Coilgun SGP33 - Istruzioni complete di montaggio e test: 12 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:02

Questo tutorial descrive come assemblare l'elettronica della pistola a bobina mostrata in questo video:

Assemblaggio SGP-33 Youtube

C'è anche un video in cui lo vedi in azione nell'ultima pagina di questo tutorial. Ecco il link.

I PCB per questa demo sono stati gentilmente forniti da JLCPCB. COM

L'obiettivo era quello di costruire una pistola a bobina a stadio singolo che fosse leggera, avesse buone prestazioni e utilizzasse parti comunemente disponibili a un prezzo ragionevole.

Caratteristiche:

- Singolo stadio, colpo singolo

- Larghezza dell'impulso di attivazione della bobina regolabile

- Bobina comandata da IGBT

- Condensatore singolo 1000uF/550V

- La velocità massima ottenuta 36m/s, dipenderà molto dalle proprietà e dalla geometria della bobina e del proiettile

- Tempo di carica iniziale circa 8s, il tempo di ricarica dipende dal tempo di scarica, nell'esempio video è 5s

Il costo totale per le sole parti elettroniche è di circa $ 140 US, escluso il filo di rame/barile per la bobina.

In questo tutorial descriverò solo come assemblare il PCB.

Fornirò anche tutte le altre informazioni per ottenere il massimo da questo circuito senza farlo esplodere.

Non darò una descrizione dettagliata dell'assemblaggio meccanico, in quanto penso che potrebbe essere migliorato/modificato. Dovrai usare la tua immaginazione per quella parte.

Passaggio 1: attenzione

ATTENZIONE:

Assicurati di leggere e comprendere questa sezione!

Il circuito carica un condensatore a circa 525V. Se tocchi i terminali di un tale condensatore a mani nude puoi ferirti gravemente. Inoltre (questo è meno pericoloso ma dovrebbe comunque essere menzionato), l'elevata corrente che possono fornire può creare scintille e far evaporare i fili sottili. Quindi indossare sempre una protezione per gli occhi!

Gli occhiali di sicurezza sono un must

Il condensatore mantiene la carica anche dopo lo spegnimento dell'interruttore principale. Deve essere scaricato PRIMA di intervenire sul circuito!!!

In secondo luogo, utilizzeremo l'energia contenuta nel condensatore e la trasformeremo in energia cinetica di un proiettile. Anche se la velocità di questo proiettile è bassa, potrebbe comunque ferirti (o qualcun altro), quindi usa le stesse regole di sicurezza di quando lavori con utensili elettrici o fai qualsiasi altro lavoro meccanico.

Quindi non puntare MAI questo su una persona quando è carico e carico, usa il buon senso.

Passaggio 2: strumenti e requisiti del posto di lavoro

Competenze necessarie:

Se sei completamente nuovo nell'elettronica, questo progetto non fa per te. Sono necessarie le seguenti competenze:

- In grado di saldare dispositivi a montaggio superficiale inclusi circuiti integrati, condensatori e resistori

- In grado di utilizzare un multimetro

Strumenti necessari (il minimo):

- Saldatore a punta fine / punta grande

- Filo di saldatura

- Liquid Flux o penna di flusso

- Treccia dissaldante

- Lente d'ingrandimento per ispezionare i giunti di saldatura o un microscopio

- Pinzette fini

- Multimetro per misurare la tensione del DC-link (525VDC)

Strumenti consigliati (opzionale)

- Alimentazione regolabile

- Oscilloscopio

- Stazione dissaldante ad aria calda

Preparazione del posto di lavoro e raccomandazioni lavorative generali:

- Utilizzare un tavolo pulito, preferibilmente non di plastica (per evitare problemi di carica statica)

- Non utilizzare indumenti che creano/accumulano facilmente carica, (è quello che crea scintille quando lo togli)

- Dal momento che quasi nessuno ha un posto di lavoro sicuro ESD a casa, consiglio di eseguire l'assemblaggio in un unico passaggio, ad es. non portare con sé componenti sensibili (tutti i semiconduttori una volta estratti dalla confezione). Metti tutti i componenti sul tavolo e poi inizia.

