Coilgun SGP33 - Montagem Completa e Instruções de Teste: 12 Passos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Este tutorial descreve como montar a eletrônica da pistola de bobina mostrada neste vídeo:

SGP-33 montagem Youtube

Há também um vídeo onde você o vê em ação na última página deste tutorial. Aqui está o link.

Os PCBs para esta demonstração foram gentilmente fornecidos por JLCPCB. COM

O objetivo era construir uma pistola de bobina de estágio único que seja leve, tenha bom desempenho e use peças comumente disponíveis por um preço razoável.

Recursos:

- Estágio único, tiro único

- Largura de pulso de ativação da bobina ajustável

- Bobina acionada por IGBT

- Capacitor único 1000uF / 550V

- Maior velocidade obtida 36m / s, dependerá muito das propriedades e geometria da bobina e do projétil

- Tempo de carga inicial cerca de 8s, o tempo de recarga depende do tempo de descarga, no exemplo de vídeo é 5s

O custo total para peças eletrônicas é de apenas cerca de US $ 140, excluindo o fio de cobre / barril para a bobina.

Neste tutorial, descreverei apenas como montar o PCB.

Também fornecerei todas as outras informações para obter o máximo deste circuito sem explodi-lo.

Não vou dar uma descrição detalhada da montagem mecânica, pois acho que ela poderia ser melhorada / modificada. Você precisará usar sua imaginação para essa parte.

Etapa 1: Aviso

CUIDADO:

Certifique-se de ler e compreender esta seção!

O circuito carrega um capacitor a cerca de 525V. Se você tocar os terminais de um desses capacitores com as mãos desprotegidas, poderá se machucar seriamente. Além disso (isso é menos perigoso, mas deve ser mencionado), a alta corrente que eles podem fornecer pode criar faíscas e pode evaporar fios finos. Portanto, sempre use proteção para os olhos!

Óculos de segurança são obrigatórios

O capacitor retém a carga mesmo depois que o interruptor principal é desligado. Tem que ser descarregado ANTES de trabalhar no circuito !!!

Em segundo lugar, usaremos a energia contida no capacitor e a transformaremos em energia cinética de um projétil. Mesmo que a velocidade deste projétil seja baixa, ele ainda pode machucar você (ou outra pessoa), portanto, use as mesmas regras de segurança ao trabalhar com ferramentas elétricas ou fazer qualquer outro trabalho mecânico.

Portanto, NUNCA aponte isso para uma pessoa quando ela estiver carregada e carregada, use o bom senso.

Etapa 2: Ferramentas e Requisitos do Local de Trabalho

Habilidades necessárias:

Se você é completamente novo em eletrônica, então este projeto não é para você. As seguintes habilidades são necessárias:

- Capaz de soldar dispositivos de montagem em superfície, incluindo ICs, capacitores e resistores

- Capaz de usar um multímetro

Ferramentas necessárias (o mínimo):

- Ferro de solda de ponta fina / ponta grande

- Fio de solda

- Fluxo líquido ou caneta de fluxo

- Trança dessoldante

- Lupa para inspecionar juntas de solda ou um microscópio

- Pinças finas

- Multímetro para medir a tensão do link DC (525VDC)

Ferramentas recomendadas (opcional)

- Fonte de alimentação ajustável

- Osciloscópio

- Estação de dessoldagem de ar quente

Preparação do local de trabalho e recomendações gerais de trabalho:

- Use uma mesa limpa, de preferência não de plástico (para evitar problemas com carga estática)

- Não use roupas que facilmente criam / acumulam carga (é aquela que cria faíscas quando você a remove)

- Uma vez que quase ninguém tem um local de trabalho seguro ESD em casa, eu recomendo fazer a montagem em uma etapa, ou seja, não carregue componentes sensíveis (todos os semicondutores depois de retirados da embalagem). Coloque todos os componentes na mesa e comece.

- Alguns componentes são muito pequenos, como resistores e capacitores em embalagens 0603, eles podem se perder facilmente, apenas retire um de cada vez de suas embalagens

- O IC carregador em um pacote TSSOP20 é a parte mais difícil de ser soldada, tem um passo de 0,65 mm (distância entre os pinos) que ainda está longe de ser o menor padrão da indústria, mas pode ser difícil para alguém menos experiente. Se você não tiver certeza, eu recomendo que você treine a soldagem primeiro em outra coisa, em vez de descartar seu PCB

Novamente, todo o processo de montagem do PCB é mostrado no vídeo mencionado na primeira página deste tutorial

Etapa 3: Diagrama

Nesta seção, darei uma visão geral do circuito. Leia com atenção, pois isso o ajudará a evitar danos à placa que acabou de montar.

