Coilgun SGP33 - Vollständige Montage- und Testanleitung - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

In diesem Tutorial wird beschrieben, wie Sie die Elektronik der in diesem Video gezeigten Spulenpistole zusammenbauen:

SGP-33 Montage Youtube

Auf der letzten Seite dieses Tutorials finden Sie auch ein Video, in dem Sie es in Aktion sehen. Hier ist der Link.

Die PCBs für diese Demo wurden uns freundlicherweise von JLCPCB. COM zur Verfügung gestellt

Das Ziel war es, eine einstufige Spulenkanone zu bauen, die leicht ist, eine gute Leistung hat und gängige Teile zu einem vernünftigen Preis verwendet.

Merkmale:

- Single Stage, Single Shot

- Einstellbare Spulenaktivierungsimpulsbreite

- IGBT-getriebene Spule

- Einzelkondensator 1000uF/550V

- Höchste erreichte Geschwindigkeit 36 m/s, hängt stark von den Eigenschaften und der Geometrie der Spule und des Projektils ab

- Erstladezeit ca. 8s, Aufladezeit abhängig von der Entladezeit, im Videobeispiel sind es 5s

Die Gesamtkosten nur für elektronische Teile betragen etwa 140 US-Dollar, ohne den Kupferdraht / das Fass für die Spule.

In diesem Tutorial werde ich nur beschreiben, wie man die Platine zusammenbaut.

Ich werde auch alle anderen Informationen bereitstellen, um das Beste aus dieser Schaltung herauszuholen, ohne sie zu sprengen.

Ich werde keine detaillierte Beschreibung des mechanischen Aufbaus geben, da ich denke, dass er verbessert / modifiziert werden könnte. Sie müssen Ihre Vorstellungskraft für diesen Teil verwenden.

Schritt 1: Warnung

VORSICHT:

Stellen Sie sicher, dass Sie diesen Abschnitt lesen und verstehen!

Die Schaltung lädt einen Kondensator auf etwa 525 V auf. Wenn Sie die Anschlüsse eines solchen Kondensators mit bloßen Händen berühren, können Sie sich ernsthaft verletzen. Außerdem (dies ist weniger gefährlich, sollte aber dennoch erwähnt werden) kann der hohe Strom, den sie liefern können, Funken erzeugen und dünne Drähte verdampfen lassen. Tragen Sie daher immer einen Augenschutz!

Schutzbrille ist ein Muss

Der Kondensator behält die Ladung auch nach dem Ausschalten des Hauptschalters. Es muss VOR Arbeiten an der Schaltung entladen werden!!!

Zweitens nutzen wir die im Kondensator enthaltene Energie und wandeln sie in die kinetische Energie eines Projektils um. Auch wenn die Geschwindigkeit dieses Projektils gering ist, könnte es Sie (oder jemand anderen) verletzen. Verwenden Sie daher die gleichen Sicherheitsregeln wie bei der Arbeit mit Elektrowerkzeugen oder anderen mechanischen Arbeiten.

Richten Sie dies also NIEMALS auf eine Person, wenn es geladen und aufgeladen ist, verwenden Sie Ihren gesunden Menschenverstand.

Schritt 2: Tools und Arbeitsplatzanforderungen

Benötigte Fähigkeiten:

Wenn Sie völlig neu in der Elektronik sind, ist dieses Projekt nichts für Sie. Folgende Fähigkeiten werden benötigt:

- Kann oberflächenmontierte Geräte einschließlich ICs, Kondensatoren und Widerstände löten

- Kann ein Multimeter verwenden

Benötigtes Werkzeug (das Minimum):

- Lötkolben mit feiner Spitze / großer Spitze

- Lötdraht

- Flüssiges Flussmittel oder Flussmittelstift

- Entlötgeflecht

- Lupe zur Kontrolle von Lötstellen oder Mikroskop

- Feine Pinzette

- Multimeter zur Messung der Zwischenkreisspannung (525VDC)

Empfohlene Werkzeuge (optional)

- Einstellbare Stromversorgung

- Oszilloskop

- Heißluft-Entlötstation

Vorbereitung des Arbeitsplatzes und allgemeine Arbeitsempfehlungen:

- Verwenden Sie einen sauberen Tisch, vorzugsweise keinen Kunststoff (um Probleme mit statischer Aufladung zu vermeiden)

- Verwenden Sie keine Kleidung, die leicht Ladungen erzeugt / ansammelt (das ist diejenige, die beim Entfernen Funken erzeugt)

- Da zu Hause kaum jemand einen ESD-sicheren Arbeitsplatz hat, empfehle ich die Montage in einem Schritt, d.h. keine empfindlichen Bauteile (alle Halbleiter aus der Verpackung) mit sich herumzutragen. Legen Sie alle Komponenten auf den Tisch und beginnen Sie dann.

