Coilgun SGP33 - Pełna instrukcja montażu i testowania: 12 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:30

Ten samouczek opisuje, jak zmontować elektronikę pistoletu cewkowego pokazanego na tym filmie:

Montaż SGP-33 Youtube

Na ostatniej stronie tego samouczka znajduje się również film, w którym można go zobaczyć w akcji. Tutaj jest link.

Płytki drukowane do tego demo zostały dostarczone przez JLCPCB. COM

Celem było zbudowanie jednostopniowego pistoletu cewkowego, który jest lekki, ma dobre osiągi i wykorzystuje powszechnie dostępne części za rozsądną cenę.

Cechy:

- Pojedynczy etap, pojedynczy strzał

- Regulowana szerokość impulsu aktywacji cewki

- Cewka napędzana IGBT

- Pojedynczy kondensator 1000uF/550V

- Najwyższa uzyskana prędkość 36m/s będzie w dużym stopniu zależeć od właściwości i geometrii cewki i pocisku

- Czas ładowania początkowego około 8s, czas ładowania zależy od czasu rozładowania, w przykładzie wideo jest to 5s

Całkowity koszt tylko części elektronicznych wynosi około 140 USD, z wyłączeniem drutu miedzianego/beczka na cewkę.

W tym samouczku opiszę tylko, jak złożyć płytkę PCB.

Podam również wszystkie inne informacje, aby jak najlepiej wykorzystać ten obwód bez wysadzania go.

Nie podam szczegółowego opisu montażu mechanicznego, ponieważ myślę, że można by go poprawić/zmodyfikować. W tej części będziesz musiał użyć swojej wyobraźni.

Krok 1: Ostrzeżenie

OSTROŻNOŚĆ:

Upewnij się, że przeczytałeś i zrozumiałeś ten rozdział!

Obwód ładuje kondensator do około 525V. Jeśli dotkniesz zacisków takiego kondensatora gołymi rękami, możesz poważnie zranić się. Ponadto (jest to mniej niebezpieczne, ale mimo to należy o tym wspomnieć), wysoki prąd, jaki mogą dostarczać, może powodować iskrzenie i parowanie cienkich przewodów. Dlatego zawsze noś okulary ochronne!

Okulary ochronne są koniecznością

Kondensator utrzymuje ładunek nawet po wyłączeniu głównego wyłącznika. Należy go rozładować PRZED rozpoczęciem pracy na obwodzie!!!

Po drugie, wykorzystamy energię zawartą w kondensatorze i przekształcimy ją w energię kinetyczną pocisku. Mimo że prędkość tego pocisku jest niska, może on zranić Ciebie (lub kogoś innego), dlatego stosuj te same zasady bezpieczeństwa, co podczas pracy z elektronarzędziami lub innych prac mechanicznych.

Więc NIGDY nie kieruj tego na osobę, gdy jest załadowany i naładowany, kieruj się zdrowym rozsądkiem.

Krok 2: Narzędzia i wymagania w miejscu pracy

Wymagane umiejętności:

Jeśli jesteś zupełnie nowy w elektronice, ten projekt nie jest dla Ciebie. Potrzebne są następujące umiejętności:

- Możliwość lutowania urządzeń do montażu powierzchniowego, w tym układów scalonych, kondensatorów i rezystorów

- Możliwość korzystania z multimetru

Potrzebne narzędzia (minimum):

-Drobna końcówka/duża lutownica grotowa

-Drut lutowniczy

- Płynny topnik lub pisak topnikowy

- oplot rozlutowujący

- Szkło powiększające do kontroli połączeń lutowanych lub mikroskopu

- Cienkie pęsety

- Multimetr do pomiaru napięcia DC-link (525VDC)

Zalecane narzędzia (opcjonalnie)

- Regulowany zasilacz

- Oscyloskop

- Stacja rozlutownicza na gorące powietrze

Przygotowanie stanowiska pracy i ogólne zalecenia dotyczące pracy:

- Używaj czystego stołu, najlepiej nie plastikowego (aby uniknąć problemów z ładunkiem elektrostatycznym)

- Nie używaj odzieży, która łatwo tworzy / gromadzi ładunek (to jest taka, która tworzy iskry po zdjęciu)

- Ponieważ prawie nikt nie ma w domu bezpiecznego miejsca pracy ESD, polecam wykonać montaż w jednym kroku, czyli nie nosić ze sobą wrażliwych elementów (wszystkie półprzewodniki po wyjęciu z opakowania). Umieść wszystkie elementy na stole, a następnie zacznij.