À esquerda, a bateria será conectada. Certifique-se de que é inferior a 8 V em todas as condições ou o circuito do carregador pode ser danificado!

As baterias que usei são 3,7 V, mas terão uma tensão superior a 4 V quando sob carga muito leve, portanto, dariam uma tensão superior a 8 V ao carregador antes de ligar. Sem correr nenhum risco, existem dois diodos schottky em série com a bateria para diminuir a tensão abaixo de 8V. Eles também servem como proteção contra baterias invertidas. Use também um fusível de 3 a 5A em série, pode ser um fusível de baixa tensão como os usados em veículos. Para evitar o esgotamento da bateria quando a arma não estiver em uso, recomendo conectar um interruptor de alimentação principal.

A tensão da bateria nos terminais de entrada do PCB deve estar entre 5 V e 8 V o tempo todo para que o circuito funcione corretamente.

A seção de controle contém uma proteção de subtensão e 3 circuitos de temporizador. Timer IC U11 com LED1 piscando indica que o comando para ligar o circuito do carregador está ativo. Timer IC U10 determina a largura do pulso de saída. A largura de pulso pode ser ajustada com o potenciômetro R36. Com os valores R8 e C4 / C6 de acordo com o BOM, o intervalo é: 510us a 2,7 ms. Se você precisar de larguras de pulso fora desta faixa, esses valores podem ser ajustados como desejar.

O jumper J1 pode ser aberto para o teste inicial. O comando para habilitar o circuito do carregador passa por esse jumper (lógica positiva, ou seja, 0V = carregador desabilitado; VBAT = carregador habilitado).

A seção intermediária superior contém o circuito do carregador do capacitor. O limite da corrente de pico do transformador é 10A, esta corrente é configurada com o resistor de detecção de corrente R21 e não deve ser aumentada ou você corre o risco de saturar o núcleo do transformador. O pico de 10A leva a um pouco mais de 3A de corrente média da bateria, o que é bom para as baterias que usei. Se você deseja usar outras baterias que não podem fornecer essa corrente, você precisará aumentar o valor do resistor R21. (aumente o valor do resistor R21 para diminuir a corrente de pico do transformador e, consequentemente, a corrente média da bateria)

A tensão de saída do capacitor principal é medida com um comparador. Ele ativa o LED2 quando a tensão está acima de 500 V e desativa o carregador quando a tensão está acima de 550 V em um evento de sobretensão (que na verdade nunca deveria acontecer).

NUNCA LIGUE O CARREGADOR SEM O CAPACITOR PRINCIPAL CONECTADO AO CIRCUITO. Isso pode danificar o IC do carregador.

O último circuito é o circuito em ponte que descarrega o capacitor por meio de dois IGBTs na carga / bobina.

Etapa 4: Inspeção de PCB

Primeiro, inspecione o PCB para verificar se há algo incomum. Eles vêm realmente inspecionados e testados eletricamente pelo fabricante, mas é sempre uma boa ideia verificar antes de montar. Nunca tive problemas, é apenas um hábito.

Você pode baixar os arquivos Gerber aqui:

carregue-os para um fabricante de PCB como OSHPARK. COM ou JLCPCB. COM ou qualquer outro.

Etapa 5: Montagem

Baixe o arquivo Excel BOM e os dois arquivos pdf para localização do componente

Primeiro, monte o PCB menor que contém o grande capacitor eletrolítico. Preste atenção na polaridade certa!

Os conectores de 90 graus que conectarão este PCB ao PCB principal podem ser montados na parte superior ou inferior, dependendo de sua montagem mecânica.

NÃO solde ainda os conectores no PCB principal, eles são difíceis de remover. Conecte dois fios curtos mais grossos do que AWG20 entre os dois PCBs.

No PCB principal, monte primeiro o IC do carregador, que é a parte mais difícil se você não estiver acostumado. Em seguida, monte os componentes menores. Vamos primeiro instalar todos os capacitores e resistores. O método mais fácil é colocar um pouco de solda em uma almofada e, em seguida, soldar o componente primeiro com a ajuda da pinça nesta almofada. Não importa como a junta de solda pareça neste ponto, isso serve apenas para fixá-la no lugar.

