Coilgun SGP33: instruccions de muntatge i prova completes: 12 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:14

Aquest tutorial descriu com muntar l'electrònica de la pistola de bobina que es mostra en aquest vídeo:

Muntatge SGP-33 Youtube

També hi ha un vídeo on el veieu en acció a la darrera pàgina d’aquest tutorial. Aquí teniu l’enllaç.

Els PCB d’aquesta demostració van ser amablement proporcionats per JLCPCB. COM

L'objectiu era construir una pistola de bobina d'una sola etapa que sigui lleugera, que tingui un bon rendiment i que faci servir peces disponibles normalment a un preu raonable.

Característiques:

- Etapa única, pla únic

Amplada de pols d’activació de la bobina ajustable

- Bobina impulsada per IGBT

Condensador únic de 1000uF / 550V

- La velocitat màxima obtinguda de 36 m / s, dependrà en gran mesura de les propietats i la geometria de la bobina i del projectil

- El temps inicial de càrrega és d’uns 8 segons; el temps de recàrrega depèn del temps de descàrrega; a l’exemple del vídeo, són 5 segons

El cost total de les peces electròniques només és d’uns 140 dòlars EUA, excloent el filferro / barril de coure de la bobina.

En aquest tutorial només descriuré com muntar el PCB.

També proporcionaré tota la resta d’informació per treure el màxim profit d’aquest circuit sense explotar-lo.

No donaré una descripció detallada del conjunt mecànic, ja que crec que es podria millorar / modificar. Haureu d’utilitzar la vostra imaginació per a aquesta part.

Pas 1: advertència

PRECAUCIÓ:

Assegureu-vos de llegir i entendre aquesta secció.

El circuit carrega un condensador a uns 525V. Si toqueu els terminals d’aquest condensador amb les mans nues, us podreu ferir greument. A més (això és menys perillós, però, tot i així, cal esmentar-ho), l’elevat corrent que poden proporcionar pot generar espurnes i evaporar fils fins. Per tant, sempre useu protecció per als ulls.

Les ulleres de seguretat són imprescindibles

El condensador conserva la càrrega fins i tot després que l’interruptor principal estigui apagat. Cal descarregar-lo ABANS de treballar al circuit !!!

En segon lloc, utilitzarem l’energia continguda al condensador i la transformarem en energia cinètica d’un projectil. Tot i que la velocitat d’aquest projectil és baixa, encara us pot fer mal (o algú més), per tant, utilitzeu les mateixes normes de seguretat que quan treballeu amb eines elèctriques o realitzeu qualsevol altre treball mecànic.

Per tant, MAI apunteu això cap a una persona quan estigui carregada i carregada, feu servir el sentit comú.

Pas 2: requisits d’eines i llocs de treball

Habilitats necessàries:

Si sou completament nou en electrònica, aquest projecte no us convé. Es necessiten les habilitats següents:

- Capaç de soldar dispositius de muntatge superficial, inclosos circuits integrats, condensadors i resistències

- Capaç d'utilitzar un multímetre

Eines necessàries (el mínim):

Soldador de punta fina / punta gran

- Fil de soldadura

- Ploma de flux o flux líquid

- Trena desoldadora

- Lupa per inspeccionar juntes de soldadura o un microscopi

- Pinces fines

Multímetre per mesurar la tensió de l'enllaç CC (525VDC)

Eines recomanades (opcional)

- Font d'alimentació ajustable

- Oscil·loscopi

- Estació de dessoldatge d'aire calent

Preparació del lloc de treball i recomanacions generals de treball:

- Utilitzeu una taula neta, preferiblement no de plàstic (per evitar problemes de càrrega estàtica)

- No utilitzeu roba que cregui / acumuli càrrega fàcilment (és la que crea espurnes quan la traieu)

- Com que gairebé ningú no té un lloc de treball segur a l’ESD a casa, recomano fer el muntatge en un sol pas, és a dir, no portar components sensibles (tots els semiconductors un cop els treieu de l’envàs). Col·loqueu tots els components sobre la taula i inicieu.

- Alguns components són força petits, com ara resistències i condensadors en paquets 0603, es poden perdre fàcilment, només es poden treure un a la vegada del seu embalatge

- El carregador IC d'un paquet TSSOP20 és la part més difícil de soldar, té un pas de 0,65 mm (distància entre els pins), que encara està lluny de ser l'estàndard més petit de la indústria, però pot ser difícil per a algú amb menys experiència. Si no esteu segur, us recomanaria que primer entreneu la soldadura en alguna cosa més en lloc de desballestar el PCB

De nou, tot el procés de muntatge de PCB es mostra al vídeo esmentat a la primera pàgina d’aquest tutorial

Pas 3: Diagrama

En aquesta secció donaré una visió general del circuit. Llegiu-lo atentament, cosa que us ajudarà a evitar danys al tauler que acabeu de muntar.