- Niektóre elementy są dość małe, jak rezystory i kondensatory w opakowaniach 0603, można je łatwo zgubić, wyjmuj tylko po jednym na raz z opakowania

- Układ scalony ładowarki w obudowie TSSOP20 jest najtrudniejszą częścią do lutowania, ma podziałkę 0,65 mm (odległość między pinami), co wciąż jest dalekie od najmniejszego standardu branżowego, ale może być trudne dla kogoś mniej doświadczonego. Jeśli nie jesteś pewien, polecam najpierw nauczyć się lutowania na czymś innym zamiast złomowania PCB

Ponownie cały proces montażu PCB jest pokazany w filmie wspomnianym na pierwszej stronie tego samouczka

Krok 3: Diagram

W tej sekcji przedstawię przegląd obwodu. Przeczytaj ją uważnie, pomoże ci to uniknąć uszkodzeń deski, którą właśnie zmontowałeś.

Po lewej zostanie podłączony akumulator. Upewnij się, że w każdych warunkach napięcie jest niższe niż 8 V, w przeciwnym razie obwód ładowarki może ulec uszkodzeniu!

Baterie, których użyłem, mają napięcie 3,7 V, ale przy bardzo lekkim obciążeniu będą miały napięcie wyższe niż 4 V, dlatego podałyby ładowarce napięcie wyższe niż 8 V przed uruchomieniem. Nie podejmując żadnego ryzyka, dwie diody Schottky'ego są połączone szeregowo z akumulatorem, aby obniżyć napięcie poniżej 8V. Służą również jako ochrona przed odwróconymi bateriami. Użyj również szeregowego bezpiecznika od 3 do 5 A, może to być bezpiecznik niskonapięciowy, taki jak te stosowane w pojazdach. Aby uniknąć rozładowania baterii, gdy pistolet nie jest używany, zalecam podłączenie głównego wyłącznika zasilania.

Aby obwód działał prawidłowo, napięcie akumulatora na zaciskach wejściowych płytki drukowanej powinno zawsze wynosić od 5 V do 8 V.

Sekcja sterująca zawiera zabezpieczenie podnapięciowe i 3 obwody czasowe. Timer IC U11 z migającą diodą LED1 wskazuje, że polecenie włączenia obwodu ładowarki jest aktywne. Timer IC U10 określa szerokość impulsu wyjściowego. Szerokość impulsu można regulować potencjometrem R36. Przy wartościach R8 i C4/C6 zgodnie z BOM zakres wynosi: 510us do 2,7ms. Jeśli potrzebujesz szerokości impulsu poza tym zakresem, wartości te można dostosować według własnego uznania.

Zworka J1 może być otwarta w celu przeprowadzenia wstępnego testu. Polecenie włączenia obwodu ładowarki przechodzi przez tę zworkę (logika dodatnia, tj. 0V = ładowarka wyłączona; VBAT = ładowarka włączona).

W górnej części środkowej znajduje się obwód ładowarki kondensatorów. Limit prądu szczytowego transformatora wynosi 10 A, prąd ten jest skonfigurowany z rezystorem czujnika prądu R21 i nie powinien być zwiększany, ponieważ istnieje ryzyko nasycenia rdzenia transformatora. Szczytowe 10A prowadzi do nieco ponad 3A średniego prądu z akumulatora, co jest w porządku dla akumulatorów, których użyłem. Jeśli chcesz użyć innych akumulatorów, które nie mogą zapewnić tego prądu, musisz zwiększyć wartość rezystora R21. (zwiększyć wartość rezystora R21, aby zmniejszyć szczytowy prąd transformatora, a co za tym idzie średni prąd z akumulatora)

Napięcie wyjściowe głównego kondensatora mierzone jest komparatorem. Aktywuje diodę LED2, gdy napięcie przekracza około 500 V i dezaktywuje ładowarkę, gdy napięcie przekracza 550 V w przypadku przepięcia (co w rzeczywistości nigdy nie powinno się zdarzyć).