Em seguida, solde a outra almofada. Agora use o fluxo líquido ou uma caneta de fluxo nas juntas de solda não tão bonitas e refaça a junta. Use os exemplos no vídeo como uma referência sobre a aparência de uma junta de solda aceitável.

Agora vá para os ICs. Fixe um terminal no PCB usando o método mencionado acima. Em seguida, solde todos os outros pinos também.

Em seguida, instalaremos os componentes maiores, como capacitores eletrolíticos e de filme, trimpot, LEDs, Mosfets, diodos, IGBTs e o transformador do circuito do carregador.

Verifique todas as juntas de solda, certifique-se de que nenhum componente esteja quebrado ou rachado, etc.

Etapa 6: Inicialização

Cuidado: Não exceda a tensão de entrada de 8 V

Se você tiver um osciloscópio:

Conecte um botão (normalmente aberto) às entradas SW1 e SW2.

Verifique se o jumper J1 está aberto. O ideal é conectar uma fonte de alimentação de bancada ajustável à entrada da bateria. Se você não tiver uma fonte de alimentação de bancada ajustável, você terá que ir diretamente com as baterias. O LED 1 deve piscar assim que a tensão de entrada for superior a cerca de 5,6V. O circuito de subtensão tem uma grande histerese, ou seja, para ligar o circuito inicialmente, a tensão precisa ser superior a 5,6 V, mas só desligará o circuito quando a tensão de entrada cair abaixo de cerca de 4,9 V. Para as baterias usadas neste exemplo, este é um recurso irrelevante, mas pode ser útil se estiver trabalhando com baterias que têm maior resistência interna e / ou estão parcialmente descarregadas.

Meça a tensão do capacitor de alta tensão principal com um multímetro adequado, ele deve permanecer 0 V porque o carregador deve estar desativado.

Com o osciloscópio, meça a largura de pulso no pino 3 do U10 ao pressionar o botão. Deve ser ajustável com trimpot R36 e variar entre cerca de 0,5 ms e 2,7 ms. Há um atraso de cerca de 5s antes que o pulso possa ser reiniciado após cada pressionamento de botão.

Vá para a etapa … teste de tensão total

se você não tiver um osciloscópio:

Siga as mesmas etapas acima, mas ignore a medição da largura de pulso, não há nada a ser medido com um multímetro.

Vá para … teste de tensão total

Etapa 7: Teste de tensão total

Remova a tensão de entrada.

Feche o Jumper J1.

Verifique a polaridade correta do capacitor de alta tensão!

Conecte um multímetro classificado para a tensão esperada (> 525 V) aos terminais do capacitor de alta tensão.

Conecte uma bobina de teste aos terminais de saída Bobina1 e Bobina2. A bobina de indutância / resistência mais baixa que usei com este circuito foi AWG20 500uH / 0,5 Ohm. No vídeo usei 1mH 1R.

Certifique-se de que não haja materiais ferromagnéticos próximos ou dentro da bobina.

Use óculos de segurança

Aplique a tensão da bateria aos terminais de entrada.

O carregador deve iniciar e a tensão CC no capacitor deve aumentar rapidamente.

Ele deve se estabilizar em cerca de 520V. Se exceder 550 V e ainda aumentar, desligue a tensão de entrada imediatamente, algo pode estar errado com a parte de feedback do IC do carregador. Neste caso, você precisará verificar novamente todas as juntas de solda e a instalação correta de todos os componentes.

O LED2 agora deve estar aceso, indicando que o capacitor principal está totalmente carregado.

Pressione o botão de disparo, a tensão deve cair algumas centenas de volts, o valor exato dependerá da largura de pulso ajustada.

Desligue a tensão de entrada.

Antes de manusear os PCBs, o capacitor precisa ser descarregado

Isso pode ser feito esperando até que a tensão caia para um valor seguro (leva muito tempo) ou descarregando-a com um resistor de potência. Várias lâmpadas incandescentes em série também farão o trabalho, o número de lâmpadas necessárias dependerá de sua classificação de voltagem, duas a três para lâmpadas de 220V, quatro a cinco para lâmpadas de 120V

Remova os fios do PCB do capacitor. Para completar o módulo, o capacitor pode agora (ou mais tarde) ser soldado diretamente na placa principal dependendo do processo de montagem mecânica. O módulo do capacitor é difícil de remover do PCB principal, planeje adequadamente.

