Coilgun SGP33 - Instrucțiuni complete de asamblare și testare: 12 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:44

Acest tutorial descrie cum să asamblați elementele electronice ale pistolului cu bobină prezentat în acest videoclip:

Asamblare SGP-33 Youtube

Există, de asemenea, un videoclip în care îl vedeți în acțiune pe ultima pagină a acestui tutorial. Iată linkul.

PCB-urile pentru această demonstrație au fost furnizate cu amabilitate de JLCPCB. COM

Scopul a fost de a construi un pistol cu bobină cu o singură treaptă, ușor, cu performanțe bune și care utilizează piese disponibile în mod obișnuit la un preț rezonabil.

Caracteristici:

- O singură etapă, o singură fotografie

- Lățimea impulsului de activare a bobinei reglabilă

- Bobină cu acționare IGBT

- Un singur condensator 1000uF / 550V

- Cea mai mare viteză obținută 36m / s, va depinde în mare măsură de proprietățile și geometria bobinei și proiectilului

- Timp de încărcare inițial aproximativ 8 secunde, timpul de reîncărcare depinde de timpul de descărcare, în exemplul video este 5 secunde

Costul total pentru piesele electronice este de aproximativ 140 USD, cu excepția firului de cupru / butoi pentru bobină.

În acest tutorial voi descrie doar cum să asamblați PCB-ul.

Voi oferi, de asemenea, toate celelalte informații pentru a profita la maximum de acest circuit fără a-l arunca în aer.

Nu voi oferi o descriere detaliată a ansamblului mecanic, deoarece cred că ar putea fi îmbunătățit / modificat. Va trebui să vă folosiți imaginația pentru acea parte.

Pasul 1: Atenție

PRUDENȚĂ:

Asigurați-vă că ați citit și înțeles această secțiune!

Circuitul încarcă un condensator la aproximativ 525V. Dacă atingeți terminalele unui astfel de condensator cu mâinile goale, vă puteți răni grav. De asemenea (acest lucru este mai puțin periculos, dar ar trebui totuși menționat), curentul mare pe care îl pot furniza poate crea scântei și poate evapora fire subțiri. Prin urmare, purtați întotdeauna protecție pentru ochi!

Ochelarii de protecție sunt o necesitate

Condensatorul reține încărcarea chiar și după oprirea comutatorului principal. Trebuie descărcat ÎNAINTE de a lucra la circuit !!!

În al doilea rând, vom folosi energia conținută în condensator și o vom transforma în energie cinetică a unui proiectil. Chiar dacă viteza acestui proiectil este scăzută, ar putea să vă rănească pe dvs. (sau pe altcineva), prin urmare utilizați aceleași reguli de siguranță ca atunci când lucrați cu scule electrice sau faceți orice altă lucrare mecanică.

Așadar, NU îndreptați NICIODATĂ acest lucru către o persoană când este încărcată și încărcată, folosiți bunul simț.

Pasul 2: Cerințe privind instrumentele și locul de muncă

Aptitudinile necesare:

Dacă sunteți complet nou în domeniul electronicii, acest proiect nu este pentru dvs. Sunt necesare următoarele abilități:

- Capabil să lipească dispozitive de montare la suprafață, inclusiv circuite integrate, condensatori și rezistențe

- Capabil să folosească un multimetru

Instrumente necesare (minim):

- Fier de lipit cu vârf fin / vârf mare

- Sârmă de lipit

- Flux lichid sau stilou de flux

- Panglica dezlipitoare

- Lupă pentru inspectarea îmbinărilor de lipit sau a microscopului

- Pensete fine

- Multimetru pentru măsurarea tensiunii DC-link (525VDC)

Instrumente recomandate (opțional)

- Alimentare reglabilă

- Osciloscop

- Stație de desoldare cu aer cald

Pregătirea locului de muncă și recomandări generale de lucru:

- Utilizați o masă curată, de preferință nu din plastic (pentru a evita problemele cu încărcarea statică)

- Nu utilizați îmbrăcăminte care creează / acumulează cu ușurință sarcina (aceasta este cea care creează scântei atunci când o eliminați)

- Deoarece aproape nimeni nu are un loc de muncă sigur în ESD acasă, vă recomand să faceți asamblarea într-un singur pas, adică să nu transportați componente sensibile (toți semiconductorii după ce le scoateți din ambalaj). Așezați toate componentele pe masă, apoi începeți.

