Coilgun SGP33 - Navodila za popolno montažo in preskus: 12 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Ta vadnica opisuje, kako sestaviti elektroniko tuljave, prikazano v tem videoposnetku:

SGP-33 montažni Youtube

Na zadnji strani te vadnice je tudi videoposnetek, v katerem ga vidite v akciji. Tukaj je povezava.

JLCPCB. COM je prijazno priskrbel tiskana vezja za to predstavitev

Cilj je bil zgraditi enostopenjsko tuljavno pištolo, ki je lahka, ima dobre zmogljivosti in uporablja splošno dostopne dele po razumni ceni.

Lastnosti:

- Enostopenjski, posamični posnetek

- Nastavljiva širina impulza za aktiviranje tuljave

- Tuljava, ki jo poganja IGBT

- Enojni kondenzator 1000uF/550V

- Najvišja hitrost, dosežena 36 m/s, bo močno odvisna od lastnosti tuljave in izstrelka ter geometrije

- Začetni čas polnjenja je približno 8 sekund, čas polnjenja je odvisen od časa praznjenja, v video primeru je to 5 sekund

Skupni stroški samo za elektronske dele so okoli 140 USD, brez bakrene žice/ cevi za tuljavo.

V tej vadnici bom opisal le, kako sestaviti tiskano vezje.

Zagotovil bom tudi vse druge informacije, da kar najbolje izkoristite to vezje, ne da bi ga razstrelili.

Podrobnega opisa mehanskega sklopa ne bom podajal, saj menim, da bi ga lahko izboljšali / spremenili. Za ta del boste morali uporabiti svojo domišljijo.

1. korak: Opozorilo

POZOR:

Preberite in razumejte ta razdelek!

Vezje napolni kondenzator na približno 525V. Če se z golimi rokami dotaknete priključkov takega kondenzatorja, se lahko resno poškodujete. Tudi (to je manj nevarno, vendar ga je vseeno treba omeniti) lahko velik tok, ki ga zagotovijo, povzroči iskre in lahko izhlapi tanke žice. Zato vedno nosite zaščito za oči!

Zaščitna očala so obvezna

Kondenzator ohrani naboj tudi po izklopu glavnega stikala. PRED delom na vezju ga je treba izprazniti !!!

Drugič, uporabili bomo energijo, ki jo vsebuje kondenzator, in jo pretvorili v kinetično energijo izstrelka. Čeprav je hitrost tega izstrelka majhna, bi lahko poškodoval vas (ali koga drugega), zato uporabljajte enaka varnostna pravila kot pri delu z električnim orodjem ali pri drugih mehanskih delih.

Zato tega NIKOLI ne usmerjajte na osebo, ko je naložena in napolnjena, ne uporabljajte zdrave pameti.

2. korak: Orodja in zahteve na delovnem mestu

Potrebne veščine:

Če ste popolnoma novi v elektroniki, potem ta projekt ni za vas. Potrebne so naslednje spretnosti:

- Sposobnost spajkanja naprav za površinsko montažo, vključno z IC, kondenzatorji in upori

- Lahko uporablja multimeter

Potrebna orodja (najmanj):

- Spajkalnik s fino konico / veliko konico

- Spajkalna žica

- tekoči fluks ali peresnik

- Odpajkanje pletenice

- Povečevalno steklo za pregled spajkalnih spojev ali mikroskop

- Fina pinceta

- Multimeter za merjenje napetosti enosmerne povezave (525VDC)

Priporočena orodja (neobvezno)

- Nastavljiv napajalnik

- Osciloskop

- postaja za razparavanje z vročim zrakom

Priprava delovnega mesta in splošna delovna priporočila:

- Uporabite čisto mizo, po možnosti ne plastično (da se izognete težavam s statičnim nabojem)

- Ne uporabljajte oblačil, ki zlahka ustvarjajo / kopičijo naboj (to je tisto, ki ustvarja iskre, ko ga odstranite)

- Ker doma skoraj nihče nima varnega delovnega mesta za ESD, priporočam, da montažo izvedete v enem koraku, to je, da ne nosite s seboj razumnih komponent (vsi polprevodniki, ko jih vzamete iz embalaže). Vse komponente položite na mizo in začnite.

- Nekatere komponente so precej majhne, na primer upori in kondenzatorji v paketih 0603, ki jih je mogoče zlahka izgubiti, vzemite jih samo enega naenkrat iz embalaže

- IC polnilnik v paketu TSSOP20 je najtežji del za spajkanje, ima 0,65 mm naklona (razdalja med zatiči), kar še zdaleč ni najmanjši industrijski standard, vendar bi to lahko bilo težko za nekoga z manj izkušnjami. Če niste prepričani, vam priporočam, da najprej trenirate spajkanje na nečem drugem, namesto da razrežete tiskano vezje

Ponovno je celoten postopek montaže tiskanega vezja prikazan v videoposnetku, omenjenem na prvi strani te vadnice

3. korak: diagram

V tem razdelku bom dal pregled vezja. Pozorno preberite, s tem se boste izognili poškodbam plošče, ki ste jo pravkar sestavili.

