Coilgun SGP33 - Full monterings- och testinstruktioner: 12 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:44

Denna handledning beskriver hur du monterar elektroniken i spolpistolen som visas i den här videon:

SGP-33 montering Youtube

Det finns också en video där du ser den i aktion på den sista sidan i den här självstudien. Här är länken.

Kretskortet för denna demo tillhandahålls vänligt av JLCPCB. COM

Målet var att bygga en enstegsspole som är lätt, har bra prestanda och använder vanligt tillgängliga delar till ett rimligt pris.

Funktioner:

- Ensteg, enda skott

- Justerbar spolaktiveringspulsbredd

- IGBT-driven spole

- Enstaka 1000uF/550V kondensator

- Högsta hastighet som uppnås 36m/s beror mycket på spole- och projektilegenskaper och geometri

- Initial laddningstid ca 8s, laddningstid beror på urladdningstiden, i videoexemplet är det 5s

Total kostnad för endast elektroniska delar är cirka $ 140 US, exklusive koppartråd/ fat för spolen.

I denna handledning kommer jag bara att beskriva hur man monterar kretskortet.

Jag kommer också att tillhandahålla all annan information för att få ut det mesta av denna krets utan att spränga den.

Jag kommer inte att ge en detaljerad beskrivning av den mekaniska enheten, eftersom jag tror att den kan förbättras / modifieras. Du måste använda din fantasi för den delen.

Steg 1: Varning

VARNING:

Se till att du läser och förstår detta avsnitt!

Kretsen laddar en kondensator till cirka 525V. Om du vidrör terminalerna på en sådan kondensator med bara händerna kan du allvarligt skada dig själv. Dessutom (detta är mindre farligt men bör ändå nämnas), den höga ström som de kan ge kan skapa gnistor och kan förånga tunna trådar. Bär därför alltid ögonskydd!

Skyddsglasögon är ett måste

Kondensatorn behåller laddningen även efter att huvudströmbrytaren stängts av. Den måste laddas ur INNAN du arbetar på kretsen !!!

För det andra kommer vi att använda energin i kondensatorn och omvandla den till kinetisk energi från en projektil. Även om projektilens hastighet är låg kan det fortfarande skada dig (eller någon annan), använd därför samma säkerhetsregler som när du arbetar med elverktyg eller utför något annat mekaniskt arbete.

Så rikta ALDRIG detta mot en person när den är laddad och laddad, använd sunt förnuft.

Steg 2: Verktyg och arbetsplatskrav

Skicklighet behövs:

Om du är helt ny inom elektronik är detta projekt inte något för dig. Följande färdigheter behövs:

- Kan löda ytmonterade enheter inklusive IC: er, kondensatorer och motstånd

- Kan använda en multimeter

Nödvändiga verktyg (minimum):

- Fin spets / stort spetslödkolv

- Lödtråd

- Liquid Flux eller flusspenna

- Avlödande fläta

- Förstoringsglas för inspektion av lödfogar eller ett mikroskop

- Fina pincetter

- Multimeter för att mäta DC-länkspänningen (525VDC)

Rekommenderade verktyg (tillval)

- Justerbar strömförsörjning

- Oscilloskop

- Avluftningsstation för varmluft

Förberedelse av arbetsplatsen och allmänna arbetsrekommendationer:

- Använd ett rent bord, helst inte plast (för att undvika problem med statisk laddning)

- Använd inte kläder som enkelt skapar / ackumulerar laddning, (det är den som skapar gnistor när du tar bort den)

- Eftersom nästan ingen har en ESD -säker arbetsplats hemma rekommenderar jag att montera i ett steg, dvs inte bära med dig vettiga komponenter (alla halvledare när du tar ut dem ur förpackningen). Lägg alla komponenter på bordet och börja sedan.

- Vissa komponenter är ganska små, som motstånd och kondensatorer i 0603 -förpackningar, de kan lätt gå vilse, ta bara ut en i taget ur förpackningen

- Laddaren IC i ett TSSOP20 -paket är den svåraste delen att lödas, den har en avstånd på 0,65 mm (avstånd mellan stiften) som fortfarande är långt ifrån att vara den minsta industristandarden men det kan vara svårt för någon mindre erfaren. Om du inte är säker skulle jag rekommendera att du först tränar lödning på något annat istället för att skrota PCB

Återigen visas hela PCB -monteringsprocessen i videon som nämns på första sidan i denna handledning

Steg 3: Diagram

I det här avsnittet kommer jag att ge en översikt över kretsen. Läs det noga, det hjälper dig att undvika skador på brädet du just monterat.