- Unele componente sunt destul de mici, cum ar fi rezistențele și condensatoarele din pachetele 0603, se pot pierde cu ușurință, scoate doar una câte una din ambalajul lor

- Încărcătorul IC dintr-un pachet TSSOP20 este partea cea mai dificilă de lipit, are un pas de 0,65 mm (distanța dintre pini), care este încă departe de a fi cel mai mic standard industrial, dar ar putea fi dificil pentru cineva mai puțin experimentat. Dacă nu sunteți sigur, v-aș recomanda să pregătiți mai întâi lipirea pe altceva în loc să renunțați la PCB

Din nou, întregul proces de asamblare PCB este prezentat în videoclipul menționat pe prima pagină a acestui tutorial

Pasul 3: Diagrama

În această secțiune voi oferi o imagine de ansamblu asupra circuitului. Citiți-l cu atenție, acest lucru vă va ajuta să evitați deteriorarea plăcii pe care tocmai ați asamblat-o.

În stânga, bateria va fi conectată. Asigurați-vă că este mai mic de 8V în toate condițiile sau că circuitul încărcătorului ar putea fi deteriorat!

Bateriile pe care le-am folosit sunt de 3,7 V, dar vor avea o tensiune mai mare de 4 V atunci când se află într-o sarcină foarte ușoară, de aceea ar da o tensiune mai mare de 8 V încărcătorului înainte de pornire. Ne asumând niciun risc, există două diode schottky în serie cu bateria pentru a scădea tensiunea sub 8V. De asemenea, servesc drept protecție împotriva bateriilor inversate. De asemenea, utilizați o siguranță de la 3 la 5A în serie, aceasta poate fi o siguranță de joasă tensiune, precum cele utilizate la vehicule. Pentru a evita golirea bateriei atunci când arma nu este utilizată, vă recomand să conectați un întrerupător principal.

Tensiunea bateriei la bornele de intrare PCB ar trebui să fie între 5V și 8V în orice moment pentru ca circuitul să funcționeze corect.

Secțiunea de control conține o protecție de subtensiune și 3 circuite temporizate. Timer IC U11 cu LED1 intermitent indică faptul că este activă comanda de pornire a circuitului încărcătorului. Timer IC U10 determină lățimea impulsului de ieșire. Lățimea impulsului poate fi reglată cu potențiometrul R36. Cu valorile R8 și C4 / C6 conform BOM intervalul este: 510us până la 2,7 ms. Dacă aveți nevoie de lățimi de impuls în afara acestui interval, aceste valori pot fi ajustate după cum doriți.

Jumperul J1 poate fi deschis pentru testarea inițială. Comanda pentru a activa circuitul încărcătorului trece prin acel jumper (logică pozitivă, adică 0V = încărcător dezactivat; VBAT = încărcător activat).

Secțiunea medie superioară conține circuitul încărcătorului condensatorului. Limita curentului de vârf al transformatorului este de 10A, acest curent este configurat cu rezistorul de detectare a curentului R21 și nu ar trebui să fie crescut sau puteți risca să saturați miezul transformatorului. Vârful de 10A duce la puțin peste 3A curent mediu de la baterie, care este ok pentru bateriile pe care le-am folosit. Dacă doriți să utilizați alte baterii care nu pot furniza acel curent, va trebui să măriți valoarea rezistorului R21. (crește valoarea rezistorului R21 pentru a reduce curentul de vârf al transformatorului și, în consecință, curentul mediu de la baterie)

Tensiunea principală de ieșire a condensatorului este măsurată cu un comparator. Activează LED2 atunci când tensiunea este peste aproximativ 500V și dezactivează încărcătorul atunci când tensiunea este peste 550V într-un eveniment de supratensiune (care de fapt nu ar trebui să se întâmple niciodată).