- Einige Komponenten sind ziemlich klein, wie Widerstände und Kondensatoren in 0603-Paketen, sie können leicht verloren gehen, nehmen Sie nur eine nach der anderen aus der Verpackung

- Der Lade-IC in einem TSSOP20-Gehäuse ist der am schwierigsten zu lötende Teil, er hat einen Pitch von 0,65 mm (Abstand zwischen den Pins), was immer noch weit davon entfernt ist, der kleinste Industriestandard zu sein, aber es könnte für jemanden mit weniger Erfahrung schwierig sein. Wenn Sie sich nicht sicher sind, empfehle ich Ihnen, das Löten zuerst an etwas anderem zu trainieren, anstatt Ihre Leiterplatte zu verschrotten

Auch hier wird der gesamte Leiterplattenbestückungsprozess in dem auf der ersten Seite dieses Tutorials erwähnten Video gezeigt

Schritt 3: Diagramm

In diesem Abschnitt gebe ich einen Überblick über die Schaltung. Lesen Sie es sorgfältig durch, um Schäden an der gerade montierten Platine zu vermeiden.

Links wird die Batterie angeschlossen. Stellen Sie sicher, dass sie unter allen Bedingungen niedriger als 8 V ist, da sonst der Ladestromkreis beschädigt werden könnte!

Die von mir verwendeten Batterien haben 3,7 V, haben aber bei sehr geringer Last eine Spannung von mehr als 4 V. Sie würden daher dem Ladegerät vor dem Start eine Spannung von mehr als 8 V liefern. Gehen Sie kein Risiko ein, es gibt zwei Schottky-Dioden in Reihe mit der Batterie, um die Spannung auf unter 8 V zu senken. Sie dienen auch als Schutz gegen vertauschte Batterien. Verwenden Sie auch eine Sicherung von 3 bis 5 A in Reihe, dies kann eine Niederspannungssicherung sein, wie sie in Fahrzeugen verwendet wird. Um ein Entladen der Batterie bei Nichtgebrauch der Pistole zu vermeiden, empfehle ich den Anschluss eines Hauptschalters.

Die Batteriespannung an den Eingangsklemmen der Leiterplatte sollte jederzeit zwischen 5 V und 8 V liegen, damit die Schaltung ordnungsgemäß funktioniert.

Der Steuerteil enthält einen Unterspannungsschutz und 3 Zeitschaltkreise. Timer IC U11 mit blinkender LED1 zeigt an, dass der Befehl zum Einschalten des Ladekreises aktiv ist. Timer-IC U10 bestimmt die Ausgangsimpulsbreite. Die Pulsbreite kann mit Potentiometer R36 eingestellt werden. Bei R8- und C4/C6-Werten gemäß Stückliste beträgt der Bereich: 510us bis 2,7 ms. Wenn Sie Pulsbreiten außerhalb dieses Bereichs benötigen, können diese Werte nach Belieben angepasst werden.

Jumper J1 kann für erste Tests geöffnet werden. Der Befehl zum Aktivieren des Ladekreises geht über diesen Jumper (positive Logik, d.h. 0V = Ladegerät deaktiviert; VBAT = Ladegerät aktiviert).

Der obere Mittelteil enthält die Kondensatorladeschaltung. Die Spitzenstrombegrenzung des Transformators beträgt 10 A, dieser Strom wird mit dem Strommesswiderstand R21 konfiguriert und sollte nicht erhöht werden, da sonst der Transformatorkern gesättigt wird. 10A Spitze führt zu einem durchschnittlichen Strom von etwas über 3A von der Batterie, was für die von mir verwendeten Batterien in Ordnung ist. Wenn Sie andere Batterien verwenden möchten, die diesen Strom nicht liefern können, müssen Sie den Wert des Widerstands R21 erhöhen. (Wert des Widerstands R21 erhöhen, um den Spitzenstrom des Transformators und folglich den durchschnittlichen Strom aus der Batterie zu verringern)

Die Ausgangsspannung des Hauptkondensators wird mit einem Komparator gemessen. Es aktiviert die LED2, wenn die Spannung über etwa 500 V liegt, und deaktiviert das Ladegerät, wenn die Spannung über 550 V bei einem Überspannungsereignis liegt (das sollte eigentlich nie passieren).