- Alcuni componenti sono piuttosto piccoli, come resistori e condensatori nei pacchetti 0603, possono perdersi facilmente, estrarli solo uno alla volta dalla confezione

- L'IC del caricabatterie in un pacchetto TSSOP20 è la parte più difficile da saldare, ha un passo di 0,65 mm (distanza tra i pin) che è ancora lontano dall'essere lo standard più piccolo del settore, ma potrebbe essere difficile per qualcuno meno esperto. Se non sei sicuro, ti consiglierei di addestrare la saldatura prima su qualcos'altro invece di rottamare il tuo PCB

Ancora una volta, l'intero processo di assemblaggio del PCB è mostrato nel video menzionato nella prima pagina di questo tutorial

Passaggio 3: diagramma

In questa sezione darò una panoramica del circuito. Leggilo attentamente, questo ti aiuterà ad evitare danni alla scheda appena montata.

A sinistra verrà collegata la batteria. Assicurarsi che sia inferiore a 8V in tutte le condizioni o il circuito del caricabatterie potrebbe danneggiarsi!

Le batterie che ho usato sono da 3,7V ma avranno un voltaggio superiore a 4V sotto carico molto leggero, quindi darebbero una tensione maggiore di 8V al caricabatterie prima che si avvii. Senza correre alcun rischio, ci sono due diodi schottky in serie con la batteria per far scendere la tensione al di sotto di 8V. Servono anche come protezione contro le batterie invertite. Utilizzare anche un fusibile da 3 a 5A in serie, questo può essere un fusibile a bassa tensione come quelli utilizzati nei veicoli. Per evitare di scaricare la batteria quando la pistola non è in uso consiglio di collegare un interruttore di alimentazione principale.

La tensione della batteria ai terminali di ingresso del PCB deve essere sempre compresa tra 5 V e 8 V affinché il circuito funzioni correttamente.

La sezione di controllo contiene una protezione da sottotensione e 3 circuiti timer. Il timer IC U11 con LED1 lampeggiante indica che il comando di accensione del circuito di carica è attivo. Il timer IC U10 determina l'ampiezza dell'impulso di uscita. L'ampiezza dell'impulso può essere regolata con il potenziometro R36. Con i valori R8 e C4/C6 come da BOM l'intervallo è: da 510us a 2,7 ms. Se hai bisogno di larghezze d'impulso al di fuori di questo intervallo, questi valori possono essere regolati come desideri.

Il jumper J1 può essere aperto per il test iniziale. Attraverso quel ponticello passa il comando di abilitazione del circuito del caricatore (logica positiva, ovvero 0V = caricatore disabilitato; VBAT = caricatore abilitato).

La sezione centrale superiore contiene il circuito del caricatore del condensatore. Il limite di corrente di picco del trasformatore è 10 A, questa corrente è configurata con il resistore di rilevamento della corrente R21 e non deve essere aumentata o si rischia di saturare il nucleo del trasformatore. Il picco di 10 A porta a poco più di 3 A di corrente media dalla batteria, il che va bene per le batterie che ho usato. Se si desidera utilizzare altre batterie che non possono fornire quella corrente sarà necessario aumentare il valore della resistenza R21. (aumentare il valore della resistenza R21 per diminuire la corrente di picco del trasformatore e di conseguenza la corrente media da batteria)

La tensione di uscita del condensatore principale viene misurata con un comparatore. Attiva il LED2 quando la tensione è superiore a circa 500V e disattiva il caricabatterie quando la tensione è superiore a 550V in caso di sovratensione (che in realtà non dovrebbe mai accadere).

