Coilgun SGP33 - Volledige montage- en testinstructies: 12 stappen

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Laatst gewijzigd: 2024-01-30 11:17

In deze zelfstudie wordt beschreven hoe u de elektronica van het spoelpistool monteert dat in deze video wordt getoond:

SGP-33 montage Youtube

Er is ook een video waarin je het in actie ziet op de laatste pagina van deze tutorial. Hier is de link.

De PCB's voor deze demo werden vriendelijk verstrekt door JLCPCB. COM

Het doel was om een eentraps spoelpistool te bouwen dat lichtgewicht is, goede prestaties levert en gebruik maakt van algemeen verkrijgbare onderdelen voor een redelijke prijs.

Functies:

- Enkele fase, enkele opname

- Instelbare pulsbreedte voor spoelactivering

- IGBT-aangedreven spoel

- Enkele 1000uF/550V condensator

- Hoogste verkregen snelheid 36 m/s, zal sterk afhangen van spoel- en projectieleigenschappen en geometrie

- Initiële oplaadtijd ongeveer 8s, oplaadtijd is afhankelijk van de ontlaadtijd, in het videovoorbeeld is dit 5s

De totale kosten voor alleen elektronische onderdelen bedragen ongeveer $ 140 US, exclusief de koperdraad / loop voor de spoel.

In deze tutorial zal ik alleen beschrijven hoe je de print in elkaar zet.

Ik zal ook alle andere informatie verstrekken om het meeste uit dit circuit te halen zonder het op te blazen.

Ik zal geen gedetailleerde beschrijving geven van de mechanische assemblage, omdat ik denk dat deze kan worden verbeterd / aangepast. Voor dat deel moet je je fantasie gebruiken.

Stap 1: Waarschuwing

VOORZICHTIGHEID:

Zorg ervoor dat u dit gedeelte leest en begrijpt!

De schakeling laadt een condensator op tot ongeveer 525V. Als je de klemmen van zo'n condensator met je blote handen aanraakt, kun je jezelf ernstig bezeren. Ook (dit is minder gevaarlijk, maar moet toch worden vermeld), kan de hoge stroom die ze kunnen leveren vonken veroorzaken en dunne draden verdampen. Draag daarom altijd oogbescherming!

Een veiligheidsbril is een must

De condensator behoudt zijn lading, zelfs nadat de hoofdschakelaar is uitgeschakeld. Het moet worden ontladen VOORDAT er aan het circuit wordt gewerkt!!!

Ten tweede zullen we de energie in de condensator gebruiken en deze omzetten in kinetische energie van een projectiel. Hoewel de snelheid van dit projectiel laag is, kan het jou (of iemand anders) toch pijn doen, gebruik daarom dezelfde veiligheidsregels als bij het werken met elektrisch gereedschap of andere mechanische werkzaamheden.

Richt dit dus NOOIT naar een persoon wanneer deze is geladen en opgeladen, gebruik uw gezond verstand.

Stap 2: Tools en werkplekvereisten

Vaardigheden benodigd:

Als je helemaal nieuw bent in elektronica, dan is dit project niets voor jou. De volgende vaardigheden zijn nodig:

- In staat om apparaten voor oppervlaktemontage te solderen, inclusief IC's, condensatoren en weerstanden

- In staat om een multimeter te gebruiken

Benodigd gereedschap (minimaal):

- Soldeerbout met fijne punt / soldeerbout met grote punt

- Soldeerdraad

- Vloeibare Flux of fluxpen

- Desolderen vlecht

- Vergrootglas om soldeerverbindingen te inspecteren of een microscoop

- Fijn pincet

- Multimeter voor het meten van de DC-link spanning (525VDC)

Aanbevolen tools (optioneel)

- Instelbare voeding

- Oscilloscoop

- Hetelucht-desoldeerstation

Voorbereiding van de werkplek en algemene werkaanbevelingen:

- Gebruik een schone tafel, bij voorkeur geen plastic (om problemen met statische lading te voorkomen)

- Gebruik geen kleding die gemakkelijk een lading creëert / accumuleert (dat is degene die vonken veroorzaakt wanneer u deze verwijdert)

- Aangezien bijna niemand thuis een ESD-veilige werkplek heeft, raad ik aan om de montage in één stap uit te voeren, d.w.z. draag geen verstandige componenten mee (alle halfgeleiders zodra u ze uit de verpakking haalt). Leg alle onderdelen op tafel en begin.

