Coilgun SGP33 - Full monterings- og testinstruksjoner: 12 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Denne opplæringen beskriver hvordan du monterer elektronikken til spolepistolen vist i denne videoen:

SGP-33 forsamling Youtube

Det er også en video der du ser den i aksjon på den siste siden i denne opplæringen. Her er lenken.

Kretskortene for denne demoen ble gitt av JLCPCB. COM

Målet var å bygge en etrins spolepistol som er lett, har god ytelse og bruker vanlige deler til en rimelig pris.

Funksjoner:

- Enkelt etappe, enkelt skudd

- Justerbar pulsbredde for spoleaktivering

- IGBT-drevet spole

- Enkel 1000uF/550V kondensator

- Høyeste hastighet oppnådd 36m/s, vil i stor grad avhenge av spole- og prosjektilegenskaper og geometri

- Innledende ladetid på omtrent 8 sekunder, ladetiden avhenger av utladningstiden, i videoeksemplet er det 5 sekunder

Total kostnad for elektroniske deler er bare $ 140 US, eksklusiv kobbertråd/ fat for spolen.

I denne opplæringen vil jeg bare beskrive hvordan du monterer kretskortet.

Jeg vil også gi all annen informasjon for å få mest mulig ut av denne kretsen uten å sprenge den.

Jeg vil ikke gi en detaljert beskrivelse av den mekaniske monteringen, da jeg tror den kan forbedres / modifiseres. Du må bruke fantasien din for den delen.

Trinn 1: Advarsel

FORSIKTIGHET:

Sørg for at du leser og forstår denne delen!

Kretsen lader en kondensator til omtrent 525V. Hvis du berører terminalene til en slik kondensator med bare hender, kan du alvorlig skade deg selv. Også (dette er mindre farlig, men bør likevel nevnes), den høye strømmen de kan gi kan skape gnister og kan fordampe tynne ledninger. Bruk derfor alltid øyebeskyttelse!

Vernebriller er et must

Kondensatoren beholder ladningen selv etter at hovedbryteren er slått av. Den må tømmes FØR man arbeider på kretsen !!!

For det andre vil vi bruke energien i kondensatoren og omdanne den til kinetisk energi til et prosjektil. Selv om hastigheten til dette prosjektilet er lav, kan det fortsatt skade deg (eller noen andre), bruk derfor de samme sikkerhetsreglene som når du arbeider med elektroverktøy eller gjør noe annet mekanisk arbeid.

Så ALDRI peke dette mot en person når det er lastet og ladet, bruk sunn fornuft.

Trinn 2: Verktøy og krav til arbeidsplassen

Behov for ferdigheter:

Hvis du er helt ny innen elektronikk, er dette prosjektet ikke noe for deg. Følgende ferdigheter er nødvendige:

- Kan lodde overflatemonterte enheter inkludert IC, kondensatorer og motstander

- Kan bruke et multimeter

Nødvendige verktøy (minimum):

- Fin spiss / stort spissloddejern

- Loddetråd

- Liquid Flux eller flux pen

- Desoldering flette

- Forstørrelsesglass for å inspisere loddeskjøter eller et mikroskop

- Fin pinsett

- Multimeter for å måle DC-link-spenningen (525VDC)

Anbefalte verktøy (valgfritt)

- Justerbar strømforsyning

- Oscilloskop

- Varmluftsoldingsstasjon

Utarbeidelse av arbeidsplassen og generelle anbefalinger for arbeid:

- Bruk et rent bord, helst ikke plast (for å unngå problemer med statisk ladning)

- Ikke bruk klær som lett skaper / akkumulerer ladning, (det er den som skaper gnister når du fjerner den)

- Siden nesten ingen har en ESD -trygg arbeidsplass hjemme, anbefaler jeg å gjøre monteringen i ett trinn, dvs. ikke bære rundt fornuftige komponenter (alle halvledere når du tar dem ut av emballasjen). Legg alle komponentene på bordet, og start deretter.

- Noen komponenter er ganske små, som motstander og kondensatorer i 0603 -pakker, de kan lett gå tapt, bare ta ut en om gangen fra emballasjen

- Laderen IC i en TSSOP20 -pakke er den vanskeligste delen som skal loddes, den har en avstand på 0,65 mm (avstand mellom pinner) som fortsatt er langt fra å være den minste bransjestandarden, men det kan være vanskelig for noen mindre erfarne. Hvis du ikke er sikker, vil jeg anbefale deg å trene lodding først på noe annet i stedet for å skrote PCB -en

Igjen er hele PCB -monteringsprosessen vist i videoen som er nevnt på første side i denne opplæringen

Trinn 3: Diagram

I denne delen vil jeg gi en oversikt over kretsen. Les den nøye, dette vil hjelpe deg med å unngå skader på brettet du nettopp har satt sammen.