NIGDY NIE WŁĄCZAJ ŁADOWARKI BEZ PODŁĄCZENIA GŁÓWNEGO KONDENSATORA DO OBWODU. Może to uszkodzić układ scalony ładowarki.

Ostatni obwód to obwód mostkowy, który rozładowuje kondensator przez dwa tranzystory IGBT do obciążenia/cewki.

Krok 4: Kontrola PCB

Najpierw sprawdź płytkę drukowaną pod kątem niczego niezwykłego. Pochodzą one faktycznie sprawdzone i przetestowane elektrycznie od producenta, ale zawsze dobrze jest sprawdzić dwa razy przed montażem. Nigdy nie miałem żadnych problemów, to tylko przyzwyczajenie.

Pliki Gerbera można pobrać tutaj:

prześlij je do producenta PCB, takiego jak OSHPARK. COM lub JLCPCB. COM lub jakikolwiek inny.

Krok 5: Montaż

Pobierz plik Excel BOM i dwa pliki pdf do lokalizacji komponentów

Najpierw zmontuj mniejszą płytkę drukowaną, która zawiera duży kondensator elektrolityczny. Zwróć uwagę na właściwą biegunowość!

Złącza 90 stopni, które połączą tę płytkę drukowaną z główną płytką drukowaną, można zamontować na górze lub na dole, w zależności od montażu mechanicznego.

NIE lutuj jeszcze nagłówków do głównej płytki drukowanej, są one trudne do usunięcia. Podłącz dwa krótkie przewody grubsze niż AWG20 między dwiema płytkami drukowanymi.

Na głównej płytce drukowanej najpierw zamontuj ładowarkę IC, która jest najtrudniejszą częścią, jeśli nie jesteś do tego przyzwyczajony. Następnie zmontuj mniejsze elementy. Najpierw zainstalujemy wszystkie kondensatory i rezystory. Najprostszą metodą jest nałożenie odrobiny lutu na jedną podkładkę, a następnie przylutowanie elementu za pomocą pęsety na tym podkładce. Nie ma znaczenia, jak wygląda złącze lutowane w tym momencie, służy to tylko do naprawienia go na miejscu.

Następnie przylutuj drugi pad. Teraz użyj płynnego topnika lub pisaka z topnikiem na niezbyt dobrze wyglądające połączenia lutowane i ponownie wykonaj połączenie. Użyj przykładów w filmie jako odniesienia do tego, jak wygląda dopuszczalne złącze lutowane.

Teraz przejdź do układów scalonych. Zamocuj jeden zacisk na płytce drukowanej za pomocą powyższej metody. Następnie przylutuj również wszystkie pozostałe piny.

Następnie zainstalujemy większe podzespoły, takie jak kondensatory elektrolityczne i foliowe, trimpot, diody LED, mosfety, diody, tranzystory IGBT oraz transformator obwodu ładowarki.

Dokładnie sprawdź wszystkie połączenia lutowane, upewnij się, że żaden element nie jest uszkodzony lub pęknięty itp.

Krok 6: Uruchomienie

Uwaga: nie przekraczać napięcia wejściowego 8V

Jeśli masz oscyloskop:

Podłącz przycisk (normalnie otwarty) do wejść SW1 i SW2.

Sprawdź, czy zworka J1 jest otwarta. Idealnie podłączyć regulowany zasilacz stołowy do wejścia akumulatora. Jeśli nie masz regulowanego zasilacza stołowego, będziesz musiał skorzystać bezpośrednio z baterii. Dioda LED 1 powinna migać, gdy tylko napięcie wejściowe przekroczy około 5,6V. Obwód podnapięciowy ma dużą histerezę, tzn. aby włączyć obwód początkowo napięcie musi być wyższe niż 5,6V ale wyłączy obwód dopiero gdy napięcie wejściowe spadnie poniżej około 4,9V. Dla akumulatorów użytych w tym przykładzie jest to nieistotna cecha, ale może być przydatna w przypadku pracy z akumulatorami, które mają wyższą rezystancję wewnętrzną i/lub są częściowo rozładowane.

Zmierz napięcie głównego kondensatora wysokiego napięcia odpowiednim multimetrem, powinno pozostać 0V, ponieważ ładowarka ma być wyłączona.

