Coilgun SGP33 - Instrucciones de prueba y montaje completo: 12 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Este tutorial describe cómo ensamblar la electrónica de la pistola de bobina que se muestra en este video:

Montaje SGP-33 Youtube

También hay un video donde lo ves en acción en la última página de este tutorial. Aqui esta el link.

Los PCB para esta demostración fueron amablemente proporcionados por JLCPCB. COM

El objetivo era construir una pistola de bobina de una sola etapa que sea liviana, tenga un buen rendimiento y use piezas comúnmente disponibles a un precio razonable.

Características:

- Etapa única, disparo único

- Ancho de pulso de activación de bobina ajustable

- Bobina impulsada por IGBT

- Condensador individual 1000uF / 550V

- La velocidad más alta obtenida de 36 m / s, dependerá en gran medida de las propiedades y geometría de la bobina y el proyectil

- El tiempo de carga inicial es de aproximadamente 8 s, el tiempo de recarga depende del tiempo de descarga, en el ejemplo del video es de 5 s

El costo total de las partes electrónicas solo es de aproximadamente $ 140 USD, excluyendo el alambre / barril de cobre para la bobina.

En este tutorial solo describiré cómo ensamblar la PCB.

También te facilitaré toda la información para sacarle el máximo partido a este circuito sin explotarlo.

No daré una descripción detallada del conjunto mecánico, ya que creo que podría mejorarse / modificarse. Necesitará usar su imaginación para esa parte.

Paso 1: ¡Advertencia

PRECAUCIÓN:

¡Asegúrese de leer y comprender esta sección!

El circuito carga un capacitor a aproximadamente 525V. Si toca los terminales de dicho condensador con las manos desnudas, puede lesionarse gravemente. Además (esto es menos peligroso, pero debe mencionarse de todos modos), la alta corriente que pueden proporcionar puede crear chispas y evaporar cables delgados. Por lo tanto, utilice siempre protección para los ojos.

¡Las gafas de seguridad son imprescindibles

El condensador retiene la carga incluso después de apagar el interruptor principal. ¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡¡!!!

En segundo lugar, utilizaremos la energía contenida en el condensador y la transformaremos en energía cinética de un proyectil. Aunque la velocidad de este proyectil es baja, aún podría lastimarlo a usted (oa otra persona), por lo tanto, use las mismas reglas de seguridad que cuando trabaja con herramientas eléctricas o realiza cualquier otro trabajo mecánico.

Así que NUNCA apunte esto a una persona cuando esté cargado y cargado, use el sentido común.

Paso 2: Herramientas y requisitos del lugar de trabajo

Habilidades necesarias:

Si eres completamente nuevo en la electrónica, este proyecto no es para ti. Se necesitan las siguientes habilidades:

- Capaz de soldar dispositivos de montaje en superficie, incluidos circuitos integrados, condensadores y resistencias

- Capaz de usar un multímetro

Herramientas necesarias (el mínimo):

- Soldador de punta fina / punta grande

- Alambre de soldar

- Liquid Flux o bolígrafo flux

- Trenza desoldadora

- Lupa para inspeccionar uniones soldadas o un microscopio

- pinzas finas

- Multímetro para medir la tensión del enlace CC (525 V CC)

Herramientas recomendadas (opcional)

- Fuente de alimentación ajustable

- osciloscopio

- Estación desoldadora de aire caliente

Preparación del puesto de trabajo y recomendaciones generales de trabajo:

- Utilice una mesa limpia, preferiblemente que no sea de plástico (para evitar problemas con la carga estática)

- No use ropa que crea / acumula carga fácilmente (esa es la que crea chispas cuando se la quita)

- Dado que casi nadie tiene un lugar de trabajo seguro contra ESD en casa, recomiendo hacer el montaje en un solo paso, es decir, no llevar componentes sensibles (todos los semiconductores una vez que los saque del embalaje). Coloque todos los componentes sobre la mesa y luego comience.