NON ACCENDERE MAI IL CARICABATTERIE SENZA IL CONDENSATORE PRINCIPALE COLLEGATO AL CIRCUITO. Ciò potrebbe danneggiare il caricabatterie IC.

L'ultimo circuito è il circuito a ponte che scarica il condensatore attraverso due IGBT nel carico / bobina.

Passaggio 4: ispezione PCB

Prima ispezionare il PCB per qualcosa di insolito. Vengono effettivamente ispezionati e testati elettricamente dal produttore, ma è sempre una buona idea ricontrollare prima del montaggio. Non ho mai avuto problemi è solo un'abitudine.

Puoi scaricare i file Gerber qui:

caricali su un produttore di PCB come OSHPARK. COM o JLCPCB. COM o qualsiasi altro.

Passaggio 5: assemblaggio

Scarica il file BOM Excel e i due file pdf per l'ubicazione dei componenti

Per prima cosa assemblare il PCB più piccolo che contiene il grande condensatore elettrolitico. Attenzione alla giusta polarità!

Le intestazioni a 90 gradi che collegheranno questo PCB al PCB principale possono essere montate sul lato superiore o inferiore a seconda dell'assemblaggio meccanico.

NON saldare ancora le intestazioni nel PCB principale, sono difficili da rimuovere. Collegare due fili corti più spessi di AWG20 tra i due PCB.

Sul PCB principale assemblare prima il caricabatterie IC che è la parte più difficile se non si è abituati. Quindi assemblare i componenti più piccoli. Per prima cosa installeremo tutti i condensatori e i resistori. Il metodo più semplice è mettere un po' di saldatura su un pad, quindi saldare prima il componente con l'aiuto delle pinzette su questo pad. Non importa come appare il giunto di saldatura a questo punto, questo serve solo a fissarlo in posizione.

Quindi saldare l'altro pad. Ora usa il flusso liquido o una penna di flusso sui giunti di saldatura non molto belli e rifai il giunto. Utilizzare gli esempi nel video come riferimento per l'aspetto di un giunto di saldatura accettabile.

Passiamo ora agli IC. Fissare un terminale sul PCB utilizzando il metodo sopra indicato. Quindi saldare anche tutti gli altri pin.

Successivamente installeremo i componenti più grandi come condensatori elettrolitici e a film, trimpot, LED, Mosfet, diodi, IGBT e il trasformatore del circuito di ricarica.

Ricontrolla tutti i giunti di saldatura, assicurati che nessun componente sia rotto o incrinato, ecc.

Passaggio 6: avvio

Attenzione: non superare la tensione di ingresso di 8V

Se hai un oscilloscopio:

Collegare un pulsante (normalmente aperto) agli ingressi SW1 e SW2.

Verificare che il jumper J1 sia aperto. Collegare idealmente un alimentatore da banco regolabile all'ingresso della batteria. Se non hai un alimentatore da banco regolabile dovrai andare direttamente con le batterie. Il LED 1 dovrebbe lampeggiare non appena la tensione di ingresso è superiore a circa 5,6V. Il circuito di sottotensione ha una grande isteresi, cioè per accendere il circuito inizialmente la tensione deve essere superiore a 5,6 V ma spegnerà il circuito solo quando la tensione di ingresso scende al di sotto di circa 4,9 V. Per le batterie utilizzate in questo esempio questa è una caratteristica irrilevante ma potrebbe essere utile se si lavora con batterie che hanno una maggiore resistenza interna e/o sono parzialmente scariche.

Misurare la tensione del condensatore principale ad alta tensione con un multimetro adatto, dovrebbe rimanere 0V perché il caricabatterie dovrebbe essere disattivato.

Con l'oscilloscopio, misurare l'ampiezza dell'impulso al pin 3 di U10 quando si preme il pulsante. Dovrebbe essere regolabile con il trimpot R36 e variare tra circa 0,5 ms e 2,7 ms. C'è un ritardo di circa 5 secondi prima che l'impulso possa essere riavviato dopo ogni pressione di un pulsante.