NIEMALS DAS LADEGERÄT EINSCHALTEN, OHNE DER HAUPTKONDENSATOR AN DEN KREIS ANGESCHLOSSEN IST. Dies könnte den Lade-IC beschädigen.

Die letzte Schaltung ist die Brückenschaltung, die den Kondensator über zwei IGBTs in die Last / die Spule entlädt.

Schritt 4: PCB-Inspektion

Untersuchen Sie zuerst die Platine auf Ungewöhnliches. Sie werden vom Hersteller tatsächlich geprüft und elektrisch getestet, aber es ist immer eine gute Idee, vor dem Zusammenbau noch einmal zu überprüfen. Ich hatte nie Probleme, es ist nur eine Angewohnheit.

Die Gerber-Dateien können Sie hier herunterladen:

Laden Sie sie zu einem PCB-Hersteller wie OSHPARK. COM oder JLCPCB. COM oder einem anderen hoch.

Schritt 5: Montage

Laden Sie die Excel-Stücklistendatei und die beiden PDF-Dateien für den Standort der Komponenten herunter

Montieren Sie zuerst die kleinere Platine, die den großen Elektrolytkondensator hält. Achten Sie auf die richtige Polarität!

Die 90-Grad-Stiftleisten, die diese Platine mit der Hauptplatine verbinden, können je nach mechanischer Baugruppe auf der Ober- oder Unterseite montiert werden.

Löten Sie die Header noch NICHT in die Hauptplatine, sie sind schwer zu entfernen. Verbinden Sie zwei kurze Drähte, die dicker als AWG20 sind, zwischen den beiden Leiterplatten.

Montieren Sie auf der Hauptplatine zuerst den Lade-IC, der der schwierigste Teil ist, wenn Sie nicht daran gewöhnt sind. Montieren Sie dann die kleineren Komponenten. Wir werden zuerst alle Kondensatoren und Widerstände installieren. Am einfachsten ist es, ein wenig Lötzinn auf ein Pad aufzubringen und dann das Bauteil mit Hilfe der Pinzette zuerst auf dieses Pad zu löten. Dabei spielt es keine Rolle, wie die Lötstelle an dieser Stelle aussieht, dies dient lediglich der Fixierung.

Löten Sie dann das andere Pad. Verwenden Sie nun flüssiges Flussmittel oder einen Flussmittelstift auf den nicht so gut aussehenden Lötstellen und machen Sie die Verbindung erneut. Verwenden Sie die Beispiele im Video als Referenz, wie eine akzeptable Lötstelle aussieht.

Gehen Sie nun zu den ICs über. Befestigen Sie eine Klemme auf der Platine mit der oben genannten Methode. Löten Sie dann auch alle anderen Pins.

Als nächstes installieren wir die größeren Komponenten wie Elektrolyt- und Folienkondensatoren, Trimpot, LEDs, Mosfets, Dioden, IGBTs und den Transformator der Ladeschaltung.

Überprüfen Sie alle Lötstellen, stellen Sie sicher, dass keine Komponente gebrochen oder gesprungen ist usw.

Schritt 6: Inbetriebnahme

Achtung: 8V Eingangsspannung nicht überschreiten

Wenn Sie ein Oszilloskop haben:

Schließen Sie einen Taster (normalerweise offen) an die Eingänge SW1 und SW2 an.

Stellen Sie sicher, dass Jumper J1 offen ist. Schließen Sie idealerweise ein einstellbares Tischnetzteil an den Batterieeingang an. Wenn Sie kein einstellbares Tischnetzteil haben, müssen Sie direkt mit Batterien arbeiten. LED 1 sollte blinken, sobald die Eingangsspannung höher als ca. 5,6V ist. Die Unterspannungsschaltung hat eine große Hysterese, d. h. um die Schaltung anfänglich einzuschalten, muss die Spannung höher als 5,6 V sein, aber sie schaltet die Schaltung nur aus, wenn die Eingangsspannung unter etwa 4,9 V fällt. Für die in diesem Beispiel verwendeten Akkus ist dies irrelevant, kann aber nützlich sein, wenn mit Akkus gearbeitet wird, die einen höheren Innenwiderstand haben und/oder teilentladen sind.

Messen Sie die Spannung des Haupthochspannungskondensators mit einem geeigneten Multimeter, sie sollte 0V bleiben, da das Ladegerät deaktiviert werden soll.

