Coilgun SGP33 - Tam Montaj ve Test Talimatları: 12 Adım

2024 Yazar: John Day | [email protected]. Son düzenleme: 2024-01-30 13:19

Bu öğretici, bu videoda gösterilen bobin tabancasının elektroniğinin nasıl monte edileceğini açıklar:

SGP-33 montaj Youtube

Ayrıca, bu eğitimin son sayfasında çalışırken gördüğünüz bir video var. Bağlantı burada.

JLCPCB. COM tarafından sağlanan bu demo için PCB'ler

Amaç, hafif, iyi performansa sahip ve makul bir fiyata yaygın olarak bulunan parçaları kullanan tek kademeli bir bobin tabancası yapmaktı.

Özellikleri:

- Tek kademeli, tek atış

- Ayarlanabilir bobin aktivasyon darbe genişliği

- IGBT tahrikli bobin

- Tek 1000uF/550V kapasitör

- 36m/sn'de elde edilen en yüksek hız, büyük ölçüde bobin ve mermi özelliklerine ve geometrisine bağlı olacaktır.

- İlk şarj süresi yaklaşık 8sn, şarj süresi deşarj süresine bağlıdır, video örneğinde 5sn

Bobin için bakır tel/varil hariç, yalnızca elektronik parçaların toplam maliyeti yaklaşık 140 ABD dolarıdır.

Bu derste sadece PCB'nin nasıl monte edileceğini anlatacağım.

Ayrıca, bu devreyi havaya uçurmadan en iyi şekilde yararlanmak için diğer tüm bilgileri de vereceğim.

Geliştirilebileceğini / değiştirilebileceğini düşündüğüm için mekanik montajın ayrıntılı bir açıklamasını vermeyeceğim. Bu kısım için hayal gücünüzü kullanmanız gerekecek.

Adım 1: Uyarı

DİKKAT:

Bu bölümü okuyup anladığınızdan emin olun!

Devre, bir kondansatörü yaklaşık 525V'a şarj eder. Böyle bir kapasitörün terminallerine çıplak elle dokunursanız, kendinize ciddi şekilde zarar verebilirsiniz. Ayrıca (bu daha az tehlikelidir ancak yine de belirtilmelidir), sağladıkları yüksek akım kıvılcım oluşturabilir ve ince telleri buharlaştırabilir. Bu nedenle daima göz koruması kullanın!

Güvenlik gözlükleri bir zorunluluktur

Kondansatör, ana şalter kapatıldıktan sonra bile şarjını korur. Devre üzerinde çalışmadan ÖNCE deşarj edilmelidir!!!

İkinci olarak, kondansatörün içerdiği enerjiyi kullanacağız ve onu bir merminin kinetik enerjisine dönüştüreceğiz. Bu merminin hızı düşük olsa da yine de size (veya başka birine) zarar verebilir, bu nedenle elektrikli aletlerle çalışırken veya başka herhangi bir mekanik iş yaparken kullandığınız güvenlik kurallarını kullanın.

Bu nedenle, dolu ve şarjlıyken bunu ASLA bir kişiye doğrultmayın, sağduyulu davranın.

2. Adım: Araçlar ve İşyeri Gereksinimleri

Gerekli beceriler:

Elektronikte tamamen yeniyseniz, bu proje size göre değil. Aşağıdaki beceriler gereklidir:

- IC'ler, kapasitörler ve dirençler dahil olmak üzere yüzeye montaj cihazlarını lehimleyebilir

- Multimetre kullanabilen

Gerekli araçlar (minimum):

- İnce uçlu / büyük uçlu havya

- Lehim teli

- Sıvı Akı veya akı kalemi

- Lehim çözme örgüsü

- Lehim bağlantılarını veya mikroskopu incelemek için büyüteç

- İnce cımbız

- DC bağlantı voltajını ölçmek için multimetre (525VDC)

Önerilen araçlar (isteğe bağlı)

- Ayarlanabilir güç kaynağı

- Osiloskop

- Sıcak hava lehim sökme istasyonu

İşyerinin hazırlanması ve genel çalışma önerileri:

- Tercihen plastik olmayan temiz bir masa kullanın (statik şarjla ilgili sorunları önlemek için)

- Kolay şarj oluşturan / biriktiren giysiler kullanmayın, (çıkardığınızda kıvılcım çıkaran budur)

- Neredeyse hiç kimsenin evde ESD güvenli bir çalışma yeri olmadığı için, montajı tek adımda yapmanızı, yani hassas bileşenleri (tüm yarı iletkenleri ambalajından çıkardıktan sonra) yanınızda taşımamanızı tavsiye ederim. Tüm bileşenleri masaya yerleştirin ve başlayın.

