Coilgun SGP33 - Инструкции за пълно сглобяване и изпитване: 12 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

Този урок описва как да сглобите електрониката на бобината, показана в това видео:

SGP-33 монтаж Youtube

Има и видеоклип, в който го виждате в действие на последната страница на този урок. Ето линка.

ПХБ за тази демонстрация бяха любезно предоставени от JLCPCB. COM

Целта беше да се изгради едноетапен пистолет с намотка, който да е лек, да има добри показатели и да използва общодостъпни части на разумна цена.

Характеристика:

- Единичен етап, единичен кадър

- Регулируема ширина на импулса за активиране на намотката

- IGBT-задвижвана бобина

- Единичен кондензатор 1000uF/550V

- Най -високата скорост, получена 36m/s, ще зависи значително от свойствата и геометрията на бобината и снаряда

- Началното време за зареждане е около 8 секунди, времето за презареждане зависи от времето за разреждане, във видео примера е 5 секунди

Общите разходи само за електронни части са около 140 щатски долара, с изключение на медната жица/ цевта за бобината.

В този урок ще опиша само как да сглобявам печатната платка.

Ще предоставя и цялата друга информация, за да извлечете максимума от тази верига, без да я взривявате.

Няма да давам подробно описание на механичния монтаж, тъй като смятам, че може да бъде подобрен / модифициран. За тази част ще трябва да използвате въображението си.

Стъпка 1: Предупреждение

ВНИМАНИЕ:

Не забравяйте да прочетете и разберете този раздел!

Веригата зарежда кондензатор до около 525V. Ако докоснете клемите на такъв кондензатор с голи ръце, можете сериозно да се нараните. Също така (това е по -малко опасно, но въпреки това трябва да се спомене), високият ток, който могат да осигурят, може да създаде искри и да изпари тънки проводници. Затова винаги носете предпазни очила!

Защитните очила са задължителни

Кондензаторът запазва заряд дори след изключване на главния превключвател. Трябва да се разреди ПРЕДИ да се работи по веригата !!!

Второ, ще използваме енергията, съдържаща се в кондензатора, и ще я преобразуваме в кинетична енергия на снаряд. Въпреки че скоростта на този снаряд е ниска, той все още може да навреди на вас (или на някой друг), затова използвайте същите правила за безопасност, както при работа с електроинструменти или при всяка друга механична работа.

Затова НИКОГА не насочвайте това към човек, когато е зареден и зареден, използвайте здравия разум.

Стъпка 2: Инструменти и изисквания на работното място

Необходими умения:

Ако сте съвсем нов в електрониката, тогава този проект не е за вас. Необходими са следните умения:

- Възможност за запояване на устройства за повърхностен монтаж, включително интегрални схеми, кондензатори и резистори

- Възможност за използване на мултицет

Необходими инструменти (минимумът):

- Поялник с фин връх / голям накрайник

- Тел за запояване

- Течен флус или писалка

- Разпръскваща плитка

- Увеличително стъкло за проверка на спойките или микроскоп

- Фина пинсета

- Мултицет за измерване на напрежението на DC-връзка (525VDC)

Препоръчителни инструменти (по избор)

- Регулируемо захранване

- Осцилоскоп

- Станция за разпаяване на горещ въздух

Подготовка на работното място и общи работни препоръки:

- Използвайте чиста маса, за предпочитане не пластмасова (за да избегнете проблеми със статичното зареждане)

- Не използвайте дрехи, които лесно създават / натрупват заряд (това е, което създава искри, когато го премахнете)

- Тъй като почти никой няма безопасно работно място от ESD у дома, препоръчвам да направите монтажа в една стъпка, т.е.не носете разумни компоненти (всички полупроводници, след като ги извадите от опаковката). Поставете всички компоненти на масата и започнете.

- Някои компоненти са доста малки, като резистори и кондензатори в опаковки 0603, те могат лесно да се загубят, изваждайте само един по един от опаковката си

- IC зарядното устройство в пакет TSSOP20 е най -трудната част за запояване, има стъпка от 0,65 мм (разстояние между щифтовете), което все още е далеч от най -малкия стандарт в индустрията, но може да бъде трудно за някой с по -малко опит. Ако не сте сигурни, бих ви препоръчал първо да тренирате запояване на нещо друго, вместо да бракувате печатната си платка

Отново целият процес на сглобяване на печатни платки е показан във видеото, споменато на първата страница на този урок

Стъпка 3: Диаграма

В този раздел ще дам преглед на веригата. Прочетете го внимателно, това ще ви помогне да избегнете повреди на току -що сглобената платка.