Till vänster kommer batteriet att anslutas. Se till att den är lägre än 8V under alla förhållanden annars kan laddarkretsen skadas!

Batterierna jag använde är 3,7V men kommer att ha en spänning högre än 4V vid mycket låg belastning, de skulle därför ge en spänning högre än 8V till laddaren innan den startar. Utan några risker finns det två schottky -dioder i serie med batteriet för att sänka spänningen till under 8V. De fungerar också som ett skydd mot inverterade batterier. Använd också en säkring på 3 till 5A i serie, det kan vara en lågspänningssäkring som den som används i fordon. För att undvika att tömma batteriet när pistolen inte används rekommenderar jag att du ansluter en huvudströmbrytare.

Batterispänningen vid kretskortets ingångar ska alltid vara mellan 5V och 8V för att kretsen ska fungera korrekt.

Styrdelen innehåller ett underspänningsskydd och 3 timerkretsar. Timer IC U11 med LED1 blinkar indikerar att kommandot för att slå på laddarkretsen är aktivt. Timer IC U10 bestämmer utgångspulsbredden. Pulsbredden kan justeras med potentiometer R36. Med R8- och C4/C6 -värden enligt BOM är intervallet: 510us till 2,7ms. Om du behöver pulsbredder utanför detta område kan dessa värden justeras som du vill.

Bygel J1 kan vara öppen för första testet. Kommandot för att aktivera laddarkretsen går genom den bygeln (positiv logik, d.v.s. 0V = laddare avstängd; VBAT = laddare aktiverad).

Den övre mittdelen innehåller kondensatorladdarkretsen. Transformatorns toppströmgräns är 10A, denna ström är konfigurerad med strömavkänningsmotståndet R21 och bör inte ökas eller du kan riskera att mätta transformatorkärnan. 10A topp leder till lite över 3A genomsnittlig ström från batteriet vilket är ok för batterierna jag använde. Om du vill använda andra batterier som inte kan ge den strömmen måste du öka värdet på motståndet R21. (öka värdet på motståndet R21 för att minska transformatorens toppström och därmed genomsnittlig ström från batteriet)

Huvudkondensatorns utspänning mäts med en komparator. Den aktiverar LED2 när spänningen är över cirka 500V och inaktiverar laddaren när spänningen är över 550V vid en överspänningshändelse (det borde faktiskt aldrig hända).

KRAV ALDRIG LADDAREN UTAN HUVUDKAPACITOREN KOPPLADE TILL KRETSEN. Detta kan skada laddarens IC.

Den sista kretsen är bryggkretsen som urladdar kondensatorn genom två IGBT i lasten / spolen.

Steg 4: Inspektion av kretskort

Kontrollera först kretskortet för något ovanligt. De kommer faktiskt inspekterade och elektriskt testade från tillverkaren men det är alltid en bra idé att dubbelkolla innan du monterar. Jag har aldrig haft några problem, det är bara en vana.

Du kan ladda ner Gerber -filerna här:

ladda upp dem till en PCB -tillverkare som OSHPARK. COM eller JLCPCB. COM eller någon annan.

Steg 5: Montering

Ladda ner Excel BOM -filen och de två pdf -filerna för komponentplats

Montera först det mindre kretskortet som rymmer den stora elektrolytkondensatorn. Var uppmärksam på rätt polaritet!

90 -gradershuvudena som kommer att ansluta detta kretskort till huvudkortet kan monteras på ovansidan eller undersidan beroende på din mekaniska enhet.

Löd INTE ännu rubrikerna i huvudkortet, de är svåra att ta bort. Anslut två korta ledningar tjockare än AWG20 mellan de två kretskorten.

På huvudkortet monterar du först laddaren IC som är den svåraste delen om du inte är van. Montera sedan de mindre komponenterna. Vi installerar först alla kondensatorer och motstånd. Den enklaste metoden är att lägga lite löd på en kudde och sedan löda komponenten med hjälp av pincetten på denna kudde först. Det spelar ingen roll hur lödfogen ser ut vid denna tidpunkt, detta tjänar bara för att fixa det på plats.