- 0603 paketlerindeki dirençler ve kapasitörler gibi bazı bileşenler oldukça küçüktür, kolayca kaybolabilirler, paketlerinden birer birer çıkarlar

- TSSOP20 paketindeki şarj cihazı IC, lehimlenmesi en zor kısımdır, 0,65 mm'lik bir adıma (pimler arasındaki mesafe) sahiptir, bu hala en küçük endüstri standardı olmaktan uzaktır ancak daha az deneyimli biri için zor olabilir. Emin değilseniz, PCB'nizi hurdaya çıkarmak yerine önce lehimlemeyi başka bir şey üzerinde eğitmenizi tavsiye ederim.

Yine, tüm PCB montaj süreci, bu eğitimin ilk sayfasında belirtilen videoda gösterilmektedir.

Adım 3: Diyagram

Bu bölümde devre hakkında genel bilgi vereceğim. Dikkatlice okuyun, bu, yeni monte ettiğiniz panoya zarar vermemenize yardımcı olacaktır.

Sol tarafta pil bağlanacaktır. Her koşulda 8V'den düşük olduğundan emin olun, aksi takdirde şarj devresi zarar görebilir!

Kullandığım piller 3.7V ama çok hafif yük altındayken 4V'tan daha yüksek bir voltaja sahip olacaklar, bu nedenle şarj cihazına başlamadan önce 8V'den daha yüksek bir voltaj vereceklerdi. Herhangi bir risk almadan, voltajı 8V'un altına düşürmek için akü ile seri olarak iki adet schottky diyot bulunmaktadır. Ayrıca ters pillere karşı koruma görevi görürler. Ayrıca seri olarak 3 ila 5A'lik bir sigorta kullanın, bu, araçlarda kullanılanlar gibi düşük voltajlı bir sigorta olabilir. Tabanca kullanımda değilken pilin boşalmasını önlemek için bir ana güç anahtarı bağlamanızı tavsiye ederim.

Devrenin düzgün çalışması için PCB giriş terminallerindeki pil voltajı her zaman 5V ile 8V arasında olmalıdır.

Kontrol bölümü bir düşük voltaj koruması ve 3 zamanlayıcı devresi içerir. LED1 yanıp sönen IC U11 zamanlayıcısı, şarj devresini açma komutunun aktif olduğunu gösterir. Zamanlayıcı IC U10, çıkış darbe genişliğini belirler. Darbe genişliği potansiyometre R36 ile ayarlanabilir. Malzeme Listesine göre R8 ve C4/C6 değerleriyle aralık: 510us ila 2.7ms. Bu aralığın dışında darbe genişliklerine ihtiyacınız varsa, bu değerler istediğiniz gibi ayarlanabilir.

Jumper J1, ilk test için açık olabilir. Şarj devresini etkinleştirme komutu bu jumper'dan geçer (pozitif mantık, yani 0V = şarj cihazı devre dışı; VBAT = şarj cihazı etkin).

Üst orta bölüm kapasitör şarj devresini içerir. Trafo tepe akımı limiti 10A'dır, bu akım akım algılama direnci R21 ile yapılandırılmıştır ve arttırılmamalıdır, aksi takdirde trafo çekirdeğini doyma riskiyle karşı karşıya kalabilirsiniz. 10A tepe noktası, kullandığım piller için uygun olan pilden ortalama 3A'nın biraz üzerinde akıma yol açar. Bu akımı sağlayamayan başka piller kullanmak isterseniz, direnç R21'in değerini artırmanız gerekecektir. (trafo tepe akımını ve dolayısıyla aküden gelen ortalama akımı azaltmak için direnç R21'in değerini artırın)

Ana kondansatör çıkış voltajı bir karşılaştırıcı ile ölçülür. Voltaj yaklaşık 500V'un üzerindeyken LED2'yi etkinleştirir ve aşırı voltaj durumunda (aslında asla olmaması gereken) voltaj 550V'nin üzerinde olduğunda şarj cihazını devre dışı bırakır.