NU PUNEȚI NICIODATĂ ÎNCĂRCĂTORUL FĂRĂ CAPACITORUL PRINCIPAL CONECTAT LA CIRCUIT. Acest lucru ar putea deteriora IC-ul încărcătorului.

Ultimul circuit este circuitul pod care descarcă condensatorul prin două IGBT în sarcină / bobină.

Pasul 4: Inspecția PCB

Mai întâi inspectați PCB-ul pentru orice lucru neobișnuit. Ele sunt de fapt inspectate și testate electric de la producător, dar este întotdeauna o idee bună să verificați din nou înainte de asamblare. Nu am avut niciodată probleme, este doar un obicei.

Puteți descărca fișierele Gerber aici:

încărcați-le la un producător de PCB, cum ar fi OSHPARK. COM sau JLCPCB. COM sau oricare altul.

Pasul 5: Asamblare

Descărcați fișierul BOM Excel și cele două fișiere pdf pentru localizarea componentelor

Mai întâi asamblați PCB-ul mai mic care deține condensatorul electrolitic mare. Acordați atenție polarității corecte!

Anteturile de 90 de grade care vor conecta acest PCB la PCB-ul principal pot fi montate pe partea superioară sau inferioară, în funcție de ansamblul mecanic.

NU lipiți încă anteturile în PCB-ul principal, acestea fiind greu de îndepărtat. Conectați două fire scurte mai groase decât AWG20 între cele două PCB-uri.

Pe placa principală asamblați mai întâi încărcătorul IC, care este partea cea mai dificilă dacă nu sunteți obișnuiți cu el. Apoi asamblați componentele mai mici. Mai întâi vom instala toți condensatorii și rezistențele. Cea mai ușoară metodă este de a pune un pic de lipit pe un tampon, apoi lipiți componenta cu ajutorul pensetelor de pe acest tampon. Nu contează cum arată îmbinarea de lipit în acest moment, aceasta servește doar pentru a o fixa în poziție.

Apoi lipiți celălalt tampon. Acum, utilizați flux lichid sau un stilou de flux pe îmbinările de lipit nu atât de frumoase și refaceți îmbinarea. Utilizați exemplele din videoclip ca referință cu privire la aspectul unei îmbinări de lipit acceptabile.

Acum treceți la IC-uri. Fixați un terminal pe PCB folosind metoda menționată mai sus. Apoi lipiți și ceilalți pini.

În continuare, vom instala componente mai mari, cum ar fi condensatori electrolitici și de film, trimpot, LED-uri, Mosfets, diode, IGBT și transformatorul circuitului încărcătorului.

Verificați dublu toate îmbinările de lipit, asigurați-vă că nici o componentă nu este spartă sau crăpată etc.

Pasul 6: Pornire

Atenție: Nu depășiți tensiunea de intrare de 8V

Dacă aveți un osciloscop:

Conectați un buton (normal deschis) la intrările SW1 și SW2.

Verificați dacă jumperul J1 este deschis. Conectați în mod ideal o sursă de alimentare reglabilă la intrarea bateriei. Dacă nu aveți o sursă de alimentare reglabilă pe bancă, va trebui să mergeți direct cu bateriile. LED-ul 1 ar trebui să clipească imediat ce tensiunea de intrare este mai mare de aproximativ 5,6V. Circuitul de subtensiune are o histerezis mare, adică pentru a porni circuitul inițial, tensiunea trebuie să fie mai mare de 5,6 V, dar va opri circuitul numai când tensiunea de intrare scade sub aproximativ 4,9 V. Pentru bateriile utilizate în acest exemplu, aceasta este o caracteristică irelevantă, dar ar putea fi utilă dacă lucrați cu baterii care au rezistență internă mai mare și / sau sunt descărcate parțial.

Măsurați tensiunea principală a condensatorului de înaltă tensiune cu un multimetru adecvat, acesta ar trebui să rămână 0V, deoarece încărcătorul ar trebui să fie dezactivat.