Вляво батерията ще бъде свързана. Уверете се, че тя е по -ниска от 8V при всички условия или веригата на зарядното може да се повреди!

Батериите, които използвах, са 3.7V, но ще имат напрежение по -високо от 4V, когато са при много леко натоварване, следователно те биха дали напрежение по -високо от 8V на зарядното устройство преди да се стартира. Не поемайки никакви рискове, има два диода Шотки последователно с батерията, за да спаднат напрежението под 8V. Те служат и като защита срещу обърнати батерии. Използвайте също предпазител от 3 до 5А последователно, това може да е предпазител с ниско напрежение като тези, използвани в превозните средства. За да избегнете изтощаването на батерията, когато пистолетът не се използва, препоръчвам да свържете главен превключвател на захранването.

Напрежението на батерията на входните клеми на печатната платка трябва да бъде между 5V и 8V през цялото време, за да работи правилно веригата.

Контролната секция съдържа защита от пренапрежение и 3 таймерни вериги. Таймер IC U11 с мигащ LED1 показва, че командата за включване на веригата на зарядното устройство е активна. Таймер IC U10 определя ширината на изходния импулс. Ширината на импулса може да се регулира с потенциометър R36. Със стойностите на R8 и C4/C6 според спецификацията диапазонът е: 510us до 2.7ms. Ако се нуждаете от ширина на импулса извън този диапазон, тези стойности могат да се регулират, както желаете.

Jumper J1 може да бъде отворен за първоначално тестване. Командата за активиране на веригата на зарядното устройство преминава през този джъмпер (положителна логика, т.е. 0V = зарядно устройство е деактивирано; VBAT = зарядно устройство е разрешено).

Горната средна част съдържа веригата на зарядното устройство на кондензатора. Ограничението на пиковия ток на трансформатора е 10A, този ток е конфигуриран с резистора за ток R21 и не трябва да се увеличава или може да рискувате да наситите ядрото на трансформатора. 10A пик води до малко над 3A среден ток от батерията, което е добре за батериите, които използвах. Ако искате да използвате други батерии, които не могат да осигурят този ток, ще трябва да увеличите стойността на резистора R21. (увеличаване на стойността на резистор R21 за намаляване на пиковия ток на трансформатора и съответно среден ток от батерията)

Изходното напрежение на основния кондензатор се измерва с компаратор. Той активира LED2, когато напрежението е над 500V и деактивира зарядното устройство, когато напрежението е над 550V в случай на пренапрежение (това всъщност никога не трябва да се случва).

НИКОГА НЕ ЗАХРАНВАЙТЕ ЗАРЯДНОТО БЕЗ ГЛАВНИЯ КАНДИЦИТОР, СВЪРЗАН КЪМ ЕЛЕКТРИЧЕСКАТА СХЕМА. Това може да повреди IC зарядното устройство.

Последната верига е мостовата верига, която разрежда кондензатора през два IGBT в товара / намотката.

Стъпка 4: Проверка на печатни платки

Първо проверете платката за нещо необичайно. Те идват действително проверени и електрически тествани от производителя, но винаги е добра идея да проверите отново преди сглобяването. Никога не съм имал проблеми, това е просто навик.

Можете да изтеглите файловете Gerber тук:

качете ги на производител на печатни платки като OSHPARK. COM или JLCPCB. COM или друг.

Стъпка 5: Монтаж

Изтеглете Excel BOM файла и двата pdf файла за местоположение на компонента

Първо сглобете по -малката платка, която държи големия електролитен кондензатор. Обърнете внимание на правилната полярност!

90 -градусовите заглавки, които ще свързват тази печатна платка с основната печатна платка, могат да бъдат монтирани отгоре или отдолу в зависимост от механичния ви монтаж.

Все още НЕ запоявайте заглавките в основната платка, те се отстраняват трудно. Свържете два къси проводника по -дебели от AWG20 между двете печатни платки.

На основната платка сглобете първо зарядното IC, което е най -трудната част, ако не сте свикнали с него. След това сглобете по -малките компоненти. Първо ще инсталираме всички кондензатори и резистори. Най -лесният метод е да поставите малко спойка върху една подложка, след това да запоите компонента първо с помощта на пинсети върху тази подложка. Няма значение как изглежда спойката в този момент, това служи само за фиксиране на място.