Za pomocą oscyloskopu zmierz szerokość impulsu na styku 3 U10 po naciśnięciu przycisku. Powinien być regulowany za pomocą trimpot R36 i wahać się od około 0,5 ms do 2,7 ms. Po każdym naciśnięciu przycisku istnieje opóźnienie około 5 sekund przed ponownym uruchomieniem impulsu.

Przejdź do kroku… test pełnego napięcia

jeśli nie masz oscyloskopu:

Wykonaj te same kroki jak powyżej, ale pomiń pomiar szerokości impulsu, nie ma co mierzyć multimetrem.

Przejdź do… pełnego testu napięciowego

Krok 7: Test pełnego napięcia

Usuń napięcie wejściowe.

Zamknij zworkę J1.

Dokładnie sprawdź poprawną polaryzację kondensatora wysokonapięciowego!

Podłącz multimetr o oczekiwanym napięciu (>525 V) do zacisków kondensatora wysokiego napięcia.

Podłącz cewkę testową do zacisków wyjściowych Coil1 i Coil2. Cewka o najniższej indukcyjności/rezystancji, której użyłem z tym obwodem, to AWG20 500uH/0,5 Ohm. W filmie użyłem 1mH 1R.

Upewnij się, że w pobliżu lub wewnątrz cewki nie ma żadnych materiałów ferromagnetycznych.

Nosić okulary ochronne

Podłącz napięcie akumulatora do zacisków wejściowych.

Ładowarka powinna się uruchomić, a napięcie DC na kondensatorze powinno gwałtownie wzrosnąć.

Powinien ustabilizować się na około 520V. Jeśli przekracza 550 V i nadal rośnie, natychmiast wyłącz napięcie wejściowe, coś będzie nie tak z częścią sprzężenia zwrotnego układu scalonego ładowarki. W takim przypadku będziesz musiał ponownie sprawdzić wszystkie połączenia lutowane i poprawną instalację wszystkich komponentów.

Dioda LED2 powinna teraz świecić, wskazując, że główny kondensator jest w pełni naładowany.

Naciśnij przycisk wyzwalacza, napięcie powinno spaść o kilkaset woltów, dokładna wartość będzie zależeć od ustawionej szerokości impulsu.

Wyłącz napięcie wejściowe.

Przed przystąpieniem do obsługi płytek PCB należy rozładować kondensator

Można to zrobić albo odczekując, aż napięcie spadnie do bezpiecznej wartości (trwa to długo), albo rozładować je za pomocą rezystora mocy. Kilka żarówek połączonych szeregowo również wykona tę pracę, liczba potrzebnych żarówek będzie zależeć od ich napięcia znamionowego, od dwóch do trzech dla lamp 220V, czterech do pięciu dla lamp 120V

Usuń przewody z płytki PCB kondensatora. Aby skompletować moduł, kondensator można teraz (lub później) przylutować bezpośrednio do płyty głównej, w zależności od procesu montażu mechanicznego. Moduł kondensatora jest trudny do wyjęcia z głównej płytki drukowanej, odpowiednio zaplanuj.

Krok 8: Mechaniczny

Uwagi dotyczące montażu mechanicznego

Płytka główna posiada 6 wycięć do montażu na wsporniku. Mniej więcej w pobliżu tych śladów znajdują się ślady miedzi. Podczas montażu PCB należy uważać, aby nie zwierać tych śladów do śruby. Dlatego konieczne jest użycie plastikowych przekładek i plastikowych podkładek. Jako obudowy użyłem kawałka złomu, aluminiowego profilu U. W przypadku korzystania z metalowego wspornika należy go uziemić, tj. połączyć przewodem z biegunem ujemnym akumulatora. Dostępne części (części, które można dotknąć) to spust i akumulator, ich poziom napięcia jest zbliżony do uziemienia. Jeśli jakikolwiek węzeł wysokiego napięcia wejdzie w kontakt z metalową obudową, zostanie zwarty do masy, a użytkownik jest bezpieczny. W zależności od wagi obudowy i cewki cała jednostka może być dość ciężka z przodu, więc uchwyt musi być odpowiednio zainstalowany.

Obudowa może być znacznie ładniejsza, wydrukowana w 3D, pomalowana itp. To zależy od Ciebie.