A l'esquerra es connectarà la bateria. Assegureu-vos que sigui inferior a 8V en totes les condicions o que el circuit del carregador es pugui danyar.

Les bateries que he fet servir són de 3,7 V, però tindran un voltatge superior a 4 V quan es trobin amb una càrrega molt lleugera, donarien una tensió superior a 8 V al carregador abans que s’engegui. Sense assumir cap risc, hi ha dos díodes schottky en sèrie amb la bateria per baixar el voltatge per sota de 8V. També serveixen com a protecció contra les bateries invertides. Utilitzeu també un fusible de 3 a 5A en sèrie, pot ser un fusible de baixa tensió com els que s’utilitzen als vehicles. Per evitar drenar la bateria quan no s'utilitza la pistola, recomano connectar un interruptor principal.

El voltatge de la bateria als terminals d’entrada del PCB ha d’estar entre 5V i 8V en tot moment perquè el circuit funcioni correctament.

La secció de control conté una protecció contra baixa tensió i 3 circuits temporitzadors. El temporitzador IC U11 amb LED1 parpellejant indica que l'ordre per activar el circuit del carregador està actiu. El temporitzador IC U10 determina l'amplada del pols de sortida. L'amplada del pols es pot ajustar amb el potenciòmetre R36. Amb els valors R8 i C4 / C6 segons la llista de materials, l’interval és de: 510us a 2,7 ms. Si necessiteu amplades de pols fora d'aquest rang, aquests valors es poden ajustar com vulgueu.

El pont J1 pot estar obert per a les proves inicials. L'ordre per habilitar el circuit del carregador passa per aquest pont (lògica positiva, és a dir, 0V = carregador desactivat; VBAT = carregador habilitat).

La secció mitjana superior conté el circuit del carregador de condensadors. El límit de corrent de pic del transformador és de 10A, aquest corrent es configura amb la resistència de detecció de corrent R21 i no s’hauria d’augmentar o és possible que córrer el risc de saturar el nucli del transformador. El pic de 10A condueix a una mica més de 3A de corrent mitjà de la bateria, que està bé per a les bateries que he fet servir. Si voleu utilitzar altres bateries que no puguin proporcionar aquest corrent, haureu d'augmentar el valor de la resistència R21. (augmentar el valor de la resistència R21 per disminuir el corrent de pic del transformador i, en conseqüència, el corrent mitjà de la bateria)

La tensió de sortida del condensador principal es mesura amb un comparador. Activa el LED2 quan el voltatge és superior a uns 500 V i desactiva el carregador quan el voltatge és superior a 550 V en un cas de sobretensió (que en realitat no hauria de passar mai).

MAI ENCENDEU EL CARREGADOR SENSE EL CAPACITADOR PRINCIPAL CONNECTAT AL CIRCUIT. Això pot danyar la IC del carregador.

L'últim circuit és el circuit pont que descarrega el condensador a través de dos IGBT a la càrrega / la bobina.

Pas 4: inspecció de PCB

Primer inspeccioneu el PCB si hi ha res inusual. Realment venen inspeccionats i provats elèctricament pel fabricant, però sempre és una bona idea revisar-los abans de muntar-los. Mai no vaig tenir cap problema, és només un hàbit.

Podeu descarregar els fitxers Gerber aquí:

pengeu-los a un fabricant de PCB com OSHPARK. COM o JLCPCB. COM o qualsevol altre.

Pas 5: Muntatge

Descarregueu el fitxer BOM d'Excel i els dos fitxers pdf per a la ubicació dels components

Primer, munteu el PCB més petit que conté el gran condensador electrolític. Presteu atenció a la polaritat adequada.

Les capçaleres de 90 graus que connectaran aquest PCB amb el PCB principal es poden muntar a la part superior o inferior segons el vostre conjunt mecànic.

Encara no soldeu les capçaleres al PCB principal, ja que són difícils de treure. Connecteu dos cables curts més gruixuts que AWG20 entre els dos PCB.

Al PCB principal, munteu primer el CI del carregador, que és la part més difícil si no esteu acostumat. A continuació, munteu els components més petits. Primer instal·larem tots els condensadors i resistències. El mètode més senzill és posar una mica de soldadura en un coixinet i, a continuació, soldar el component amb l'ajut de les pinces d'aquest coixinet. No importa com es vegi la junta de soldadura en aquest punt, només serveix per fixar-la al seu lloc.