ANA KONDANSATÖR DEVREYE BAĞLI OLMADAN ŞARJ CİHAZINI ASLA AÇMAYIN. Bu, şarj cihazı IC'sine zarar verebilir.

Son devre, kapasitörü iki IGBT üzerinden yük/bobin içine boşaltan köprü devresidir.

Adım 4: PCB Denetimi

Önce PCB'yi olağandışı bir şey açısından inceleyin. Üreticiden gerçekten denetlenmiş ve elektriksel olarak test edilmiş olarak gelirler, ancak montajdan önce iki kez kontrol etmek her zaman iyi bir fikirdir. Hiç sorun yaşamadım bu sadece bir alışkanlık.

Gerber dosyalarını buradan indirebilirsiniz:

bunları OSHPARK. COM veya JLCPCB. COM veya başka bir PCB üreticisine yükleyin.

Adım 5: Montaj

Bileşen konumu için Excel BOM dosyasını ve iki pdf dosyasını indirin

Önce büyük elektrolitik kondansatörü tutan daha küçük PCB'yi birleştirin. Doğru polariteye dikkat edin!

Bu PCB'yi ana PCB'ye bağlayacak 90 derecelik başlıklar, mekanik montajınıza bağlı olarak üst veya alt tarafa monte edilebilir.

Başlıkları henüz ana PCB'ye lehimlemeyin, çıkarmaları zordur. İki PCB arasına AWG20'den daha kalın iki kısa kablo bağlayın.

Ana PCB'ye ilk önce alışkın değilseniz en zor kısım olan şarj cihazı IC'sini monte edin. Ardından daha küçük bileşenleri birleştirin. Önce tüm kapasitörleri ve dirençleri kuracağız. En kolay yöntem, bir pedin üzerine biraz lehim koymak, ardından bileşeni önce cımbız yardımıyla bu pedin üzerine lehimlemektir. Lehim bağlantısının bu noktada nasıl göründüğü önemli değil, bu sadece onu yerine sabitlemeye yarar.

Ardından diğer pedi lehimleyin. Şimdi çok iyi görünmeyen lehim bağlantılarında sıvı akı veya akı kalemi kullanın ve bağlantıyı yeniden yapın. Kabul edilebilir bir lehim bağlantısının nasıl göründüğüne dair referans olarak videodaki örnekleri kullanın.

Şimdi IC'lere geçin. Yukarıda belirtilen yöntemi kullanarak bir terminali PCB'ye sabitleyin. Ardından diğer tüm pimleri de lehimleyin.

Daha sonra elektrolitik ve film kapasitörler, trimpot, LED'ler, Mosfetler, diyotlar, IGBT'ler ve şarj devresinin transformatörü gibi daha büyük bileşenleri kuracağız.

Tüm lehim bağlantılarını iki kez kontrol edin, hiçbir bileşenin kırılmadığından veya çatlamadığından emin olun.

6. Adım: Başlatma

Dikkat: 8V giriş voltajını aşmayın

Bir osiloskopunuz varsa:

SW1 ve SW2 girişlerine bir basmalı düğme (normalde açık) bağlayın.

J1 atlama telinin açık olduğunu doğrulayın. İdeal olarak, pil girişine ayarlanabilir bir masaüstü güç kaynağı bağlayın. Ayarlanabilir bir masaüstü güç kaynağınız yoksa, doğrudan pillerle gitmeniz gerekecektir. Giriş voltajı yaklaşık 5,6V'nin üzerine çıkar çıkmaz LED 1 yanıp sönmelidir. Düşük voltaj devresi büyük bir histerezise sahiptir, yani başlangıçta devreyi açmak için voltajın 5,6V'den yüksek olması gerekir, ancak yalnızca giriş voltajı yaklaşık 4,9V'nin altına düştüğünde devreyi kapatacaktır. Bu örnekte kullanılan piller için bu önemsiz bir özelliktir ancak daha yüksek iç dirence sahip ve/veya kısmen boşalmış pillerle çalışırken faydalı olabilir.

Ana yüksek voltaj kondansatör voltajını uygun bir multimetre ile ölçün, şarj cihazının devre dışı bırakılması gerektiği için 0V kalmalıdır.