Krok 9: Teoria

Zasada działania jest bardzo prosta.

Oba tranzystory IGBT są aktywowane w tym samym czasie na okres od kilkuset do kilku ms w zależności od konfiguracji/regulacji monostabilnego oscylatora U10. Następnie przez cewkę zaczyna gromadzić się prąd. Prąd odpowiada natężeniu pola magnetycznego, a natężeniu pola magnetycznego sile wywieranej na pocisk wewnątrz cewki. Pocisk zaczyna powoli się poruszać i tuż przed tym, jak jego środek dotrze do środka cewki, tranzystory IGBT zostają wyłączone. Prąd wewnątrz cewki nie zanika jednak natychmiast, ale teraz przepływa przez diody i przez pewien czas z powrotem do głównego kondensatora. Podczas gdy prąd zanika, wewnątrz cewki nadal występuje pole magnetyczne, więc powinno ono spaść do prawie zera, zanim środek pocisku dotrze do środka cewki, w przeciwnym razie zostanie na nią wywrócona siła zrywająca. Wynik rzeczywisty odpowiada symulacji. Prąd końcowy przed wyłączeniem impulsu wynosi 367A (sonda prądowa 1000A/4V)

Krok 10: Budowa cewki

Prędkość 36m/s uzyskano dla cewki: 500uH, AWG20, 0.5R, długość 22mm, średnica wewnętrzna 8mm. Użyj tuby, która ma najmniejszą możliwą szczelinę między ścianą wewnętrzną a pociskiem i nadal umożliwia swobodny ruch pocisku. Powinien również mieć możliwie najcieńsze ścianki, a jednocześnie być bardzo sztywny. Użyłem rurki ze stali nierdzewnej i nie zauważono żadnych szkodliwych efektów. W przypadku używania rurki przewodzącej prąd elektryczny należy ją zaizolować odpowiednią taśmą (ja użyłam taśmy kaptonowej) przed jej nawinięciem. Może zaistnieć potrzeba tymczasowego zamontowania dodatkowych końcówek podczas nawijania, ponieważ podczas procesu nawijania powstają znaczne siły boczne. Zalecam wówczas naprawienie/zabezpieczenie uzwojeń za pomocą żywicy epoksydowej. Pomoże to zapobiec uszkodzeniu uzwojeń podczas obsługi/montażu cewki. Cały montaż cewki należy wykonać w taki sposób, aby uzwojenia nie mogły się poruszać. Potrzebujesz również jakiegoś podparcia, aby zamontować go na głównej obudowie.

Krok 11: Możliwe modyfikacje i ograniczenia obwodu

Kondensator naładowany do 522V zawiera 136 dżuli. Wydajność tego obwodu jest dość niska, jak w przypadku większości prostych konstrukcji jednostopniowych, które przyspieszają pociski ferromagnetyczne. Maksymalne napięcie jest ograniczone przez maksymalne dopuszczalne napięcie kondensatora wynoszące 550VDC oraz maksymalną wartość znamionową VCE tranzystorów IGBT. Inne geometrie cewek i niższe wartości indukcyjności/rezystancji mogą prowadzić do wyższych prędkości/sprawności. Maksymalny określony prąd szczytowy dla tego IGBT wynosi jednak 600A. Istnieją inne tranzystory IGBT o tej samej wielkości, które mogą obsługiwać wyższe prądy udarowe. W każdym razie, jeśli rozważasz zwiększenie pojemności lub rozmiaru IGBT, upewnij się, że bierzesz pod uwagę następujące główne kwestie: Przestrzegaj maksymalnego prądu określonego w arkuszu danych IGBT. Nie polecam zwiększania napięcia ładowarki, trzeba brać pod uwagę zbyt wiele zmiennych. Zwiększenie pojemności i zastosowanie dłuższych impulsów dla większych cewek również zwiększy rozpraszanie mocy tranzystorów IGBT. Dlatego mogą potrzebować radiatora. Zalecam symulację zmodyfikowanego obwodu najpierw w SPICE / Multisim lub innym oprogramowaniu symulacyjnym, aby określić, jaki będzie prąd szczytowy.

Powodzenia!

Krok 12: Pistolet cewkowy w akcji

Po prostu dobrze się bawię, strzelając do losowych rzeczy…