- Algunos componentes son bastante pequeños, como resistencias y condensadores en paquetes 0603, se pueden perder fácilmente, solo se sacan uno a la vez de su empaque

- El cargador IC en un paquete TSSOP20 es la parte más difícil de soldar, tiene un paso de 0.65 mm (distancia entre pines) que aún está lejos de ser el estándar industrial más pequeño, pero podría ser difícil para alguien con menos experiencia. Si no está seguro, le recomiendo que entrene primero a soldar en otra cosa en lugar de desechar su PCB

Nuevamente, todo el proceso de ensamblaje de la PCB se muestra en el video mencionado en la primera página de este tutorial.

Paso 3: diagrama

En esta sección daré una descripción general del circuito. Léalo atentamente, esto le ayudará a evitar daños en la placa que acaba de montar.

A la izquierda se conectará la batería. ¡Asegúrese de que sea inferior a 8 V en todas las condiciones o el circuito del cargador podría dañarse!

Las baterías que utilicé son de 3,7 V pero tendrán un voltaje superior a 4 V cuando estén bajo una carga muy ligera, por lo que darían un voltaje superior a 8 V al cargador antes de que se encienda. Sin correr ningún riesgo, hay dos diodos Schottky en serie con la batería para reducir el voltaje por debajo de los 8V. También sirven como protección contra baterías invertidas. También use un fusible de 3 a 5A en serie, este puede ser un fusible de bajo voltaje como los que se usan en los vehículos. Para evitar agotar la batería cuando la pistola no está en uso, recomiendo conectar un interruptor de alimentación principal.

El voltaje de la batería en los terminales de entrada de la PCB debe estar entre 5 V y 8 V en todo momento para que el circuito funcione correctamente.

La sección de control contiene una protección de subtensión y 3 circuitos temporizadores. El temporizador IC U11 con LED1 parpadeando indica que el comando para encender el circuito del cargador está activo. El temporizador IC U10 determina el ancho del pulso de salida. El ancho de pulso se puede ajustar con el potenciómetro R36. Con los valores R8 y C4 / C6 según la lista de materiales, el rango es: 510us a 2.7ms. Si necesita anchos de pulso fuera de este rango, estos valores se pueden ajustar como desee.

El puente J1 se puede abrir para la prueba inicial. El comando para habilitar el circuito del cargador pasa por ese puente (lógica positiva, es decir, 0V = cargador desactivado; VBAT = cargador activado).

La sección media superior contiene el circuito del cargador del condensador. El límite de corriente máxima del transformador es 10A, esta corriente está configurada con la resistencia de detección de corriente R21 y no debe aumentarse o puede arriesgarse a saturar el núcleo del transformador. El pico de 10 A conduce a un poco más de 3 A de corriente promedio de la batería, lo cual está bien para las baterías que utilicé. Si desea utilizar otras baterías que no pueden proporcionar esa corriente, deberá aumentar el valor de la resistencia R21. (aumente el valor de la resistencia R21 para disminuir la corriente máxima del transformador y, en consecuencia, la corriente promedio de la batería)

El voltaje de salida del condensador principal se mide con un comparador. Activa el LED2 cuando el voltaje está por encima de aproximadamente 500 V y desactiva el cargador cuando el voltaje está por encima de 550 V en un evento de sobretensión (que en realidad nunca debería suceder).

NUNCA ENCIENDA EL CARGADOR SIN EL CONDENSADOR PRINCIPAL CONECTADO AL CIRCUITO. Esto podría dañar el CI del cargador.

El último circuito es el circuito puente que descarga el condensador a través de dos IGBT en la carga / bobina.

Paso 4: inspección de PCB

Primero inspeccione la PCB para ver si hay algo inusual. Vienen realmente inspeccionados y probados eléctricamente por el fabricante, pero siempre es una buena idea verificar dos veces antes de ensamblar. Nunca tuve ningún problema, es solo un hábito.

Puede descargar los archivos Gerber aquí:

cárguelos a un fabricante de PCB como OSHPARK. COM o JLCPCB. COM o cualquier otro.