Vai al passaggio… test a piena tensione

se non hai un oscilloscopio:

Eseguire gli stessi passaggi di cui sopra ma saltare la misurazione dell'ampiezza dell'impulso, non c'è nulla da misurare con un multimetro.

Vai a… test a piena tensione

Passaggio 7: test a piena tensione

Rimuovere la tensione di ingresso.

Chiudi il ponticello J1.

Ricontrolla la corretta polarità del condensatore ad alta tensione!

Collegare un multimetro valutato per la tensione prevista (>525V) ai terminali del condensatore ad alta tensione.

Collegare una bobina di test ai terminali di uscita Coil1 e Coil2. La bobina di induttanza/resistenza più bassa che ho usato con questo circuito era AWG20 500uH/0,5 Ohm. Nel video ho usato 1mH 1R.

Assicurarsi che non vi siano materiali ferromagnetici vicino o all'interno della bobina.

Indossa occhiali di sicurezza

Applicare la tensione della batteria ai terminali di ingresso.

Il caricabatterie dovrebbe avviarsi e la tensione CC sul condensatore dovrebbe aumentare rapidamente.

Dovrebbe stabilizzarsi a circa 520V. Se supera i 550 V e continua a salire, disattiva immediatamente la tensione di ingresso, qualcosa sarebbe sbagliato con la parte di feedback del caricabatterie IC. In questo caso sarà necessario ricontrollare tutti i giunti di saldatura e la corretta installazione di tutti i componenti.

Il LED2 dovrebbe ora essere acceso indicando che il condensatore principale è completamente carico.

Premere il pulsante di attivazione, la tensione dovrebbe scendere di alcune centinaia di volt, il valore esatto dipenderà dall'ampiezza dell'impulso regolata.

Spegnere la tensione di ingresso.

Prima di maneggiare i PCB, il condensatore deve essere scaricato

Questo può essere fatto aspettando che la tensione scenda a un valore sicuro (richiede molto tempo) o scaricandola con un resistore di potenza. Anche diverse lampadine a incandescenza in serie faranno il lavoro, il numero di lampadine necessarie dipenderà dalla loro tensione nominale, da due a tre per lampade da 220 V, da quattro a cinque per lampade da 120 V

Rimuovere i fili dalla PCB del condensatore. Per completare il modulo, il condensatore può ora (o successivamente) essere saldato direttamente alla scheda madre a seconda del processo di assemblaggio meccanico. Il modulo condensatore è difficile da rimuovere dal PCB principale, pianificare di conseguenza.

Passaggio 8: meccanico

Considerazioni sul montaggio meccanico

Il PCB principale ha 6 ritagli per montarlo su un supporto. Ci sono tracce di rame più o meno vicino a queste tracce. Quando si monta il PCB bisogna fare attenzione a non cortocircuitare queste tracce con la vite. Pertanto è necessario utilizzare distanziali e rondelle di plastica. Ho usato un pezzo di metallo di scarto, un profilo a U in alluminio come alloggiamento. Se si utilizza un supporto metallico, dovrebbe essere messo a terra, cioè collegato con un filo al polo negativo della batteria. Le parti accessibili (parti che possono essere toccate) sono l'interruttore del grilletto e la batteria, il loro livello di tensione è vicino a terra. Se un nodo ad alta tensione entrasse in contatto con l'alloggiamento metallico, verrebbe messo a terra in cortocircuito e l'utente sarebbe al sicuro. A seconda del peso dell'alloggiamento e della bobina, l'intera unità può essere piuttosto pesante nella parte anteriore, quindi l'impugnatura deve essere installata di conseguenza.

L'alloggiamento potrebbe anche essere reso molto più bello, stampato in 3D, dipinto, ecc., Dipende da te.

Passaggio 9: la teoria

Il principio di funzionamento è molto semplice.