Osiloskopla, düğmeye basarken U10'un pim 3'ünde darbe genişliğini ölçün. Trimpot R36 ile ayarlanabilir olmalı ve yaklaşık 0,5ms ile 2,7ms arasında değişmelidir. Düğmeye her basıldıktan sonra nabız yeniden başlatılmadan önce yaklaşık 5 saniyelik bir gecikme vardır.

Adıma gidin… tam voltaj testi

osiloskopunuz yoksa:

Yukarıdaki adımların aynısını yapın ancak darbe genişliği ölçümünü atlayın, multimetre ile ölçülecek hiçbir şey yoktur.

Tam voltaj testine gidin

Adım 7: Tam Voltaj Testi

Giriş voltajını kaldırın.

Jumper J1'i kapatın.

Yüksek voltaj kondansatörünün doğru polaritesini iki kez kontrol edin!

Beklenen voltaj (>525V) için derecelendirilmiş bir multimetreyi yüksek voltajlı kapasitör terminallerine bağlayın.

Bobin1 ve Bobin2 çıkış terminallerine bir test bobini bağlayın. Bu devrede kullandığım en düşük endüktans/direnç bobini AWG20 500uH/0.5 Ohm idi. Videoda 1mH 1R kullandım.

Bobinin yakınında veya içinde ferromanyetik malzeme olmadığından emin olun.

Güvenlik gözlüğü takın

Giriş terminallerine akü voltajı uygulayın.

Şarj cihazı çalışmaya başlamalı ve kondansatördeki DC voltajı hızla yükselmelidir.

Yaklaşık 520V'de stabilize olmalıdır. 550V'yi aşar ve hala yükselirse, giriş voltajını hemen kapatın, şarj cihazı IC'sinin geri besleme kısmında bir sorun olabilir. Bu durumda, tüm lehim bağlantılarını yeniden kontrol etmeniz ve tüm bileşenlerin doğru kurulumunu yapmanız gerekecektir.

Ana kapasitörün tamamen şarj olduğunu gösteren LED2 şimdi yanmalıdır.

Tetik düğmesine basın, voltaj birkaç yüz volt düşmelidir, tam değer ayarlanan darbe genişliğine bağlı olacaktır.

Giriş voltajını kapatın.

PCB'leri kullanmadan önce kapasitörün boşaltılması gerekir

Bu, voltajın güvenli bir değere düşmesini bekleyerek (uzun zaman alır) veya bir güç direnci ile deşarj ederek yapılabilir. Seri halinde birkaç akkor ampul de bu işi görecektir, gereken ampul sayısı voltaj değerlerine bağlı olacaktır, 220V lambalar için iki ila üç, 120V lambalar için dört ila beş

Kabloları kapasitör PCB'sinden çıkarın. Modülü tamamlamak için, kapasitör şimdi (veya daha sonra) mekanik montaj işlemine bağlı olarak doğrudan ana karta lehimlenebilir. Kondansatör modülünün ana PCB'den çıkarılması zordur, buna göre planlayın.

Adım 8: Mekanik

Mekanik montaj hususları

Ana PCB, bir desteğe monte etmek için 6 oyuğa sahiptir. Bu izlerin yanında az ya da çok bakır izleri vardır. PCB'yi monte ederken bu izleri vidaya kısa devre yapmamaya özen gösterilmelidir. Bu nedenle plastik ayırıcılar ve plastik rondelalar kullanılmalıdır. Muhafaza olarak bir hurda metal parça, bir alüminyum U-profil kullandım. Metalik bir destek kullanılıyorsa, topraklanmalıdır, yani akünün eksi kutbuna bir tel ile bağlanmalıdır. Erişilebilir parçalar (dokunulabilen parçalar) tetik anahtarı ve aküdür, voltaj seviyeleri toprağa yakındır. Herhangi bir yüksek voltaj düğümü metal muhafaza ile temas ederse, toprağa kısa devre yapacak ve kullanıcı güvende olacaktır. Muhafazanın ve bobinin ağırlığına bağlı olarak, tüm ünite oldukça önden ağır olabilir, bu nedenle tutacağın buna göre kurulması gerekir.

Muhafaza da çok daha güzel hale getirilebilir, 3D basılmış, boyanmış vs, bu size kalmış.