- Sommige componenten zijn vrij klein, zoals weerstanden en condensatoren in 0603-verpakkingen, ze kunnen gemakkelijk verloren gaan, haal ze slechts één voor één uit hun verpakking

- Het laad-IC in een TSSOP20-pakket is het moeilijkste onderdeel om te solderen, het heeft een pitch van 0,65 mm (afstand tussen de pinnen), wat nog lang niet de kleinste industriestandaard is, maar het kan moeilijk zijn voor iemand die minder ervaren is. Als je het niet zeker weet, raad ik je aan eerst te solderen op iets anders in plaats van je PCB te slopen

Nogmaals, het hele PCB-assemblageproces wordt getoond in de video die op de eerste pagina van deze tutorial wordt vermeld

Stap 3: Schema

In deze sectie zal ik een overzicht geven van het circuit. Lees deze goed door, zo voorkom je schade aan het board dat je zojuist hebt gemonteerd.

Links wordt de batterij aangesloten. Zorg ervoor dat deze onder alle omstandigheden lager is dan 8V, anders kan het laadcircuit beschadigd raken!

De batterijen die ik heb gebruikt zijn 3.7V, maar zullen bij zeer lichte belasting een spanning van meer dan 4V hebben, daarom zouden ze een spanning van meer dan 8V aan de lader geven voordat deze opstart. Zonder risico's te nemen, zijn er twee schottky-diodes in serie met de batterij om de spanning onder de 8V te brengen. Ze dienen ook als bescherming tegen omgekeerde batterijen. Gebruik ook een zekering van 3 tot 5A in serie, dit kan een laagspanningszekering zijn zoals die in voertuigen wordt gebruikt. Om te voorkomen dat de batterij leegloopt wanneer het pistool niet in gebruik is, raad ik aan om een hoofdschakelaar aan te sluiten.

De batterijspanning op de PCB-ingangsklemmen moet te allen tijde tussen 5V en 8V liggen om het circuit goed te laten werken.

Het besturingsgedeelte bevat een onderspanningsbeveiliging en 3 timercircuits. Timer IC U11 met knipperende LED1 geeft aan dat het commando om het laadcircuit in te schakelen actief is. Timer IC U10 bepaalt de uitgangspulsbreedte. De pulsbreedte kan worden aangepast met potentiometer R36. Met R8- en C4/C6-waarden volgens stuklijst is het bereik: 510us tot 2,7ms. Als u pulsbreedtes buiten dit bereik nodig heeft, kunnen deze waarden naar wens worden aangepast.

Jumper J1 kan open staan voor de eerste test. Het commando om het laadcircuit in te schakelen gaat door die jumper (positieve logica, d.w.z. 0V = oplader uitgeschakeld; VBAT = oplader ingeschakeld).

Het bovenste middelste gedeelte bevat het condensatorlaadcircuit. De piekstroomlimiet van de transformator is 10A, deze stroom is geconfigureerd met de stroomdetectieweerstand R21 en mag niet worden verhoogd, anders riskeert u verzadiging van de transformatorkern. 10A piek leidt tot iets meer dan 3A gemiddelde stroom van de batterij, wat goed is voor de batterijen die ik heb gebruikt. Als u andere batterijen wilt gebruiken die die stroom niet kunnen leveren, moet u de waarde van weerstand R21 verhogen. (verhoog de waarde van weerstand R21 om de piekstroom van de transformator en bijgevolg de gemiddelde stroom van de batterij te verlagen)

De uitgangsspanning van de hoofdcondensator wordt gemeten met een comparator. Het activeert de LED2 wanneer de spanning hoger is dan ongeveer 500V en deactiveert de lader wanneer de spanning hoger is dan 550V in een overspanningsgebeurtenis (dat zou eigenlijk nooit mogen gebeuren).