Löd sedan den andra dynan. Använd nu vätskeflöde eller flusspenna på de inte så snygga lödfogarna och gör om fogen igen. Använd exemplen i videon som en referens om hur en acceptabel lödfog ser ut.

Gå nu vidare till IC: erna. Fixa en terminal på kretskortet med ovanstående metod. Löd sedan alla andra stift också.

Därefter kommer vi att installera de större komponenterna som elektrolyt- och filmkondensatorer, trimpot, lysdioder, Mosfets, dioder, IGBT och transformatorn i laddarkretsen.

Dubbelkolla alla lödfogar, se till att ingen komponent är trasig eller sprucken etc.

Steg 6: Uppstart

Varning: Överskrid inte 8V ingångsspänning

Om du har ett oscilloskop:

Anslut en tryckknapp (normalt öppen) till ingångarna SW1 och SW2.

Kontrollera att bygel J1 är öppen. Anslut helst en justerbar strömförsörjning vid bänken till batteriingången. Om du inte har en justerbar strömförsörjning på bänken måste du gå direkt med batterier. Lysdiod 1 ska blinka så snart ingångsspänningen är högre än cirka 5,6V. Underspänningskretsen har en stor hysteres, dvs för att slå på kretsen till en början måste spänningen vara högre än 5,6V, men den stänger bara av kretsen när ingångsspänningen sjunker under cirka 4,9V. För batterierna som används i detta exempel är detta en irrelevant funktion men kan vara användbar om du arbetar med batterier som har högre internt motstånd och/eller är delvis urladda.

Mät huvudspänningens högspänningskondensatorspänning med en lämplig multimeter, den ska förbli 0V eftersom laddaren är avstängd.

Med oscilloskopet mäter du pulsbredden vid stift 3 på U10 när du trycker på tryckknappen. Den ska vara justerbar med trimpot R36 och variera mellan cirka 0,5 ms och 2,7 ms. Det är en fördröjning på cirka 5 sekunder innan pulsen kan startas om efter varje knapptryckning.

Gå till steg … fullspänningstest

om du inte har ett oscilloskop:

Gör samma steg som ovan men hoppa över pulsbreddsmätningen, det finns inget att mäta med en multimeter.

Gå till … fullspänningstest

Steg 7: Fullspänningstest

Ta bort ingångsspänningen.

Stäng bygel J1.

Dubbelkontrollera hög polaritet hos högspänningskondensatorn!

Anslut en multimeter märkt för den förväntade spänningen (> 525V) till högspänningskondensatorns terminaler.

Anslut en testspole till utgångsklämmorna Coil1 och Coil2. Den lägsta induktans/motståndsspolen jag använde med denna krets var AWG20 500uH/0,5 Ohm. I videon använde jag 1mH 1R.

Se till att det inte finns några ferromagnetiska material nära eller inuti spolen.

Använd skyddsglasögon

Anslut batterispänningen till ingångarna.

Laddaren ska starta och likspänningen på kondensatorn ska snabbt stiga.

Den bör stabiliseras vid ca 520V. Om den överstiger 550V och fortfarande går upp, stäng av ingångsspänningen omedelbart, något skulle vara fel med återkopplingsdelen av laddaren IC. I det här fallet måste du kontrollera alla lödfogar igen och korrekt installation av alla komponenter.

Lysdioden 2 ska nu tändas för att indikera att huvudkondensatorn är fulladdad.

Tryck på avtryckaren, spänningen ska sjunka några hundra volt, det exakta värdet beror på den justerade pulsbredden.

Stäng av ingångsspänningen.

Innan hanteringen av kretskortet måste kondensatorn laddas ur

Detta kan antingen göras genom att vänta tills spänningen sjunker till ett säkert värde (tar lång tid) eller genom att ladda ur den med ett effektmotstånd. Flera glödlampor i serie kommer också att göra jobbet, antalet glödlampor som behövs beror på deras spänning, två till tre för 220V lampor, fyra till fem för 120V lampor

Ta bort ledningarna från kondensatorns kretskort. För att slutföra modulen kan kondensatorn nu (eller senare) lödas direkt till huvudkortet beroende på den mekaniska monteringsprocessen. Kondensatormodulen är svår att ta bort från huvudkortet, planera därefter.