Messen Sie mit dem Oszilloskop die Pulsbreite an Pin 3 von U10 beim Drücken des Tasters. Sie sollte mit Trimpot R36 einstellbar sein und zwischen ca. 0,5ms und 2,7ms schwanken. Es gibt eine Verzögerung von ca. 5s, bevor der Puls nach jedem Tastendruck neu gestartet werden kann.

Weiter zu Schritt… Vollspannungstest

Wenn Sie kein Oszilloskop haben:

Führen Sie die gleichen Schritte wie oben aus, überspringen Sie jedoch die Pulsweitenmessung, da mit einem Multimeter nichts gemessen werden kann.

Weiter zu… Vollspannungstest

Schritt 7: Vollspannungstest

Entfernen Sie die Eingangsspannung.

Schließen Sie Jumper J1.

Überprüfen Sie die richtige Polarität des Hochspannungskondensators!

Schließen Sie ein Multimeter, das für die erwartete Spannung (> 525 V) ausgelegt ist, an die Hochspannungskondensatorklemmen an.

Schließen Sie eine Testspule an die Ausgangsklemmen Coil1 und Coil2 an. Die Spule mit der niedrigsten Induktivität / Widerstand, die ich mit dieser Schaltung verwendet habe, war AWG20 500uH / 0,5 Ohm. Im Video habe ich 1mH 1R verwendet.

Stellen Sie sicher, dass sich keine ferromagnetischen Materialien in der Nähe oder in der Spule befinden.

Tragen Sie eine Schutzbrille

Legen Sie Batteriespannung an die Eingangsklemmen an.

Das Ladegerät sollte anlaufen und die Gleichspannung am Kondensator sollte schnell ansteigen.

Es sollte sich bei etwa 520 V stabilisieren. Wenn sie 550 V überschreitet und immer noch ansteigt, schalten Sie die Eingangsspannung sofort aus, da mit dem Rückkopplungsteil des Lade-ICs etwas nicht stimmt. In diesem Fall müssen Sie alle Lötstellen und den korrekten Einbau aller Komponenten erneut überprüfen.

Die LED2 sollte jetzt leuchten und anzeigen, dass der Hauptkondensator vollständig geladen ist.

Drücken Sie den Triggerknopf, die Spannung sollte einige hundert Volt abfallen, der genaue Wert hängt von der eingestellten Pulsbreite ab.

Schalten Sie die Eingangsspannung aus.

Vor der Handhabung der Leiterplatten muss der Kondensator entladen werden

Dies kann entweder durch Abwarten, bis die Spannung auf einen sicheren Wert abfällt (dauert lange) oder durch Entladen mit einem Leistungswiderstand erfolgen. Mehrere Glühbirnen in Reihe werden auch die Arbeit erledigen, die Anzahl der benötigten Glühbirnen hängt von ihrer Nennspannung ab, zwei bis drei für 220-V-Lampen, vier bis fünf für 120-V-Lampen

Entfernen Sie die Drähte von der Kondensatorplatine. Zur Vervollständigung des Moduls kann der Kondensator nun (oder später) je nach mechanischem Bestückungsprozess direkt auf die Hauptplatine gelötet werden. Das Kondensatormodul lässt sich nur schwer von der Hauptplatine entfernen, planen Sie entsprechend.

Schritt 8: Mechanisch

Überlegungen zur mechanischen Montage

Die Hauptplatine hat 6 Ausschnitte, um sie auf einem Träger zu montieren. In der Nähe dieser Spuren befinden sich mehr oder weniger Kupferspuren. Bei der Montage der Platine ist darauf zu achten, dass diese Leiterbahnen nicht mit der Schraube kurzgeschlossen werden. Daher müssen Kunststoff-Abstandshalter und Kunststoff-Unterlegscheiben verwendet werden. Als Gehäuse habe ich ein Schrottstück verwendet, ein Aluminium U-Profil. Bei Verwendung eines metallischen Trägers sollte dieser geerdet, d. h. mit einem Draht an den Minuspol der Batterie angeschlossen werden. Zugängliche Teile (berührbare Teile) sind der Auslöseschalter und die Batterie, deren Spannungspegel nahe Masse liegt. Wenn ein Hochspannungsknoten mit dem Metallgehäuse in Kontakt käme, würde er mit Masse kurzgeschlossen und der Benutzer ist sicher. Je nach Gewicht des Gehäuses und der Spule kann die gesamte Einheit recht frontlastig sein, so dass der Griff entsprechend montiert werden muss.