Til venstre vil batteriet være tilkoblet. Sørg for at den er lavere enn 8V under alle forhold, ellers kan laderkretsen bli skadet!

Batteriene jeg brukte er 3,7V, men vil ha en spenning høyere enn 4V når de er under veldig lav belastning, og de vil derfor gi laderen en spenning høyere enn 8V før den starter. Uten å ta noen risiko, er det to schottky -dioder i serie med batteriet for å senke spenningen til under 8V. De fungerer også som en beskyttelse mot inverterte batterier. Bruk også en sikring på 3 til 5A i serie, dette kan være en lavspenningssikring som den som brukes i biler. For å unngå å tappe batteriet når pistolen ikke er i bruk, anbefaler jeg å koble til en hovedbryter.

Batterispenningen på PCB -inngangsterminalene bør alltid være mellom 5V og 8V for at kretsen skal fungere skikkelig.

Kontrolldelen inneholder en underspenningsbeskyttelse og 3 timer kretser. Timer IC U11 med LED1 blinker indikerer at kommandoen for å slå på laderkretsen er aktiv. Timer IC U10 bestemmer utgangspulsbredden. Pulsbredden kan justeres med potensiometer R36. Med R8- og C4/C6 -verdier i henhold til BOM er området: 510us til 2,7 ms. Hvis du trenger pulsbredder utenfor dette området, kan disse verdiene justeres som du ønsker.

Jumper J1 kan være åpen for første testing. Kommandoen for å aktivere laderkretsen går gjennom den jumperen (positiv logikk, dvs. 0V = lader deaktivert; VBAT = lader aktivert).

Den øvre midtre delen inneholder kondensatorladerkretsen. Transformatorens toppstrømgrense er 10A, denne strømmen er konfigurert med gjeldende sensormotstand R21 og bør ikke økes, eller du kan risikere å mette transformatorkjernen. 10A topp fører til litt over 3A gjennomsnittlig strøm fra batteriet som er ok for batteriene jeg brukte. Hvis du ønsker å bruke andre batterier som ikke kan levere den strømmen, må du øke verdien til motstand R21. (øk verdien av motstanden R21 for å redusere transformatorens toppstrøm og følgelig gjennomsnittlig strøm fra batteriet)

Hovedkondensatorens utgangsspenning måles med en komparator. Den aktiverer LED2 når spenningen er over ca 500V og deaktiverer laderen når spenningen er over 550V i en overspenning (som faktisk aldri skulle skje).

SLÅ ALDRI OPP laderen UTEN Hovedkapasitatoren er koblet til kretsen. Dette kan skade IC -laderen.

Den siste kretsen er brokretsen som tømmer kondensatoren gjennom to IGBT -er inn i lasten / spolen.

Trinn 4: PCB -inspeksjon

Inspiser først kretskortet for noe uvanlig. De kommer faktisk inspisert og elektrisk testet fra produsenten, men det er alltid en god idé å dobbeltsjekke før du monterer. Jeg har aldri hatt noen problemer, det er bare en vane.

Du kan laste ned Gerber -filene her:

last dem opp til en PCB -produsent som OSHPARK. COM eller JLCPCB. COM eller andre.

Trinn 5: Montering

Last ned Excel BOM -filen og de to pdf -filene for komponentplassering

Monter først det mindre kretskortet som inneholder den store elektrolytiske kondensatoren. Vær oppmerksom på riktig polaritet!

De 90 graders topptekstene som skal koble denne kretskortet til hovedkortet, kan monteres på oversiden eller undersiden avhengig av den mekaniske enheten.

Ikke lodd toppene i hovedkortet, de er vanskelige å fjerne. Koble to korte ledninger tykkere enn AWG20 mellom de to kretskortene.

På hovedkortet monteres først laderen IC som er den vanskeligste delen hvis du ikke er vant til det. Monter deretter de mindre komponentene. Vi skal først installere alle kondensatorer og motstander. Den enkleste metoden er å legge litt loddetinn på en pute, og lodde deretter komponenten ved hjelp av pinsetten på denne puten først. Det spiller ingen rolle hvordan loddeskjøtet ser ut på dette punktet, dette tjener bare til å fikse det på plass.