Steg 8: Mekanisk

Överväganden vid mekanisk montering

Huvudkortet har 6 utskärningar för att montera det på ett stöd. Det finns kopparspår mer eller mindre nära dessa spår. Vid montering av kretskortet måste man vara noga med att inte korta dessa spår till skruven. Därför måste plastdistanser och plastbrickor användas. Jag använde en metallskrotbit, en aluminium-U-profil som huset. Om du använder ett metalliskt stöd bör det jordas, det vill säga anslutas med en kabel till batteriets minuspol. Tillgängliga delar (delar som kan beröras) är avtryckaren och batteriet, deras spänningsnivå är nära marken. Om någon högspänningsnod skulle komma i kontakt med metallhuset skulle den vara kortsluten till jord och användaren är säker. Beroende på vikten på höljet och spolen kan hela enheten vara ganska fronttung så greppet måste installeras därefter.

Huset kan också göras mycket snyggare, 3D -tryckt, målat etc, det är upp till dig.

Steg 9: Teorin

Arbetsprincipen är mycket enkel.

De två IGBT: erna aktiveras samtidigt under en tidsperiod som varar några hundra oss till ett par ms beroende på konfigurationen/justeringen av den monostabila oscillatorn U10. Strömmen börjar sedan byggas upp genom spolen. Ström motsvarar magnetfältstyrka och magnetfältstyrka till kraften som utövas på projektilen inuti spolen. Projektilen börjar röra sig långsamt och strax innan dess mitt når mitten av spolen stängs IGBT: erna av. Strömmen inuti spolen upphör dock inte direkt men strömmar nu genom dioderna och tillbaka till huvudkondensatorn under en tid. Medan strömmen förfaller finns det fortfarande magnetfält inuti spolen, så detta bör sjunka till nära noll innan mitten av projektilen når mitten av spolen annars skulle en brytkraft utövas på den. Det verkliga resultatet motsvarar simuleringen. Slutströmmen innan pulsen stängs av är 367A (strömprob 1000A/4V)

Steg 10: Spolkonstruktion

Hastigheten 36m/s erhölls med följande spole: 500uH, AWG20, 0,5R, 22mm längd, 8mm innerdiameter. Använd ett rör som har minsta möjliga mellanrum mellan innervägg och projektil och som fortfarande tillåter fri rörelse för projektilen. Den bör också ha de tunnaste väggarna som är möjliga samtidigt som den är mycket stel. Jag använde ett rör av rostfritt stål och inga skadliga effekter märktes. Om du använder ett elektriskt ledande rör, se till att isolera det med en lämplig tejp (jag använde Kapton -tejp) innan du lindar det. Du kan behöva montera ytterligare ändstycken tillfälligt under lindningen, eftersom betydande sidokrafter utvecklas under lindningsprocessen. Jag skulle då rekommendera att fixa/skydda lindningarna med epoxi. Detta hjälper till att förhindra att lindningarna skadas vid hantering/montering av spolen. Hela spolmonteringen bör göras på ett sätt så att lindningarna inte kan röra sig. Du behöver också någon form av stöd för att montera den på huvudhuset.

Steg 11: Möjliga ändringar och begränsningar av kretsen

Kondensatorn laddad till 522V innehåller 136 Joule. Effektiviteten hos denna krets är ganska låg, som med de flesta enkla enstegsdesigner som accelererar ferromagnetiska projektiler. Den maximala spänningen begränsas av den högsta tillåtna kondensatorspänningen på 550VDC och IGBT: s maximala VCE -klassificering. Andra spolgeometrier och lägre induktans/motståndsvärden kan leda till högre hastigheter/effektivitet. Den maximalt angivna toppströmmen för denna IGBT är dock 600A. Det finns andra IGBT: er av samma storlek som kan stödja högre överspänningsströmmar. I vilket fall som helst, om du funderar på att öka kapacitansen eller IGBT -storleken, se till att du överväger följande huvudfrågor: Respektera den maximala strömmen som anges i IGBT -databladet. Jag rekommenderar inte att öka laddarens spänning, för många variabler måste beaktas. Ökad kapacitans och användning av längre pulsbredder för större spolar kommer också att öka IGBT: s energiförlust. De kan därför behöva en kylfläns. Jag rekommenderar att simulera en modifierad krets först i SPICE /Multisim eller annan simuleringsprogramvara för att avgöra vad toppströmmen kommer att vara.

Lycka till!

Steg 12: Spolpistolen i aktion

Bara att ha roligt att skjuta på slumpmässiga saker …