Das Gehäuse könnte auch viel schöner gemacht, 3D gedruckt, lackiert etc. sein, das ist dir überlassen.

Schritt 9: Die Theorie

Das Arbeitsprinzip ist sehr einfach.

Je nach Konfiguration/Einstellung des monostabilen Oszillators U10 werden die beiden IGBTs gleichzeitig für einen Zeitraum von einigen hundert us bis zu einigen ms aktiviert. Dann beginnt sich Strom durch die Spule aufzubauen. Der Strom entspricht der magnetischen Feldstärke und die magnetische Feldstärke der Kraft, die auf das Projektil innerhalb der Spule ausgeübt wird. Das Projektil beginnt sich langsam zu bewegen und kurz bevor seine Mitte die Mitte der Spule erreicht, werden die IGBTs abgeschaltet. Der Strom in der Spule hört jedoch nicht sofort auf, sondern fließt nun für einige Zeit durch die Dioden und zurück in den Hauptkondensator. Während der Strom abklingt, ist in der Spule noch ein Magnetfeld vorhanden, so dass dieses auf nahezu Null absinken sollte, bevor die Mitte des Projektils die Mitte der Spule erreicht, da sonst eine Bruchkraft darauf ausgeübt würde. Das reale Ergebnis entspricht der Simulation. Der Endstrom vor dem Ausschalten des Impulses beträgt 367A (Stromsonde 1000A/4V)

Schritt 10: Spulenaufbau

Die Geschwindigkeit von 36m/s wurde mit der folgenden Spule erreicht: 500uH, AWG20, 0.5R, 22mm Länge, 8mm Innendurchmesser. Verwenden Sie ein Rohr, das einen möglichst kleinen Spalt zwischen Innenwand und Geschoss hat und dennoch eine freie Bewegung des Geschosses ermöglicht. Es sollte auch möglichst dünnwandig sein und gleichzeitig sehr steif sein. Ich habe ein Edelstahlrohr verwendet und es wurden keine nachteiligen Auswirkungen festgestellt. Wenn Sie ein elektrisch leitfähiges Rohr verwenden, isolieren Sie es vor dem Aufwickeln mit einem geeigneten Klebeband (ich habe Kaptonband verwendet). Eventuell müssen Sie beim Wickeln vorübergehend zusätzliche Endstücke montieren, da beim Wickeln erhebliche Seitenkräfte entstehen. Ich würde dann empfehlen, die Wicklungen mit Epoxid zu fixieren / zu schützen. Dadurch wird verhindert, dass die Wicklungen während der Handhabung/Montage der Spule beschädigt werden. Die gesamte Spulenanordnung sollte so erfolgen, dass sich die Wicklungen nicht bewegen können. Sie benötigen auch eine Art Unterstützung, um es am Hauptgehäuse zu montieren.

Schritt 11: Mögliche Änderungen und Einschränkungen der Schaltung

Der auf 522 V aufgeladene Kondensator enthält 136 Joule. Die Effizienz dieser Schaltung ist ziemlich gering, wie bei den meisten einfachen einstufigen Designs, die ferromagnetische Projektile beschleunigen. Die maximale Spannung wird durch die maximal zulässige Kondensatorspannung von 550 VDC und die maximale VCE-Bewertung der IGBTs begrenzt. Andere Spulengeometrien und niedrigere Induktivität/Widerstandswerte können zu höheren Geschwindigkeiten/Wirkungen führen. Der maximal spezifizierte Spitzenstrom für diesen IGBT beträgt jedoch 600A. Es gibt andere IGBTs der gleichen Größe, die möglicherweise höhere Stoßströme unterstützen könnten. Wenn Sie die Kapazität oder die Größe des IGBT erhöhen möchten, sollten Sie in jedem Fall die folgenden Hauptaspekte berücksichtigen: Beachten Sie den im IGBT-Datenblatt angegebenen maximalen Strom. Ich empfehle nicht, die Ladespannung zu erhöhen, da zu viele Variablen berücksichtigt werden müssen. Eine Erhöhung der Kapazität und die Verwendung längerer Pulsbreiten für größere Spulen erhöht auch die Verlustleistung der IGBTs. Sie benötigen daher möglicherweise einen Kühlkörper. Ich empfehle, zuerst eine modifizierte Schaltung in SPICE / Multisim oder einer anderen Simulationssoftware zu simulieren, um den Spitzenstrom zu bestimmen.

Viel Glück!

Schritt 12: Die Coil Gun in Aktion

Einfach nur Spaß beim Schießen auf zufällige Sachen haben…