti od postupu mechanickej montáže. Kondenzátorový modul je ťažké vybrať z hlavnej dosky plošných spojov, podľa toho naplánujte.

Krok 8: Mechanický

Úvahy o mechanickej montáži

Hlavná doska plošných spojov má 6 výrezov na pripevnenie na podperu. V blízkosti týchto stôp sú viac -menej medené stopy. Pri montáži dosky plošných spojov je potrebné dbať na to, aby tieto stopy neboli skratované k skrutke. Preto je potrebné použiť plastové podložky a plastové podložky. Ako puzdro som použil kovový šrot, hliníkový U profil. Ak používate kovovú podperu, mala by byť uzemnená, to znamená spojená drôtom s mínusovým pólom batérie. Prístupné časti (časti, ktorých sa je možné dotknúť) sú spínač a batéria, ktorých napätie je blízko zeme. Ak by sa akýkoľvek uzol vysokého napätia dostal do kontaktu s kovovým krytom, bol by skratovaný k zemi a užívateľ je v bezpečí. V závislosti od hmotnosti puzdra a cievky môže byť celá jednotka celkom ťažká vpredu, takže je potrebné zodpovedajúcim spôsobom nainštalovať aj úchop.

Kryt môže byť tiež oveľa krajší, 3D vytlačený, namaľovaný atď., Je to na vás.

Krok 9: Teória

Princíp činnosti je veľmi jednoduchý.

Dva IGBT sa aktivujú súčasne na časové obdobie trvajúce niekoľko stoviek nás až niekoľko ms v závislosti od konfigurácie/nastavenia monostabilného oscilátora U10. Cievkou sa potom začne hromadiť prúd. Prúd zodpovedá sile magnetického poľa a sile magnetického poľa sile vyvíjanej na projektil vo vnútri cievky. Projektil sa začne pohybovať pomaly a tesne pred tým, ako sa jeho stred dostane do stredu cievky, sú IGBT vypnuté. Prúd vo vnútri cievky však neprestáva okamžite, ale teraz prúdi diódami a nejaký čas späť do hlavného kondenzátora. Aj keď sa prúd rozpadá, vo vnútri cievky je stále magnetické pole, takže by malo klesnúť na takmer nulu, kým sa stred projektilu dostane do stredu cievky, inak by na neho pôsobila sila lámania. Výsledok z reálneho sveta zodpovedá simulácii. Koncový prúd pred vypnutím impulzu je 367A (prúdová sonda 1000A/4V)

Krok 10: Konštrukcia cievky

Rýchlosť 36 m/s sa získala s nasledujúcou cievkou: 500 uH, AWG20, 0,5 R, dĺžka 22 mm, vnútorný priemer 8 mm. Použite tubu, ktorá má najmenšiu možnú medzeru medzi vnútornou stenou a strelou a napriek tomu umožňuje voľný pohyb strely. Tiež by mal mať čo najtenšie steny, pričom by mal byť veľmi tuhý. Použil som rúrku z nehrdzavejúcej ocele a neboli zaznamenané žiadne škodlivé účinky. Ak používate elektricky vodivú trubicu, pred navinutím ju zaizolujte vhodnou páskou (použil som pásku Kapton). Počas navíjania môže byť potrebné dočasne namontovať ďalšie koncovky, pretože počas procesu navíjania sa vyvíjajú značné bočné sily. Potom by som odporučil opraviť/chrániť vinutia epoxidom. Pomôže to zabrániť poškodeniu vinutí pri manipulácii/montáži cievky. Celá zostava cievky by mala byť vykonaná tak, aby sa vinutia nemohli pohybovať. Na upevnenie na hlavné puzdro potrebujete aj nejaký druh podpory.

Krok 11: Možné úpravy a obmedzenia obvodu

Kondenzátor nabitý na 522 V obsahuje 136 Joulov. Účinnosť tohto obvodu je dosť nízka, ako u väčšiny jednoduchých jednostupňových konštrukcií, ktoré urýchľujú feromagnetické projektily. Maximálne napätie je obmedzené maximálnym povoleným napätím kondenzátora 550 VDC a maximálnym hodnotením VCE IGBT. Iné geometrie cievok a nižšie hodnoty indukčnosti/odporu môžu viesť k vyšším rýchlostiam/účinnosti. Maximálny špecifikovaný špičkový prúd pre tento IGBT je však 600A. Existujú aj ďalšie IGBT rovnakej veľkosti, ktoré by mohli podporovať vyššie nárazové prúdy. V každom prípade, ak uvažujete o zvýšení kapacity alebo veľkosti IGBT, zvážte nasledujúce hlavné problémy: Rešpektujte maximálny prúd uvedený v technickom liste IGBT. Neodporúčam zvyšovať napätie nabíjačky, je potrebné zvážiť príliš veľa premenných. Zvýšenie kapacity a použitie dlhších šírok impulzov pre väčšie cievky tiež zvýši stratový výkon IGBT. Preto môžu potrebovať chladič. Odporúčam najskôr simulovať upravený obvod v SPICE /Multisim alebo inom simulačnom softvéri, aby ste určili, aký bude špičkový prúd.

Veľa štastia!

Krok 12: Coil Gun v akcii

Baviť sa pri strieľaní náhodných vecí …