A continuació, soldeu l'altre coixinet. Ara utilitzeu flux líquid o un bolígraf de flux a les juntes de soldadura no tan boniques i torneu a fer la junta. Utilitzeu els exemples del vídeo com a referència sobre l'aspecte d'una junta de soldadura acceptable.

Ara passeu a les CI. Fixeu un terminal al PCB mitjançant el mètode esmentat anteriorment. Després, soldeu també tots els altres passadors.

A continuació, instal·larem els components més grans, com ara condensadors electrolítics i de pel·lícules, trimpot, LEDs, Mosfets, díodes, IGBT i el transformador del circuit del carregador.

Comproveu de nou totes les juntes de soldadura, assegureu-vos que cap component està trencat o esquerdat, etc.

Pas 6: posada en marxa

Precaució: no superi la tensió d'entrada de 8V

Si teniu un oscil·loscopi:

Connecteu un polsador (normalment obert) a les entrades SW1 i SW2.

Verifiqueu que el pont J1 estigui obert. Connecteu idealment una font d’alimentació regulable a l’entrada de la bateria. Si no disposeu d’una font d’alimentació regulable a la taula, haureu d’anar directament amb les bateries. El LED 1 hauria de parpellejar tan aviat com el voltatge d'entrada sigui superior a uns 5,6 V. El circuit de baixa tensió té una gran histèresi, és a dir, per encendre el circuit inicialment, la tensió ha de ser superior a 5,6 V, però només s'apagarà el circuit quan la tensió d'entrada baixi d'uns 4,9 V. Per a les bateries que s’utilitzen en aquest exemple, aquesta és una característica irrellevant però pot ser útil si es treballa amb bateries que tenen una resistència interna més alta i / o que estan parcialment descarregades.

Mesureu la tensió principal del condensador d'alta tensió amb un multímetre adequat; hauria de romandre 0V perquè se suposa que el carregador està desactivat.

Amb l’oscil·loscopi, mesureu l’amplada del pols al pin 3 de U10 en prémer el botó. Ha de ser ajustable amb el trimpot R36 i pot variar entre 0,5 ms i 2,7 ms. Hi ha un retard d’uns 5 segons abans que es pugui reiniciar el pols després de prémer cada botó.

Aneu al pas … prova de tensió completa

si no teniu un oscil·loscopi:

Feu els mateixos passos que els anteriors, però ometeu la mesura de l'amplada del pols, no hi ha res a mesurar amb un multímetre.

Aneu a … prova de tensió completa

Pas 7: prova de tensió completa

Traieu la tensió d'entrada.

Tanca el Jumper J1.

Comproveu la polaritat correcta del condensador d'alta tensió.

Connecteu un multímetre nominal per a la tensió esperada (> 525V) als borns del condensador d’alta tensió.

Connecteu una bobina de prova als terminals de sortida Coil1 i Coil2. La bobina d’inductància / resistència més baixa que vaig utilitzar amb aquest circuit va ser AWG20 500uH / 0,5 Ohm. Al vídeo he utilitzat 1mH 1R.

Assegureu-vos que no hi hagi materials ferromagnètics prop o dins de la bobina.

Porteu ulleres de seguretat

Apliqueu tensió de la bateria als terminals d’entrada.

El carregador s'hauria d'engegar i el voltatge continu del condensador hauria d'augmentar ràpidament.

S’hauria d’estabilitzar a uns 520V. Si supera els 550 V i continua augmentant, apagueu el voltatge d'entrada immediatament, ja que hi hauria un problema amb la part de retroalimentació del CI del carregador. En aquest cas, haureu de tornar a comprovar totes les juntes de soldadura i instal·lar correctament tots els components.

Ara s’hauria d’encendre el LED2 que indica que el condensador principal està completament carregat.

Premeu el botó de disparador, el voltatge hauria de caure uns quants centenars de volts, el valor exacte dependrà de l'amplada del pols ajustada.

Apagueu la tensió d'entrada.

Abans de manipular els PCB, cal descarregar el condensador

Això es pot fer esperant fins que el voltatge caigui a un valor segur (triga molt de temps) o bé descarregant-lo amb una resistència de potència. Diverses bombetes incandescents de la sèrie també faran la feina, el nombre de bombetes necessàries dependrà de la seva tensió nominal, de dos a tres per a làmpades de 220V, de quatre a cinc per a làmpades de 120V

Traieu els cables de la placa del condensador. Per completar el mòdul, el condensador ara (o posterior) es pot soldar directament a la placa principal en funció del procés de muntatge mecànic. El mòdul de condensador és difícil d’eliminar del PCB principal, planifiqueu-ho en conseqüència.