Na levi bo priključena baterija. Prepričajte se, da je pod vsemi pogoji nižji od 8 V, sicer se lahko poškoduje polnilni tokokrog!

Baterije, ki sem jih uporabil, so 3,7 V, vendar bodo pri zelo majhni obremenitvi imele napetost višjo od 4 V, zato bi polnilniku dale napetost večjo od 8 V, preden se zažene. Če ne tvegate, obstajata dve šotki diodi, ki skupaj z baterijo znižata napetost pod 8 V. Služijo tudi kot zaščita pred obrnjenimi baterijami. Uporabite tudi varovalko od 3 do 5A zaporedoma, to je lahko nizkonapetostna varovalka, kakršna se uporablja v vozilih. Da se izognete praznjenju baterije, ko pištole ne uporabljate, priporočam, da priključite glavno stikalo za vklop.

Napetost akumulatorja na vhodnih sponkah tiskanega vezja mora biti ves čas med 5V in 8V, da vezje deluje pravilno.

Krmilni del vsebuje zaščito pred prenapetostjo in 3 časovna vezja. Časovnik IC U11 z utripajočo LED1 označuje, da je ukaz za vklop vezja polnilnika aktiven. Časovnik IC U10 določa širino izhodnega impulza. Širino impulza lahko nastavite s potenciometrom R36. Z vrednostmi R8 in C4/C6 po BOM je razpon: 510us do 2,7ms. Če potrebujete širine impulzov izven tega območja, lahko te vrednosti po želji prilagodite.

Jumper J1 je lahko odprt za začetno testiranje. Ukaz za omogočanje vezja polnilnika gre skozi ta mostiček (pozitivna logika, tj. 0V = polnilnik je onemogočen; VBAT = polnilnik je omogočen).

Zgornji srednji del vsebuje vezje polnilnika kondenzatorja. Mejna vrednost največjega toka transformatorja je 10A, ta tok je konfiguriran z uporom za zaznavanje toka R21 in ga ne smete povečati, sicer lahko tvegate nasičenje jedra transformatorja. Vrh 10A vodi do malo več kot 3A povprečnega toka iz baterije, kar je v redu za baterije, ki sem jih uporabljal. Če želite uporabiti druge baterije, ki ne morejo zagotoviti tega toka, boste morali povečati vrednost upora R21. (povečanje vrednosti upora R21 za zmanjšanje vršnega toka transformatorja in posledično povprečnega toka iz baterije)

Izhodna napetost glavnega kondenzatorja se meri s primerjalnikom. Aktivira LED2, ko je napetost nad približno 500V, in izklopi polnilnik, ko je napetost nad 550V v primeru prenapetosti (to se dejansko nikoli ne bi smelo zgoditi).

NIKOLI NE VKLOPITE POLNILNIKA BREZ GLAVNEGA KAPACITORJA, POVEZANEGA NA VEZJE. To lahko poškoduje IC polnilnika.

Zadnje vezje je mostno vezje, ki izprazni kondenzator skozi dva IGBT v breme / tuljavo.

4. korak: Pregled PCB

Najprej preglejte tiskano vezje za kaj nenavadnega. Prišli so dejansko pregledani in električno preizkušeni od proizvajalca, vendar je vedno dobro, da pred montažo še enkrat preverite. Nikoli nisem imel težav, to je samo navada.

Datoteke Gerber lahko prenesete tukaj:

naložite jih proizvajalcu PCB, kot je OSHPARK. COM ali JLCPCB. COM ali kateri koli drug.

5. korak: Montaža

Prenesite datoteko Excel BOM in dve datoteki pdf za lokacijo komponente

Najprej sestavite manjše tiskano vezje, ki drži velik elektrolitski kondenzator. Bodite pozorni na pravo polariteto!

90 -stopinjske glave, ki povezujejo to tiskano vezje z glavno tiskano vezje, se lahko namestijo na zgornjo ali spodnjo stran, odvisno od vašega mehanskega sklopa.

Glave še NE spajkajte v glavno tiskano vezje, težko jih je odstraniti. Povežite dve kratki žici, debelejši od AWG20, med dvema tiskanima vezjema.

Na glavnem tiskanem vezju najprej sestavite polnilnik IC, ki je najtežji del, če tega niste vajeni. Nato sestavite manjše komponente. Najprej bomo namestili vse kondenzatorje in upore. Najlažji način je, da na eno blazinico položite malo spajkanja, nato pa komponento najprej spajkate s pomočjo pincete. Ni pomembno, kako spajkalni spoj izgleda na tej točki, to služi samo za njegovo pritrditev.