След това запойте другата подложка. Сега използвайте течен флюс или писалка върху не толкова добре изглеждащите запоени съединения и направете отново фугата. Използвайте примерите във видеото като справка за това как изглежда приемливо съединение за запояване.

Сега преминете към интегралните схеми. Поправете един терминал на печатната платка, като използвате гореспоменатия метод. След това запойте и всички останали щифтове.

След това ще инсталираме по -големите компоненти като електролитни и филмови кондензатори, тримпот, светодиоди, Mosfets, диоди, IGBT и трансформатора на веригата на зарядното устройство.

Проверете два пъти всички споени съединения, уверете се, че компонентът не е счупен или напукан и т.н.

Стъпка 6: Стартиране

Внимание: Не превишавайте входното напрежение 8V

Ако имате осцилоскоп:

Свържете бутон (нормално отворен) към входовете SW1 и SW2.

Проверете дали джъмперът J1 е отворен. В идеалния случай свържете регулируемо настолно захранване към входа на батерията. Ако нямате регулируемо настолно захранване, ще трябва да отидете директно с батерии. LED 1 трябва да мига веднага щом входното напрежение е по -високо от около 5.6V. Веригата за по -ниско напрежение има голям хистерезис, т.е.за първоначалното включване на веригата напрежението трябва да бъде по -високо от 5.6V, но ще изключи веригата само когато входното напрежение падне под около 4.9V. За батериите, използвани в този пример, това не е от значение, но може да бъде полезно, ако работите с батерии с по -високо вътрешно съпротивление и/или частично разредени.

Измерете напрежението на основния кондензатор с високо напрежение с подходящ мултицет, то трябва да остане 0V, защото се предполага, че зарядното устройство е деактивирано.

С осцилоскопа измерете ширината на импулса на щифт 3 на U10 при натискане на бутона. Тя трябва да се регулира с трипот R36 и да варира между около 0,5 мс и 2,7 мс. Има забавяне от около 5 секунди преди импулсът да може да се рестартира след всяко натискане на бутон.

Отидете на стъпка … тест за пълно напрежение

ако нямате осцилоскоп:

Направете същите стъпки, както по -горе, но пропуснете измерването на ширината на импулса, няма какво да се измерва с мултицет.

Отидете на … тест за пълно напрежение

Стъпка 7: Тест за пълно напрежение

Премахнете входното напрежение.

Затворете джъмпера J1.

Проверете отново правилния поляритет на кондензатора за високо напрежение!

Свържете мултицет, номинален за очакваното напрежение (> 525V), към клемите на кондензатора за високо напрежение.

Свържете тестова намотка към изходните клеми Coil1 и Coil2. Най -ниската бобина за индуктивност/съпротивление, която използвах с тази верига, беше AWG20 500uH/0.5 Ohm. Във видеото използвах 1mH 1R.

Уверете се, че няма феромагнитни материали близо до или вътре в бобината.

Носете предпазни очила

Приложете напрежението на батерията към входните клеми.

Зарядното устройство трябва да стартира и постояннотоковото напрежение на кондензатора трябва бързо да се повиши.

Той трябва да се стабилизира при около 520V. Ако той надвишава 550V и продължава да се покачва, незабавно изключете входното напрежение, нещо ще се обърка с обратната връзка на зарядното устройство IC. В този случай ще трябва да проверите отново всички споени съединения и правилната инсталация на всички компоненти.

Сега LED2 трябва да свети, което показва, че основният кондензатор е напълно зареден.

Натиснете бутона за задействане, напрежението трябва да спадне няколко стотин волта, точната стойност ще зависи от коригираната ширина на импулса.

Изключете входното напрежение.

Преди да боравите с печатните платки, кондензаторът трябва да се разреди

Това може да стане или като изчакате, докато напрежението спадне до безопасна стойност (отнема много време), или като го разредите с резистор за захранване. Няколко серийни крушки с нажежаема жичка също ще свършат работа, броят на необходимите крушки ще зависи от тяхното напрежение, две до три за 220V лампи, четири до пет за 120V лампи

Извадете проводниците от кондензаторната платка. За да завършите модула, кондензаторът вече (или по -късно) може да бъде запоен директно към основната платка в зависимост от процеса на механично сглобяване. Кондензаторният модул е трудно да се премахне от основната платка, планирайте съответно.