SCHAKEL DE OPLADER NOOIT IN ZONDER DE HOOFDLAPICATOR AANGESLOTEN OP HET CIRCUIT. Dit kan het laad-IC beschadigen.

Het laatste circuit is het brugcircuit dat de condensator ontlaadt via twee IGBT's in de belasting / de spoel.

Stap 4: PCB-inspectie

Inspecteer eerst de printplaat op iets ongewoons. Ze worden daadwerkelijk geïnspecteerd en elektrisch getest door de fabrikant, maar het is altijd een goed idee om het nogmaals te controleren voordat u ze in elkaar zet. Ik heb nooit problemen gehad, het is gewoon een gewoonte.

U kunt de Gerber-bestanden hier downloaden:

upload ze naar een PCB-fabrikant zoals OSHPARK. COM of JLCPCB. COM of een ander.

Stap 5: Montage

Download het Excel BOM-bestand en de twee pdf-bestanden voor de locatie van de componenten

Monteer eerst de kleinere PCB die de grote elektrolytische condensator bevat. Let op de juiste polariteit!

De 90 graden headers die deze PCB met de hoofd-PCB verbinden, kunnen aan de boven- of onderkant worden gemonteerd, afhankelijk van uw mechanische assemblage.

Soldeer de headers nog NIET in de hoofdprintplaat, ze zijn moeilijk te verwijderen. Sluit twee korte draden dikker dan AWG20 aan tussen de twee printplaten.

Monteer op de hoofdprint eerst het laad-IC wat het moeilijkste onderdeel is als je er niet aan gewend bent. Monteer vervolgens de kleinere onderdelen. We zullen eerst alle condensatoren en weerstanden installeren. De eenvoudigste methode is om een klein beetje soldeer op één pad te doen en vervolgens het onderdeel met behulp van het pincet eerst op deze pad te solderen. Het maakt niet uit hoe de soldeerverbinding er op dit punt uitziet, dit dient alleen om hem op zijn plaats te bevestigen.

Soldeer vervolgens de andere pad. Gebruik nu vloeibare flux of een fluxpen op de niet zo mooie soldeerverbindingen en doe de verbinding opnieuw. Gebruik de voorbeelden in de video als referentie over hoe een acceptabele soldeerverbinding eruit ziet.

Ga nu verder met de IC's. Bevestig één klem op de printplaat met behulp van de bovengenoemde methode. Soldeer vervolgens ook alle andere pinnen.

Vervolgens installeren we de grotere componenten zoals elektrolytische en filmcondensatoren, trimpot, LED's, Mosfets, diodes, IGBT's en de transformator van het laadcircuit.

Controleer alle soldeerverbindingen dubbel, zorg ervoor dat er geen onderdeel gebroken of gebarsten is, enz.

Stap 6: Opstarten

Let op: Overschrijd de 8V ingangsspanning niet

Als je een oscilloscoop hebt:

Sluit een drukknop (normaal open) aan op de ingangen SW1 en SW2.

Controleer of jumper J1 open is. Sluit bij voorkeur een verstelbare tafelvoeding aan op de batterij-ingang. Als je geen verstelbare benchtop-voeding hebt, zul je direct met batterijen moeten gaan. LED 1 moet knipperen zodra de ingangsspanning hoger is dan ongeveer 5,6 V. Het onderspanningscircuit heeft een grote hysterese, d.w.z. om het circuit in eerste instantie aan te zetten moet de spanning hoger zijn dan 5,6 V, maar het zal het circuit alleen uitschakelen als de ingangsspanning onder ongeveer 4,9 V daalt. Voor de batterijen die in dit voorbeeld worden gebruikt, is dit een irrelevante functie, maar het kan handig zijn als u werkt met batterijen met een hogere interne weerstand en/of gedeeltelijk ontladen.

Meet de spanning van de hoofdhoogspanningscondensator met een geschikte multimeter, deze moet 0V blijven omdat de lader zou moeten worden gedeactiveerd.