Nato spajkajte drugo blazinico. Zdaj uporabite tekoči fluks ali peresnik na ne tako lepih spajkalnih spojih in spoj ponovno naredite. Uporabite primere v videoposnetku kot referenco o tem, kako izgleda sprejemljiv spajkalni spoj.

Zdaj pa pojdite na IC. Pritrdite en terminal na tiskano vezje z zgoraj omenjeno metodo. Nato spajkajte tudi vse ostale zatiče.

Nato bomo namestili večje komponente, kot so elektrolitski in filmski kondenzatorji, trimpot, LED, mosfeti, diode, IGBT in transformator vezja polnilnika.

Dvakrat preverite vse spajkalne spoje, se prepričajte, da nobena komponenta ni zlomljena ali razpokana itd.

6. korak: Zagon

Pozor: Ne prekoračite vhodne napetosti 8V

Če imate osciloskop:

Priključite gumb (običajno odprt) na vhode SW1 in SW2.

Preverite, ali je mostiček J1 odprt. V idealnem primeru priključite nastavljiv namizni napajalnik na vhod baterije. Če nimate nastavljivega namiznega napajalnika, boste morali uporabiti baterije. LED 1 naj utripa takoj, ko je vhodna napetost višja od približno 5,6 V. Podnapetostno vezje ima veliko histerezo, to pomeni, da mora biti napetost na začetku napetost višja od 5,6 V, vendar bo izklopila vezje šele, ko vhodna napetost pade pod približno 4,9 V. Za baterije, uporabljene v tem primeru, je to nepomembna lastnost, vendar je lahko koristno, če delate z baterijami, ki imajo večji notranji upor in/ali so delno izpraznjene.

Izmerite napetost glavnega visokonapetostnega kondenzatorja z ustreznim multimetrom, ta naj ostane 0V, ker naj bi bil polnilnik deaktiviran.

Z osciloskopom izmerite širino impulza na zatiču 3 U10, ko pritisnete gumb. Nastavljiv mora biti s trimpotom R36 in se giblje med približno 0,5 ms in 2,7 ms. Pred vsakim pritiskom na gumb je zakasnitev približno 5 sekund, preden se utrip lahko znova zažene.

Pojdite na korak … preskus polne napetosti

če nimate osciloskopa:

Naredite enake korake, kot je opisano zgoraj, vendar preskočite merjenje širine impulza, ničesar ne morete izmeriti z multimetrom.

Pojdite na … preskus polne napetosti

7. korak: Preskus polne napetosti

Odstranite vhodno napetost.

Zaprite mostiček J1.

Dvakrat preverite pravilno polariteto visokonapetostnega kondenzatorja!

Priključite multimeter za pričakovano napetost (> 525V) na sponke visokonapetostnega kondenzatorja.

Preskusno tuljavo priključite na izhodni sponki Coil1 in Coil2. Najnižja indukcijsko/uporna tuljava, ki sem jo uporabil pri tem vezju, je bila AWG20 500uH/0,5 Ohm. V videu sem uporabil 1mH 1R.

Prepričajte se, da blizu ali znotraj tuljave ni feromagnetnih materialov.

Nosite zaščitna očala

Na vhodne sponke priključite napetost akumulatorja.

Polnilnik se mora zagnati in enosmerna napetost na kondenzatorju naj bi hitro naraščala.

Moral bi se stabilizirati pri približno 520V. Če preseže 550 V in še vedno narašča, takoj izklopite vhodno napetost, nekaj bi bilo narobe z povratnim delom IC polnilnika. V tem primeru boste morali ponovno preveriti vse spajkalne spoje in pravilno namestiti vse komponente.

LED2 naj bi zdaj svetila, kar kaže, da je glavni kondenzator popolnoma napolnjen.

Pritisnite gumb za sprožitev, napetost bi morala pasti nekaj sto voltov, natančna vrednost bo odvisna od nastavljene širine impulza.

Izklopite vhodno napetost.

Pred rokovanjem s tiskanimi vezji je treba kondenzator izprazniti

To lahko storite tako, da počakate, da napetost pade na varno vrednost (traja dolgo), ali pa jo izpraznite z močnim uporom. To delo bo opravilo tudi več zaporednih žarnic z žarilno nitko, število potrebnih žarnic bo odvisno od njihove napetosti, dve do tri za svetilke 220V, štiri do pet za svetilke 120V

Odstranite žice s tiskanega vezja kondenzatorja. Za dokončanje modula je kondenzator zdaj (ali kasneje) mogoče spajkati neposredno na glavno ploščo, odvisno od postopka mehanske montaže. Kondenzatorski modul je težko odstraniti iz glavnega tiskanega vezja, ustrezno načrtujte.