9. Adım: Teori

Çalışma prensibi çok basittir.

İki IGBT, monostabil osilatörün U10 konfigürasyonuna/ayarına bağlı olarak birkaç yüz us ila birkaç ms arasında değişen bir süre boyunca aynı anda etkinleştirilir. Akım daha sonra bobin boyunca birikmeye başlar. Akım, manyetik alan kuvvetine ve manyetik alan kuvveti, bobin içindeki mermiye uygulanan kuvvete karşılık gelir. Mermi yavaşça hareket etmeye başlar ve ortası bobinin ortasına ulaşmadan hemen önce IGBT'ler kapatılır. Bobinin içindeki akım anında durmaz, ancak şimdi diyotlardan geçer ve bir süre için ana kondansatöre geri döner. Akım azalırken bobinin içinde hala manyetik alan vardır, bu nedenle merminin ortası bobinin ortasına ulaşmadan önce bu sıfıra yakın bir değere düşmelidir, aksi takdirde üzerine bir kırılma kuvveti uygulanır. Gerçek dünya sonucu simülasyona karşılık gelir. Darbeyi kapatmadan önceki son akım 367A'dır (akım probu 1000A/4V)

Adım 10: Bobin Yapısı

Aşağıdaki bobin ile 36m/s hız elde edilmiştir: 500uH, AWG20, 0.5R, 22mm uzunluk, 8mm iç çap. İç duvar ile mermi arasında mümkün olan en küçük boşluğa sahip olan ve yine de merminin serbest hareketine izin veren bir boru kullanın. Ayrıca çok sert olurken mümkün olan en ince duvarlara sahip olmalıdır. Paslanmaz çelik bir boru kullandım ve hiçbir zararlı etkisi fark edilmedi. Elektriksel olarak iletken bir tüp kullanıyorsanız, sarmadan önce uygun bir bantla (Kapton bant kullandım) yalıttığınızdan emin olun. Sarma işlemi sırasında önemli yan kuvvetler oluştuğundan, sarma sırasında geçici olarak ek uç parçaları takmanız gerekebilir. Daha sonra sargıların epoksi ile sabitlenmesini/korunmasını tavsiye ederim. Bu, bobinin taşınması/montajı sırasında sargıların hasar görmesini önlemeye yardımcı olacaktır. Tüm bobin montajı, sargılar hareket etmeyecek şekilde yapılmalıdır. Ana gövdeye monte etmek için de bir tür desteğe ihtiyacınız var.

Adım 11: Devrenin Olası Değişiklikleri ve Sınırlamaları

522V'a şarj edilen kapasitör 136 Joule içerir. Bu devrenin verimliliği, ferromanyetik mermileri hızlandıran en basit tek aşamalı tasarımlarda olduğu gibi oldukça düşüktür. Maksimum voltaj, izin verilen maksimum 550VDC kapasitör voltajı ve IGBT'lerin maksimum VCE derecesi ile sınırlıdır. Diğer bobin geometrileri ve daha düşük endüktans/direnç değerleri daha yüksek hızlara/verimlere yol açabilir. Ancak bu IGBT için belirtilen maksimum tepe akımı 600A'dır. Daha yüksek dalgalanma akımlarını destekleyebilecek aynı boyutta başka IGBT'ler de vardır. Her durumda, kapasitansı veya IGBT boyutunu artırmayı düşünüyorsanız, aşağıdaki ana konuları dikkate aldığınızdan emin olun: IGBT veri sayfasında belirtilen maksimum akıma uyun. Şarj voltajının artırılmasını tavsiye etmiyorum, çok fazla değişkenin göz önünde bulundurulması gerekiyor. Kapasiteyi artırmak ve daha büyük bobinler için daha uzun darbe genişlikleri kullanmak, IGBT'lerin güç tüketimini de artıracaktır. Bu nedenle bir soğutucuya ihtiyaçları olabilir. Tepe akımının ne olacağını belirlemek için önce SPICE/Multisim'de veya başka bir simülasyon yazılımında değiştirilmiş bir devreyi simüle etmenizi öneririm.

İyi şanlar!

Adım 12: Bobin Tabancası İş Başında

Sadece rastgele şeylerle çekim yaparken biraz eğlenmek…