Deretter loddes den andre puten. Bruk nå flytende fluss eller en flusspenn på de ikke så flotte loddeskjøtene, og gjør leddet på nytt. Bruk eksemplene i videoen som en referanse til hvordan en akseptabel loddetinn ser ut.

Gå nå videre til IC -ene. Fest en terminal på kretskortet ved hjelp av ovennevnte metode. Deretter loddes alle de andre pinnene også.

Deretter vil vi installere de større komponentene som elektrolytiske og filmkondensatorer, trimpot, lysdioder, Mosfets, dioder, IGBT -er og transformatoren til laderkretsen.

Dobbeltsjekk alle loddeskjøter, kontroller at ingen komponenter er ødelagt eller sprukket osv.

Trinn 6: Oppstart

Forsiktig: Ikke overstig 8V inngangsspenning

Hvis du har et oscilloskop:

Koble en trykknapp (normalt åpen) til inngangene SW1 og SW2.

Kontroller at jumper J1 er åpen. Ideelt sett kobler du en justerbar strømforsyning på benken til batteriinngangen. Hvis du ikke har en justerbar strømforsyning på bordet, må du gå direkte med batterier. LED 1 skal blinke så snart inngangsspenningen er høyere enn omtrent 5,6V. Underspenningskretsen har en stor hysterese, dvs. for å slå kretsen i utgangspunktet må spenningen være høyere enn 5,6V, men den vil bare slå av kretsen når inngangsspenningen faller under omtrent 4,9V. For batteriene som brukes i dette eksemplet er dette en irrelevant funksjon, men kan være nyttig hvis du arbeider med batterier som har høyere intern motstand og/eller er delvis utladet.

Mål hovedspenningens kondensatorspenning med et passende multimeter, den bør forbli 0V fordi laderen skal deaktiveres.

Med oscilloskopet måler du pulsbredden ved pinne 3 på U10 når du trykker på trykknappen. Den bør være justerbar med trimpot R36 og variere mellom ca. 0,5 ms og 2,7 ms. Det er en forsinkelse på omtrent 5 sekunder før pulsen kan startes på nytt etter hvert knappetrykk.

Gå til trinn … full spenningstest

hvis du ikke har et oscilloskop:

Gjør de samme trinnene som ovenfor, men hopp over pulsbreddemålingen, det er ingenting å måle med et multimeter.

Gå til … full spenningstest

Trinn 7: Fullspenningstest

Fjern inngangsspenningen.

Lukk Jumper J1.

Dobbeltsjekk riktig polaritet til høyspenningskondensatoren!

Koble et multimeter beregnet for forventet spenning (> 525V) til høyspenningskondensatorterminalene.

Koble en testspole til utgangsterminalene Coil1 og Coil2. Den laveste induktans/motstandsspolen jeg brukte med denne kretsen var AWG20 500uH/0,5 Ohm. I videoen brukte jeg 1mH 1R.

Sørg for at det ikke er ferromagnetiske materialer i nærheten av eller inne i spolen.

Bruk vernebriller

Koble batterispenningen til inngangsterminalene.

Laderen skal starte opp og likestrømsspenningen på kondensatoren skal raskt stige.

Den skal stabilisere seg på omtrent 520V. Hvis den overstiger 550V og fortsatt går opp, må du slå av inngangsspenningen umiddelbart, noe ville være galt med tilbakemeldingsdelen av laderen IC. I dette tilfellet må du sjekke alle loddeskjøter på nytt og riktig installasjon av alle komponenter.

LED2 skal nå lyse for å indikere at hovedkondensatoren er fulladet.

Trykk på utløserknappen, spenningen skal falle noen hundre volt, den eksakte verdien vil avhenge av den justerte pulsbredden.

Slå av inngangsspenningen.

Før håndtering av PCB -er må kondensatoren tømmes

Dette kan enten gjøres ved å vente til spenningen synker til en sikker verdi (tar lang tid) eller ved å lade den ut med en effektmotstand. Flere glødelamper i serie vil også gjøre jobben. Antall lyspærer som trengs vil avhenge av spenningsvurderingen, to til tre for 220V lamper, fire til fem for 120V lamper

Fjern ledningene fra kondensatorens kretskort. For å fullføre modulen kan kondensatoren nå (eller senere) loddes direkte til hovedkortet, avhengig av den mekaniske monteringsprosessen. Kondensatormodulen er vanskelig å fjerne fra hovedkortet, planlegg deretter.