Meet met de oscilloscoop de pulsbreedte op pin 3 van U10 bij het indrukken van de drukknop. Het moet instelbaar zijn met trimpot R36 en variëren tussen ongeveer 0,5 ms en 2,7 ms. Er is een vertraging van ongeveer 5 seconden voordat de puls na elke druk op de knop opnieuw kan worden gestart.

Ga naar stap… volledige spanningstest

als je geen oscilloscoop hebt:

Voer dezelfde stappen uit als hierboven maar sla de pulsbreedtemeting over, er valt niets te meten met een multimeter.

Ga naar… volledige spanningstest

Stap 7: Volledige spanningstest

Verwijder de ingangsspanning.

Sluit jumper J1.

Controleer nogmaals de juiste polariteit van de hoogspanningscondensator!

Sluit een multimeter aan die geschikt is voor de verwachte spanning (>525V) op de klemmen van de hoogspanningscondensator.

Sluit een testspoel aan op de uitgangsklemmen Coil1 en Coil2. De spoel met de laagste inductie/weerstand die ik met dit circuit heb gebruikt, was AWG20 500uH/0,5 Ohm. In de video gebruikte ik 1mH 1R.

Zorg ervoor dat er zich geen ferromagnetische materialen in de buurt of in de spoel bevinden.

Draag een veiligheidsbril

Breng batterijspanning aan op de ingangsklemmen.

De lader moet opstarten en de gelijkspanning op de condensator moet snel stijgen.

Het zou moeten stabiliseren op ongeveer 520V. Als het 550V overschrijdt en nog steeds omhoog gaat, schakel dan de ingangsspanning onmiddellijk uit, er zou iets mis zijn met het feedbackgedeelte van het lader-IC. In dit geval moet u alle soldeerverbindingen opnieuw controleren en alle componenten correct installeren.

De LED2 moet nu gaan branden om aan te geven dat de hoofdcondensator volledig is opgeladen.

Druk op de triggerknop, de spanning moet een paar honderd volt dalen, de exacte waarde hangt af van de ingestelde pulsbreedte.

Schakel de ingangsspanning uit.

Alvorens de PCB's te hanteren, moet de condensator worden ontladen

Dit kan ofwel door te wachten tot de spanning tot een veilige waarde daalt (duurt lang) ofwel door deze te ontladen met een vermogensweerstand. Verschillende gloeilampen in serie zullen ook het werk doen, het aantal benodigde gloeilampen hangt af van hun spanningsklasse, twee tot drie voor 220V-lampen, vier tot vijf voor 120V-lampen

Verwijder de draden van de condensatorprintplaat. Om de module te voltooien, kan de condensator nu (of later) rechtstreeks op het moederbord worden gesoldeerd, afhankelijk van het mechanische montageproces. De condensatormodule is moeilijk te verwijderen van de hoofdprintplaat, plan dienovereenkomstig.

Stap 8: Mechanisch

Overwegingen bij mechanische montage

De hoofdprint heeft 6 uitsparingen om hem op een steun te monteren. Er zijn kopersporen min of meer in de buurt van deze sporen. Bij het monteren van de printplaat moet erop worden gelet dat deze sporen niet worden kortgesloten op de schroef. Daarom moeten plastic afstandhouders en plastic ringen worden gebruikt. Ik gebruikte een stuk schroot, een aluminium U-profiel als behuizing. Als u een metalen steun gebruikt, moet deze worden geaard, d.w.z. verbonden met een draad met de minpool van de batterij. Toegankelijke onderdelen (aanraakbare onderdelen) zijn de trigger-schakelaar en de batterij, hun spanningsniveau ligt dicht bij de grond. Als een hoogspanningsknooppunt in contact zou komen met de metalen behuizing, zou het worden kortgesloten naar aarde en is de gebruiker veilig. Afhankelijk van het gewicht van de behuizing en de spoel kan de hele unit behoorlijk frontzwaar zijn, dus de handgreep moet dienovereenkomstig worden geïnstalleerd.

De behuizing kan ook veel mooier gemaakt worden, 3D geprint, geverfd etc, dat is aan jou.