Cu osciloscopul, măsurați lățimea impulsului la pinul 3 al U10 atunci când apăsați butonul. Ar trebui să fie reglabil cu trimpot R36 și să varieze între aproximativ 0,5 ms și 2,7 ms. Există o întârziere de aproximativ 5 secunde înainte ca pulsul să poată fi repornit după fiecare apăsare a butonului.

Mergeți la pasul … test de tensiune completă

dacă nu aveți un osciloscop:

Faceți aceiași pași ca mai sus, dar săriți măsurarea lățimii pulsului, nu este nimic de măsurat cu un multimetru.

Mergeți la … test de tensiune completă

Pasul 7: Test de tensiune completă

Scoateți tensiunea de intrare.

Închideți jumperul J1.

Verificați dublu polaritatea corectă a condensatorului de înaltă tensiune!

Conectați un multimetru evaluat pentru tensiunea așteptată (> 525V) la bornele condensatorului de înaltă tensiune.

Conectați o bobină de test la bornele de ieșire Coil1 și Coil2. Cea mai mică bobină de inductanță / rezistență pe care am folosit-o cu acest circuit a fost AWG20 500uH / 0,5 Ohm. În videoclip am folosit 1mH 1R.

Asigurați-vă că nu există materiale feromagnetice în apropierea sau în interiorul bobinei.

Purtați ochelari de protecție

Aplicați tensiunea bateriei la bornele de intrare.

Încărcătorul ar trebui să pornească și tensiunea continuă a condensatorului ar trebui să crească rapid.

Ar trebui să se stabilizeze la aproximativ 520V. Dacă depășește 550V și totuși crește, opriți imediat tensiunea de intrare, ar fi ceva în neregulă cu porțiunea de feedback a încărcătorului IC. În acest caz, va trebui să verificați din nou toate îmbinările de lipit și să instalați corect toate componentele.

LED2 ar trebui să fie acum aprins, indicând faptul că condensatorul principal este complet încărcat.

Apăsați butonul de declanșare, tensiunea ar trebui să scadă câteva sute de volți, valoarea exactă va depinde de lățimea impulsului ajustată.

Opriți tensiunea de intrare.

Înainte de a manipula PCB-urile, condensatorul trebuie descărcat

Acest lucru se poate face fie așteptând până când tensiunea scade la o valoare sigură (durează mult), fie descărcând-o cu un rezistor de putere. Mai multe becuri incandescente din serie vor face, de asemenea, treaba, numărul becurilor necesare va depinde de tensiunea nominală, două până la trei pentru lămpile de 220V, patru până la cinci pentru lămpile de 120V

Scoateți firele de pe placa condensatorului. Pentru a completa modulul, condensatorul poate fi acum (sau mai târziu) lipit direct pe placa principală, în funcție de procesul de asamblare mecanică. Modulul condensator este dificil de îndepărtat de pe placa principală, planificați în consecință.

Pasul 8: Mecanic

Considerații de montare mecanică

PCB-ul principal are 6 decupaje pentru al monta pe un suport. Există urme de cupru mai mult sau mai puțin lângă aceste urme. La montarea PCB trebuie să aveți grijă să nu scurtați aceste urme la șurub. Prin urmare, trebuie folosite distanțieri din plastic și șaibe de plastic. Am folosit o bucată de fier vechi, un profil U din aluminiu ca carcasă. Dacă utilizați un suport metalic, acesta ar trebui să fie împământat, adică conectat cu un fir la polul minus al bateriei. Părțile accesibile (piese care pot fi atinse) sunt întrerupătorul de declanșare și bateria, nivelul de tensiune al acestora este aproape de sol. Dacă vreun nod de înaltă tensiune ar intra în contact cu carcasa metalică, acesta ar fi scurtcircuitat la masă și utilizatorul este în siguranță. În funcție de greutatea carcasei și a bobinei, întreaga unitate poate fi destul de grea din față, astfel încât mânerul trebuie instalat corespunzător.