Pas 8: mecànic

Consideracions de muntatge mecànic

El PCB principal té 6 retalls per muntar-lo en un suport. Hi ha rastres de coure més o menys a prop d’aquests rastres. En muntar el PCB, s’ha de procurar no reduir aquestes petjades al cargol. Per tant, cal utilitzar espaiadors de plàstic i rentadores de plàstic. He utilitzat una peça de ferralla, un perfil en U d’alumini com a carcassa. Si utilitzeu un suport metàl·lic, s’hauria de connectar a terra, és a dir, connectar-lo amb un cable al pol menys de la bateria. Les parts accessibles (parts que es poden tocar) són l’interruptor de gallet i la bateria, el nivell de tensió és a prop de terra. Si algun node d’alta tensió entraria en contacte amb la carcassa metàl·lica, quedaria curt a terra i l’usuari estaria segur. Depenent del pes de la carcassa i de la bobina, tota la unitat pot ser força pesada, de manera que l’adherència s’ha d’instal·lar en conseqüència.

La carcassa també es pot fer molt més agradable, imprimir en 3D, pintar-se, etc.

Pas 9: la teoria

El principi de funcionament és molt senzill.

Els dos IGBT s’activen al mateix temps durant un període de temps que dura uns quants centenars d’euros fins a un parell de ms en funció de la configuració / ajust de l’oscil·lador monoestable U10. El corrent comença a acumular-se a través de la bobina. El corrent correspon a la intensitat del camp magnètic i la intensitat del camp magnètic a la força que s’exerceix sobre el projectil a l’interior de la bobina. El projectil comença a moure’s lentament i just abans que el seu centre arribi a la meitat de la bobina, els IGBT estan apagats. El corrent a l'interior de la bobina no para instantàniament, però ara flueix a través dels díodes i torna al condensador principal durant algun temps. Tot i que el corrent decau, encara hi ha un camp magnètic a l'interior de la bobina, de manera que hauria de caure a prop de zero abans que la meitat del projectil arribi a la meitat de la bobina, en cas contrari s'exerciria una força de trencament sobre ella. El resultat del món real correspon a la simulació. El corrent final abans d’apagar l’impuls és de 367A (sonda de corrent 1000A / 4V)

Pas 10: construcció de bobines

La velocitat de 36 m / s es va obtenir amb la següent bobina: 500 uH, AWG20, 0,5 R, 22 mm de longitud, 8 mm de diàmetre interior. Utilitzeu un tub que tingui el menor espai possible entre la paret interior i el projectil i que permeti el moviment lliure del projectil. També hauria de tenir les parets més primes possibles i alhora ser molt rígid. Vaig utilitzar un tub d’acer inoxidable i no es van notar efectes perjudicials. Si utilitzeu un tub elèctricament conductor, assegureu-vos d’aïllar-lo amb una cinta adequada (he utilitzat cinta Kapton) abans de bobinar-lo. És possible que hàgiu de muntar temporalment peces finals addicionals durant el bobinat, ja que durant el procés de bobinatge es desenvolupen forces laterals considerables. A continuació, recomanaria fixar / protegir els bobinats amb epoxi. Això ajudarà a evitar que els bobinatges es facin malbé durant la manipulació / muntatge de la bobina. Tot el conjunt de la bobina s'ha de fer de manera que els bobinats no es puguin moure. També necessiteu algun tipus de suport per muntar-lo a la carcassa principal.

Pas 11: possibles modificacions i limitacions del circuit

El condensador carregat a 522V conté 136 Joules. L'eficiència d'aquest circuit és força baixa, com passa amb la majoria de dissenys simples d'una etapa que acceleren els projectils ferromagnètics. La tensió màxima està limitada per la tensió màxima admissible del condensador de 550VDC i la classificació VCE màxima dels IGBT. Altres geometries de bobines i valors més baixos d’inductància / resistència poden conduir a velocitats / eficiències més altes. Tanmateix, el màxim màxim especificat per a aquest IGBT és de 600A. Hi ha altres IGBT de la mateixa mida que podrien suportar corrents de pujada més elevades. En qualsevol cas, si teniu previst augmentar la capacitat o la mida IGBT, assegureu-vos de tenir en compte els problemes principals següents: Respecteu el corrent màxim especificat al full de dades IGBT. No recomano augmentar el voltatge del carregador, cal tenir en compte massa variables. Augmentar la capacitat i utilitzar amplades de pols més grans per a bobines més grans també augmentaran la dissipació de potència dels IGBT. Per tant, poden necessitar un dissipador de calor. Recomano simular un circuit modificat primer a SPICE / Multisim o un altre programari de simulació per determinar quin serà el corrent màxim.

Bona sort!

Pas 12: la pistola de bobina en acció

Simplement divertir-se disparant coses a l'atzar …