Etapa 8: Mecânica

Considerações de montagem mecânica

O PCB principal possui 6 recortes para serem montados em um suporte. Existem vestígios de cobre mais ou menos perto destes vestígios. Ao montar a placa de circuito impresso, deve-se tomar cuidado para não causar curto-circuito no parafuso. Portanto, espaçadores de plástico e arruelas de plástico precisam ser usados. Usei uma peça de sucata de metal, um perfil de alumínio em U como caixa. Se estiver usando um suporte metálico, ele deve ser aterrado, ou seja, conectado com um fio ao pólo negativo da bateria. As partes acessíveis (partes que podem ser tocadas) são o interruptor de gatilho e a bateria, seu nível de tensão é próximo ao aterramento. Se qualquer nó de alta tensão entrar em contato com o invólucro de metal, ele ficará em curto com o aterramento e o usuário estará seguro. Dependendo do peso do invólucro e da bobina, toda a unidade pode ser bastante pesada na frente, portanto, a alça deve ser instalada de acordo.

A caixa também pode ser feita de forma muito mais bonita, impressa em 3D, pintada, etc., você decide.

Etapa 9: a teoria

O princípio de funcionamento é muito simples.

Os dois IGBTs são ativados ao mesmo tempo por um período de algumas centenas de nós a alguns ms, dependendo da configuração / ajuste do oscilador monoestável U10. A corrente então começa a se acumular através da bobina. A corrente corresponde à intensidade do campo magnético e a intensidade do campo magnético à força exercida no projétil dentro da bobina. O projétil começa a se mover lentamente e pouco antes de seu meio atingir o meio da bobina, os IGBTs são desligados. A corrente dentro da bobina não cessa instantaneamente, mas agora flui através dos diodos e volta para o capacitor principal por algum tempo. Enquanto a corrente decai, ainda há campo magnético dentro da bobina, então ele deve cair para quase zero antes que o meio do projétil alcance o meio da bobina, caso contrário, uma força de ruptura seria exercida sobre ele. O resultado do mundo real corresponde à simulação. A corrente final antes de desligar o pulso é 367A (sonda de corrente 1000A / 4V)

Etapa 10: construção da bobina

A velocidade de 36m / s foi obtida com a seguinte bobina: 500uH, AWG20, 0,5R, comprimento de 22mm, diâmetro interno de 8mm. Use um tubo que tenha o menor espaço possível entre a parede interna e o projétil e ainda permita a movimentação livre do projétil. Ele também deve ter as paredes mais finas possíveis, embora seja muito rígido. Usei um tubo de aço inoxidável e nenhum efeito prejudicial foi observado. Se estiver usando um tubo eletricamente condutor, certifique-se de isolá-lo com uma fita apropriada (usei fita Kapton) antes de enrolá-lo. Pode ser necessário montar peças de extremidade adicionais temporariamente durante o enrolamento, porque forças laterais consideráveis se desenvolvem durante o processo de enrolamento. Eu recomendaria então consertar / proteger os enrolamentos com epóxi. Isso ajudará a evitar que os enrolamentos sejam danificados durante o manuseio / montagem da bobina. Toda a montagem da bobina deve ser feita de forma que os enrolamentos não possam se mover. Você também precisa de algum tipo de suporte para montá-lo na caixa principal.

Etapa 11: Possíveis modificações e limitações do circuito

O capacitor carregado com 522 V contém 136 Joules. A eficiência desse circuito é muito baixa, como acontece com a maioria dos projetos simples de estágio único que aceleram projéteis ferromagnéticos. A tensão máxima é limitada pela tensão máxima permitida do capacitor de 550 VCC e a classificação VCE máxima dos IGBTs. Outras geometrias de bobina e valores de indutância / resistência mais baixos podem levar a velocidades / eficiências mais altas. No entanto, a corrente de pico máxima especificada para este IGBT é 600A. Existem outros IGBTs do mesmo tamanho que podem suportar correntes de surto mais altas. Em qualquer caso, se você pretende aumentar a capacitância ou o tamanho do IGBT, certifique-se de considerar as seguintes questões principais: Respeitar a corrente máxima especificada na ficha técnica do IGBT. Eu não recomendo aumentar a tensão do carregador, muitas variáveis precisam ser consideradas. Aumentar a capacitância e usar larguras de pulso mais longas para bobinas maiores também aumentará a dissipação de energia dos IGBTs. Portanto, eles podem precisar de um dissipador de calor. Eu recomendo simular um circuito modificado primeiro no SPICE / Multisim ou outro software de simulação para determinar qual será a corrente de pico.

Boa sorte!

Etapa 12: O Pistola Espiral em Ação

Apenas me divertindo atirando em coisas aleatórias …