Стъпка 8: Механична

Съображения за механичен монтаж

Основната печатна платка има 6 изреза, за да се монтира върху опора. Близо до тези следи има повече или по -малко медни следи. При монтажа на печатната платка трябва да се внимава тези следи да не се скъсят до винта. Затова трябва да се използват пластмасови дистанционни елементи и пластмасови шайби. Използвах парче скрап, алуминиев U-профил като корпус. Ако използвате метална опора, тя трябва да бъде заземена, т.е. свързана с проводник към минусовия полюс на батерията. Достъпните части (части, които могат да бъдат докоснати) са спусъка и батерията, тяхното ниво на напрежение е близо до земята. Ако някой възел с високо напрежение влезе в контакт с металния корпус, той ще бъде късо заземен и потребителят е в безопасност. В зависимост от теглото на корпуса и намотката, цялото устройство може да бъде доста тежко отпред, така че ръкохватката трябва да бъде монтирана съответно.

Корпусът също може да бъде направен много по -хубав, 3D отпечатан, боядисан и т.н., това зависи от вас.

Стъпка 9: Теория

Принципът на работа е много прост.

Двата IGBT се активират едновременно за период от време, продължаващ от няколко стотин до няколко ms в зависимост от конфигурацията/настройката на моностабилния осцилатор U10. След това токът започва да се натрупва през намотката. Токът съответства на силата на магнитното поле и силата на магнитното поле на силата, упражнявана върху снаряда вътре в бобината. Снарядът започва да се движи бавно и точно преди средата му да достигне средата на бобината, IGBT се изключват. Токът в намотката обаче не спира незабавно, но сега тече през диодите и обратно в основния кондензатор за известно време. Докато токът се разпада, все още има магнитно поле вътре в бобината, така че това трябва да падне почти до нула, преди средата на снаряда да достигне средата на бобината, в противен случай върху него би била приложена разрушителна сила. Резултатът от реалния свят съответства на симулацията. Крайният ток преди изключване на импулса е 367A (токова сонда 1000A/4V)

Стъпка 10: Конструкция на бобина

Скоростта от 36 m/s беше получена със следната намотка: 500uH, AWG20, 0.5R, 22 мм дължина, 8 мм вътрешен диаметър. Използвайте тръба, която има възможно най -малкото разстояние между вътрешната стена и снаряда и все пак позволява свободно движение на снаряда. Той също така трябва да има възможно най -тънките стени, като същевременно е много твърд. Използвах тръба от неръждаема стомана и не бяха забелязани вредни ефекти. Ако използвате електропроводима тръба, не забравяйте да я изолирате с подходяща лента (използвах Kapton лента), преди да я навиете. Може да се наложи временно да монтирате допълнителни крайни части по време на навиване, тъй като по време на процеса на навиване се развиват значителни странични сили. След това бих препоръчал да фиксирате/защитите намотките с епоксидна смола. Това ще помогне да се предотврати повреда на намотките при работа/сглобяване на бобината. Цялото сглобяване на намотката трябва да бъде направено така, че намотките да не могат да се движат. Нуждаете се и от някаква опора, за да я монтирате на основния корпус.

Стъпка 11: Възможни модификации и ограничения на веригата

Кондензаторът, зареден до 522V, съдържа 136 джаула. Ефективността на тази верига е доста ниска, както при повечето прости едностепенни конструкции, които ускоряват феромагнитните снаряди. Максималното напрежение е ограничено от максимално допустимото напрежение на кондензатора от 550VDC и максималния VCE рейтинг на IGBT. Други геометрии на бобините и по -ниски стойности на индуктивност/съпротивление могат да доведат до по -високи скорости/ефективност. Максималният определен пиков ток за този IGBT обаче е 600А. Има и други IGBT със същия размер, които биха могли да поддържат по -високи токове на пренапрежение. Във всеки случай, ако възнамерявате да увеличите капацитета или размера на IGBT, не забравяйте да вземете предвид следните основни въпроси: Уважавайте максималния ток, посочен в листа с данни за IGBT. Не препоръчвам увеличаване на напрежението на зарядното устройство, трябва да се вземат предвид твърде много променливи. Увеличаването на капацитета и използването на по -голяма ширина на импулса за по -големи намотки също ще увеличи разсейването на мощността на IGBT. Следователно може да се нуждаят от радиатор. Препоръчвам първо да симулирате модифицирана схема в SPICE /Multisim или друг симулационен софтуер, за да определите какъв ще бъде пиковият ток.

Късмет!

Стъпка 12: Пистолетът с бобина в действие

Просто се забавлявам да снимам на случаен принцип …