I due IGBT vengono attivati contemporaneamente per un periodo di tempo che va da poche centinaia di us a un paio di ms a seconda della configurazione/regolazione dell'oscillatore monostabile U10. La corrente inizia quindi ad accumularsi attraverso la bobina. La corrente corrisponde all'intensità del campo magnetico e l'intensità del campo magnetico alla forza esercitata sul proiettile all'interno della bobina. Il proiettile inizia a muoversi lentamente e appena prima che il suo centro raggiunga il centro della bobina gli IGBT si spengono. La corrente all'interno della bobina non cessa all'istante, ma ora fluisce attraverso i diodi e torna nel condensatore principale per un po' di tempo. Mentre la corrente decade, c'è ancora un campo magnetico all'interno della bobina, quindi questo dovrebbe scendere quasi a zero prima che il centro del proiettile raggiunga il centro della bobina, altrimenti su di esso verrebbe esercitata una forza di rottura. Il risultato reale corrisponde alla simulazione. La corrente di fine prima dello spegnimento dell'impulso è 367A (sonda di corrente 1000A/4V)

Passaggio 10: costruzione della bobina

La velocità di 36m/s è stata ottenuta con la seguente bobina: 500uH, AWG20, 0.5R, lunghezza 22mm, diametro interno 8mm. Utilizzare un tubo che abbia il minor spazio possibile tra la parete interna e il proiettile e consenta comunque il libero movimento del proiettile. Dovrebbe anche avere le pareti più sottili possibili pur essendo molto rigido. Ho usato un tubo di acciaio inossidabile e non sono stati notati effetti dannosi. Se si utilizza un tubo elettricamente conduttivo assicurarsi di isolarlo con un nastro appropriato (io ho usato il nastro Kapton) prima di avvolgerlo. Potrebbe essere necessario montare temporaneamente ulteriori pezzi terminali durante l'avvolgimento, poiché durante il processo di avvolgimento si sviluppano notevoli forze laterali. Consiglierei quindi di riparare/proteggere gli avvolgimenti con resina epossidica. Questo aiuterà a prevenire il danneggiamento degli avvolgimenti durante la manipolazione/montaggio della bobina. L'intero assemblaggio della bobina dovrebbe essere fatto in modo che gli avvolgimenti non possano muoversi. Hai anche bisogno di una sorta di supporto per montarlo sull'alloggiamento principale.

Step 11: Possibili Modifiche e Limitazioni del Circuito

Il condensatore caricato a 522V contiene 136 Joule. L'efficienza di questo circuito è piuttosto bassa, come nella maggior parte dei semplici progetti a stadio singolo che accelerano i proiettili ferromagnetici. La tensione massima è limitata dalla tensione massima consentita del condensatore di 550VDC e dalla valutazione VCE massima degli IGBT. Altre geometrie della bobina e valori di induttanza/resistenza inferiori possono portare a velocità/efficienza maggiori. Tuttavia, la corrente di picco massima specificata per questo IGBT è 600A. Esistono altri IGBT della stessa dimensione che potrebbero supportare correnti di picco più elevate. In ogni caso, se prevedi di aumentare la capacità o le dimensioni dell'IGBT, assicurati di considerare i seguenti aspetti principali: Rispettare la corrente massima specificata nella scheda tecnica dell'IGBT. Non consiglio di aumentare la tensione del caricabatterie, bisogna considerare troppe variabili. L'aumento della capacità e l'utilizzo di larghezze di impulso più lunghe per bobine più grandi aumenterà anche la dissipazione di potenza degli IGBT. Potrebbero quindi aver bisogno di un dissipatore di calore. Consiglio di simulare prima un circuito modificato in SPICE/Multisim o in un altro software di simulazione per determinare quale sarà la corrente di picco.

Buona fortuna!

Passaggio 12: la pistola a bobina in azione

Mi sto solo divertendo a sparare a cose a caso…