Carcasa ar putea fi, de asemenea, mult mai frumoasă, imprimată 3D, pictată etc., asta depinde de dvs.

Pasul 9: Teoria

Principiul de funcționare este foarte simplu.

Cele două IGBT sunt activate în același timp pentru o perioadă de timp care durează câteva sute până la câteva ms în funcție de configurația / reglarea oscilatorului monostabil U10. Curentul începe apoi să se acumuleze prin bobină. Curentul corespunde intensității câmpului magnetic și intensității câmpului magnetic cu forța exercitată asupra proiectilului din interiorul bobinei. Proiectilul începe să se miște încet și chiar înainte ca mijlocul său să ajungă la mijlocul bobinei, IGBT-urile sunt oprite. Curentul din interiorul bobinei nu încetează instantaneu, dar curge acum prin diode și revine în condensatorul principal pentru o perioadă de timp. În timp ce curentul se descompune, există încă câmp magnetic în interiorul bobinei, deci acesta ar trebui să scadă până aproape de zero înainte ca mijlocul proiectilului să ajungă la mijlocul bobinei, altfel s-ar exercita asupra ei o forță de rupere. Rezultatul din lumea reală corespunde simulării. Curentul final înainte de oprirea impulsului este 367A (sonda de curent 1000A / 4V)

Pasul 10: Construcția bobinei

Viteza de 36m / s a fost obținută cu următoarea bobină: 500uH, AWG20, 0,5R, 22mm lungime, 8mm diametru interior. Folosiți un tub care are cel mai mic spațiu posibil între peretele interior și proiectil și permite totuși mișcarea liberă a proiectilului. De asemenea, ar trebui să aibă pereții cei mai subțiri posibili, fiind în același timp foarte rigid. Am folosit un tub din oțel inoxidabil și nu s-au observat efecte nocive. Dacă utilizați un tub conductor electric, asigurați-vă că îl izolați cu o bandă adecvată (am folosit bandă Kapton) înainte de a o înfășura. Poate fi necesar să montați temporar piese de capăt suplimentare în timpul înfășurării, deoarece în timpul procesului de înfășurare se dezvoltă forțe laterale considerabile. Aș recomanda apoi fixarea / protejarea înfășurărilor cu epoxidic. Acest lucru va ajuta la prevenirea deteriorării înfășurărilor în timpul manipulării / asamblării bobinei. Întregul ansamblu al bobinei trebuie realizat astfel încât înfășurările să nu se poată mișca. De asemenea, aveți nevoie de un fel de suport pentru a-l monta pe carcasa principală.

Pasul 11: Posibile modificări și limitări ale circuitului

Condensatorul încărcat la 522V conține 136 de juli. Eficiența acestui circuit este destul de scăzută, ca și în cazul celor mai simple modele simple, care accelerează proiectilele feromagnetice. Tensiunea maximă este limitată de tensiunea maximă admisibilă a condensatorului de 550VDC și de valoarea maximă VCE a IGBT-urilor. Alte geometrii ale bobinei și valori mai mici ale inductanței / rezistenței pot duce la viteze / eficiențe mai mari. Curentul maxim de vârf specificat pentru acest IGBT este de 600A. Există alte IGBT de aceeași dimensiune care ar putea susține curenți de supratensiune mai mari. În orice caz, dacă intenționați să măriți capacitatea sau dimensiunea IGBT, asigurați-vă că luați în considerare următoarele probleme principale: Respectați curentul maxim specificat în foaia tehnică IGBT. Nu recomand creșterea tensiunii încărcătorului, trebuie luate în considerare prea multe variabile. Creșterea capacității și utilizarea lățimilor de impuls mai mari pentru bobine mai mari vor crește, de asemenea, disiparea puterii IGBT-urilor. Prin urmare, este posibil să aibă nevoie de un radiator. Vă recomandăm să simulați mai întâi un circuit modificat în SPICE / Multisim sau alt software de simulare pentru a determina care va fi curentul de vârf.

Noroc!

Pasul 12: Pistolul bobină în acțiune

Doar să te distrezi să tragi la întâmplare …