Stap 9: De theorie

Het werkingsprincipe is heel eenvoudig.

De twee IGBT's worden tegelijkertijd geactiveerd voor een periode van enkele honderden tot een paar ms, afhankelijk van de configuratie/afstelling van de monostabiele oscillator U10. Stroom begint zich dan op te bouwen door de spoel. Stroom komt overeen met magnetische veldsterkte en magnetische veldsterkte met de kracht die wordt uitgeoefend op het projectiel in de spoel. Het projectiel begint langzaam te bewegen en net voordat het midden het midden van de spoel bereikt, worden de IGBT's uitgeschakeld. De stroom in de spoel stopt echter niet onmiddellijk, maar vloeit nu door de diodes en weer voor enige tijd terug in de hoofdcondensator. Terwijl de stroom afneemt, is er nog steeds een magnetisch veld in de spoel, dus dit zou tot bijna nul moeten dalen voordat het midden van het projectiel het midden van de spoel bereikt, anders zou er een breekkracht op worden uitgeoefend. Het real-world resultaat komt overeen met de simulatie. De eindstroom voordat de puls wordt uitgeschakeld is 367A (stroomsonde 1000A/4V)

Stap 10: Coilconstructie

De snelheid van 36 m/s werd verkregen met de volgende spoel: 500uH, AWG20, 0,5R, 22 mm lengte, 8 mm binnendiameter. Gebruik een buis die de kleinst mogelijke opening heeft tussen de binnenwand en het projectiel en toch vrije beweging van het projectiel mogelijk maakt. Het moet ook de dunst mogelijke wanden hebben en tegelijkertijd erg stijf zijn. Ik gebruikte een roestvrijstalen buis en er werden geen nadelige effecten opgemerkt. Als u een elektrisch geleidende buis gebruikt, zorg er dan voor dat u deze isoleert met een geschikte tape (ik gebruikte Kapton-tape) voordat u deze opwindt. Het kan nodig zijn om tijdelijk extra eindstukken te monteren tijdens het wikkelen, omdat er tijdens het wikkelen aanzienlijke zijkrachten ontstaan. Ik zou dan aanraden om de wikkelingen te fixeren/beschermen met epoxy. Dit helpt voorkomen dat de wikkelingen beschadigd raken tijdens het hanteren/monteren van de spoel. De hele spoelconstructie moet zo worden uitgevoerd dat de wikkelingen niet kunnen bewegen. Je hebt ook een soort steun nodig om het op de hoofdbehuizing te monteren.

Stap 11: Mogelijke wijzigingen en beperkingen van het circuit

De condensator opgeladen tot 522V bevat 136 joule. De efficiëntie van dit circuit is vrij laag, zoals bij de meeste eenvoudige eentrapsontwerpen die ferromagnetische projectielen versnellen. De maximale spanning wordt beperkt door de maximaal toegestane condensatorspanning van 550 VDC en de maximale VCE-classificatie van de IGBT's. Andere spoelgeometrieën en lagere inductantie-/weerstandswaarden kunnen leiden tot hogere snelheden/efficiënties. De maximale gespecificeerde piekstroom voor deze IGBT is echter 600A. Er zijn andere IGBT's van dezelfde grootte die mogelijk hogere piekstromen kunnen ondersteunen. Als u overweegt de capaciteit of IGBT-grootte te vergroten, moet u in ieder geval rekening houden met de volgende hoofdzaken: Respecteer de maximale stroom die is gespecificeerd in het IGBT-gegevensblad. Ik raad niet aan om de laadspanning te verhogen, er moeten te veel variabelen in overweging worden genomen. Het vergroten van de capaciteit en het gebruik van langere pulsbreedtes voor grotere spoelen zal ook de vermogensdissipatie van de IGBT's vergroten. Ze hebben daarom mogelijk een koellichaam nodig. Ik raad aan om eerst een aangepast circuit te simuleren in SPICE / Multisim of andere simulatiesoftware om te bepalen wat de piekstroom zal zijn.

Veel geluk!

Stap 12: The Coil Gun in actie

Gewoon wat plezier maken met willekeurige dingen…