Paso 5: Montaje

Descargue el archivo BOM de Excel y los dos archivos pdf para la ubicación del componente

Primero ensamble la PCB más pequeña que contiene el condensador electrolítico grande. ¡Preste atención a la polaridad correcta!

Los encabezados de 90 grados que conectarán esta PCB a la PCB principal se pueden montar en la parte superior o inferior, dependiendo de su ensamblaje mecánico.

NO suelde todavía los cabezales en el PCB principal, son difíciles de quitar. Conecte dos cables cortos más gruesos que AWG20 entre los dos PCB.

En el PCB principal, monte primero el IC del cargador, que es la parte más difícil si no está acostumbrado. Luego ensamble los componentes más pequeños. Primero instalaremos todos los condensadores y resistencias. El método más fácil es poner un poco de soldadura en una almohadilla, luego soldar el componente con la ayuda de las pinzas en esta almohadilla primero. No importa cómo se vea la junta de soldadura en este punto, esto solo sirve para fijarla en su lugar.

Luego suelde la otra almohadilla. Ahora use fundente líquido o un bolígrafo de fundente en las uniones de soldadura que no se ven tan bien y vuelva a hacer la unión. Utilice los ejemplos del video como referencia sobre cómo se ve una junta de soldadura aceptable.

Ahora pase a los circuitos integrados. Fije un terminal en la PCB utilizando el método mencionado anteriormente. Luego suelde también todos los demás pines.

A continuación, instalaremos los componentes más grandes como condensadores electrolíticos y de película, trimpot, LED, Mosfets, diodos, IGBT y el transformador del circuito del cargador.

Verifique todas las juntas de soldadura, asegúrese de que ningún componente esté roto o agrietado, etc.

Paso 6: puesta en marcha

Precaución: ¡No exceda el voltaje de entrada de 8V

Si tiene un osciloscopio:

Conecte un pulsador (normalmente abierto) a las entradas SW1 y SW2.

Verifique que el puente J1 esté abierto. Lo ideal es conectar una fuente de alimentación de mesa ajustable a la entrada de la batería. Si no tiene una fuente de alimentación de sobremesa ajustable, tendrá que ir directamente con baterías. El LED 1 debería parpadear tan pronto como el voltaje de entrada sea superior a aproximadamente 5,6 V. El circuito de bajo voltaje tiene una histéresis grande, es decir, para encender el circuito inicialmente, el voltaje debe ser superior a 5,6 V, pero solo apagará el circuito cuando el voltaje de entrada caiga por debajo de aproximadamente 4,9 V. Para las baterías utilizadas en este ejemplo, esta es una característica irrelevante, pero podría ser útil si se trabaja con baterías que tienen una mayor resistencia interna y / o están parcialmente descargadas.

Mida el voltaje del condensador principal de alto voltaje con un multímetro adecuado, debe permanecer en 0 V porque se supone que el cargador está desactivado.

Con el osciloscopio, mida el ancho de pulso en el pin 3 de U10 al presionar el botón. Debería ser ajustable con trimpot R36 y variar entre 0,5 ms y 2,7 ms. Hay un retraso de aproximadamente 5 segundos antes de que se pueda reiniciar el pulso después de presionar cada botón.

Vaya al paso … prueba de voltaje completo

si no tiene un osciloscopio:

Siga los mismos pasos que antes, pero omita la medición del ancho de pulso, no hay nada que medir con un multímetro.

Ir a … prueba de voltaje completo

Paso 7: prueba de voltaje completo

Quite el voltaje de entrada.

Cierre el puente J1.

¡Verifique dos veces la polaridad correcta del capacitor de alto voltaje!

Conecte un multímetro clasificado para el voltaje esperado (> 525V) a los terminales del capacitor de alto voltaje.

Conecte una bobina de prueba a los terminales de salida Coil1 y Coil2. La bobina de inductancia / resistencia más baja que usé con este circuito fue AWG20 500uH / 0.5 Ohm. En el video usé 1mH 1R.

Asegúrese de que no haya materiales ferromagnéticos cerca o dentro de la bobina.

Use anteojos de seguridad

Aplique voltaje de la batería a los terminales de entrada.