8. korak: Mehanski

Upoštevanje mehanske montaže

Na glavnem tiskanem vezju je 6 izrezov za pritrditev na nosilec. Blizu teh sledi so bakrene sledi. Pri montaži tiskanega vezja je treba paziti, da sledov ne prekrijete do vijaka. Zato je treba uporabiti plastične distančnike in plastične podložke. Kot ohišje sem uporabil kos odpadne kovine, aluminijast U-profil. Če uporabljate kovinski nosilec, ga morate ozemljiti, tj. Z žico povezati z minus polom baterije. Dostopni deli (deli, ki se jih je mogoče dotakniti) so sprožilno stikalo in baterija, njihova napetost je blizu tal. Če bi katero koli visokonapetostno vozlišče prišlo v stik s kovinskim ohišjem, bi ga kratko ozemljil in uporabnik je na varnem. Odvisno od teže ohišja in tuljave je lahko celotna enota precej spredaj težka, zato je treba ustrezno namestiti oprijem.

Ohišje bi lahko bilo tudi lepše, 3D natisnjeno, pobarvano itd. To je odvisno od vas.

9. korak: Teorija

Načelo delovanja je zelo preprosto.

Dva IGBT -ja se hkrati aktivirata za časovno obdobje, ki traja od nekaj sto do nekaj ms, odvisno od konfiguracije/nastavitve monostabilnega oscilatorja U10. Tok se nato začne nabirati skozi tuljavo. Tok ustreza jakosti magnetnega polja in jakosti magnetnega polja sili, ki deluje na izstrelek znotraj tuljave. Izstrelek se začne počasi premikati in tik preden sredina doseže sredino tuljave, se IGBT izklopijo. Tok znotraj tuljave ne preneha takoj, ampak zdaj nekaj časa teče skozi diode in nazaj v glavni kondenzator. Medtem ko tok upada, je znotraj tuljave še vedno magnetno polje, zato bi se moralo to znižati na skoraj nič, preden sredina izstrelka doseže sredino tuljave, sicer bi nanjo delovala prelomna sila. Rezultat v realnem svetu ustreza simulaciji. Končni tok pred izklopom impulza je 367A (trenutna sonda 1000A/4V)

10. korak: Konstrukcija tuljave

Hitrost 36 m/s je bila dosežena z naslednjo tuljavo: 500uH, AWG20, 0,5R, dolžina 22 mm, notranji premer 8 mm. Uporabite cev, ki ima najmanjšo možno vrzel med notranjo steno in izstrelkom in še vedno omogoča prosto gibanje projektila. Prav tako mora imeti čim tanjše stene, hkrati pa biti zelo tog. Uporabil sem cev iz nerjavečega jekla in ni bilo opaziti škodljivih učinkov. Če uporabljate električno prevodno cev, jo pred navijanjem obvezno izolirajte z ustreznim trakom (uporabil sem Kapton trak). Med navijanjem boste morda morali začasno namestiti dodatne končne dele, ker se med postopkom navijanja razvijejo precejšnje stranske sile. Priporočam, da navitja pritrdite/zaščitite z epoksidom. To bo pomagalo preprečiti poškodbe navitij med rokovanjem/sestavljanjem tuljave. Celoten sklop tuljave je treba izvesti tako, da se navitja ne morejo premikati. Za namestitev na glavno ohišje potrebujete tudi nekakšno podporo.

11. korak: Možne spremembe in omejitve vezja

Kondenzator, napolnjen na 522V, vsebuje 136 džul. Učinkovitost tega vezja je precej nizka, tako kot pri večini preprostih enostopenjskih modelov, ki pospešujejo feromagnetne izstrelke. Največja napetost je omejena z največjo dovoljeno napetostjo kondenzatorja 550VDC in najvišjo oceno VCE IGBT. Druge geometrije tuljav in nižje vrednosti induktivnosti/upora lahko vodijo do večjih hitrosti/učinkovitosti. Največji določeni najvišji tok za ta IGBT pa je 600A. Obstajajo tudi drugi IGBT -ji enake velikosti, ki bi lahko podpirali višje prenapetostne tokove. V vsakem primeru, če nameravate povečati kapacitivnost ali velikost IGBT, upoštevajte naslednja glavna vprašanja: Upoštevajte največji tok, določen v podatkovnem listu IGBT. Ne priporočam povečanja napetosti polnilnika, upoštevati je treba preveč spremenljivk. Povečanje kapacitivnosti in uporaba daljših širin impulzov za večje tuljave bodo prav tako povečali odvajanje moči IGBT. Morda bodo zato potrebovali hladilnik. Priporočam, da najprej simulirate spremenjeno vezje v SPICE /Multisim ali drugi simulacijski programski opremi, da ugotovite, kakšen bo največji tok.

Vso srečo!

12. korak: Pištola s tuljavo v akciji

Samo zabavajte se pri snemanju naključnih stvari …