Trinn 8: Mekanisk

Hensyn ved mekanisk montering

Hovedkortet har 6 utsnitt for å montere det på en støtte. Det er kobberspor mer eller mindre i nærheten av disse sporene. Ved montering av kretskort må man passe på at disse sporene ikke skrus til skruen. Derfor må avstandsstykker og plastskiver brukes. Jeg brukte et metallskrap, en U-profil av aluminium som huset. Hvis du bruker en metallisk støtte, bør den jordes, dvs. kobles med en ledning til batteriets minuspol. Tilgjengelige deler (deler som kan berøres) er triggerbryteren og batteriet, spenningsnivået er nær bakken. Hvis noen høyspenningsknuter ville komme i kontakt med metallhuset, ville det bli kortsluttet til bakken og brukeren er trygg. Avhengig av vekten på huset og spolen kan hele enheten være ganske tung foran, så grepet må installeres deretter.

Huset kan også gjøres mye hyggeligere, 3D -trykt, malt osv. Det er opp til deg.

Trinn 9: Teorien

Arbeidsprinsippet er veldig enkelt.

De to IGBT -ene aktiveres samtidig i en tidsperiode som varer noen hundre oss til et par ms avhengig av konfigurasjonen/justeringen av den monostabile oscillatoren U10. Strøm begynner deretter å bygge seg opp gjennom spolen. Strøm tilsvarer magnetfeltstyrke og magnetfeltstyrke til kraften som utøves på prosjektilet inne i spolen. Prosjektilet begynner å bevege seg sakte, og like før midten når midten av spolen slås IGBT -ene av. Strømmen inne i spolen opphører imidlertid ikke umiddelbart, men strømmer nå gjennom dioder og tilbake til hovedkondensatoren en stund. Selv om strømmen forfaller, er det fortsatt magnetfelt inne i spolen, så dette bør falle til nær null før midten av prosjektilet når midten av spolen, ellers ville det bli utøvd en bruddkraft på den. Det virkelige resultatet tilsvarer simuleringen. Sluttstrømmen før pulsen slås av er 367A (strømprobe 1000A/4V)

Trinn 10: Spolekonstruksjon

Hastigheten på 36m/s ble oppnådd med følgende spole: 500uH, AWG20, 0,5R, 22mm lengde, 8mm indre diameter. Bruk et rør som har det minste gapet mellom indre vegg og prosjektil og fremdeles tillater fri bevegelse av prosjektilet. Den bør også ha de tynneste veggene som er mulig, samtidig som den er veldig stiv. Jeg brukte et rør av rustfritt stål og det ble ikke lagt merke til noen skadelige effekter. Hvis du bruker et elektrisk ledende rør, må du isolere det med en passende tape (jeg brukte Kapton -tape) før du vikler det. Du må kanskje montere flere endestykker midlertidig mens du vikler, fordi det oppstår betydelige sidekrefter under viklingsprosessen. Jeg vil da anbefale å fikse/beskytte viklingene med epoxy. Dette vil bidra til å forhindre at viklingene blir skadet under håndtering/montering av spolen. Hele spolen skal gjøres på en måte som viklingene ikke kan bevege seg. Du trenger også en slags støtte for å montere den på hovedhuset.

Trinn 11: Mulige modifikasjoner og begrensninger av kretsen

Kondensatoren ladet til 522V inneholder 136 Joule. Effektiviteten til denne kretsen er ganske lav, som med de fleste enkle enkelttrinnsdesigner som akselererer ferromagnetiske prosjektiler. Maksimal spenning er begrenset av maksimal tillatt kondensatorspenning på 550VDC og maksimal VCE -vurdering for IGBT -ene. Andre spole geometrier og lavere induktans/motstandsverdier kan føre til høyere hastigheter/effektivitet. Den maksimale spesifiserte toppstrømmen for denne IGBT er 600A. Det er andre IGBT -er av samme størrelse som muligens støtter høyere overspenningsstrømmer. Uansett, hvis du vurderer å øke kapasitansen eller IGBT -størrelsen, må du vurdere følgende hovedproblemer: Respekter maksimal strøm som er angitt i IGBT -databladet. Jeg anbefaler ikke å øke laderspenningen, for mange variabler må vurderes. Økende kapasitans og bruk av lengre pulsbredder for større spoler vil også øke effekttapet til IGBT -ene. De kan derfor trenge en kjøleribbe. Jeg anbefaler å simulere en modifisert krets først i SPICE /Multisim eller annen simuleringsprogramvare for å bestemme hva toppstrømmen vil være.

Lykke til!

Trinn 12: Spolepistolen i bruk

Bare å ha det gøy å skyte på tilfeldige ting …