El cargador debe iniciarse y el voltaje de CC en el capacitor debe aumentar rápidamente.

Debería estabilizarse a unos 520V. Si excede los 550 V y aún aumenta, apague el voltaje de entrada inmediatamente, algo estaría mal con la parte de retroalimentación del IC del cargador. En este caso, deberá volver a verificar todas las uniones soldadas y la instalación correcta de todos los componentes.

El LED2 ahora debería estar encendido para indicar que el condensador principal está completamente cargado.

Presione el botón disparador, el voltaje debe caer unos cientos de voltios, el valor exacto dependerá del ancho de pulso ajustado.

Apague el voltaje de entrada.

Antes de manipular los PCB, es necesario descargar el condensador

Esto se puede hacer esperando hasta que el voltaje caiga a un valor seguro (toma mucho tiempo) o descargándolo con una resistencia de potencia. Varias bombillas incandescentes en serie también funcionarán, la cantidad de bombillas necesarias dependerá de su voltaje nominal, de dos a tres para lámparas de 220V, de cuatro a cinco para lámparas de 120V

Retire los cables de la PCB del condensador. Para completar el módulo, el condensador ahora (o más tarde) se puede soldar directamente a la placa principal dependiendo del proceso de ensamblaje mecánico. El módulo de condensador es difícil de quitar de la PCB principal, planifique en consecuencia.

Paso 8: Mecánico

Consideraciones de montaje mecánico

El PCB principal tiene 6 recortes para montarlo en un soporte. Hay rastros de cobre más o menos cerca de estos rastros. Al montar la placa de circuito impreso, se debe tener cuidado de no cortocircuitar estas trazas con el tornillo. Por lo tanto, es necesario utilizar espaciadores de plástico y arandelas de plástico. Usé una pieza de chatarra, un perfil en U de aluminio como carcasa. Si utiliza un soporte metálico, debe estar conectado a tierra, es decir, conectado con un cable al polo negativo de la batería. Las partes accesibles (partes que se pueden tocar) son el interruptor de gatillo y la batería, su nivel de voltaje está cerca de tierra. Si cualquier nodo de alto voltaje entrara en contacto con la carcasa de metal, se produciría un cortocircuito a tierra y el usuario estaría seguro. Dependiendo del peso de la carcasa y la bobina, toda la unidad puede ser bastante pesada en la parte delantera, por lo que la empuñadura debe instalarse en consecuencia.

La carcasa también podría ser mucho más bonita, impresa en 3D, pintada, etc., eso depende de usted.

Paso 9: la teoría

El principio de funcionamiento es muy sencillo.

Los dos IGBT se activan al mismo tiempo durante un período de tiempo que dura desde unos cientos de nosotros hasta un par de ms, dependiendo de la configuración / ajuste del oscilador monoestable U10. Entonces, la corriente comienza a acumularse a través de la bobina. La corriente corresponde a la fuerza del campo magnético y la fuerza del campo magnético a la fuerza ejercida sobre el proyectil dentro de la bobina. El proyectil comienza a moverse lentamente y justo antes de que su centro alcance la mitad de la bobina, los IGBT se apagan. Sin embargo, la corriente dentro de la bobina no cesa instantáneamente, sino que ahora fluye a través de los diodos y regresa al condensador principal durante algún tiempo. Mientras que la corriente decae, todavía hay un campo magnético dentro de la bobina, por lo que debería caer a casi cero antes de que la mitad del proyectil alcance la mitad de la bobina, de lo contrario se ejercería una fuerza de rotura sobre ella. El resultado del mundo real corresponde a la simulación. La corriente final antes de apagar el pulso es 367A (sonda de corriente 1000A / 4V)

Paso 10: Construcción de la bobina

La velocidad de 36 m / s se obtuvo con la siguiente bobina: 500uH, AWG20, 0.5R, 22 mm de longitud, 8 mm de diámetro interno. Utilice un tubo que tenga el espacio más pequeño posible entre la pared interior y el proyectil y aún permita el libre movimiento del proyectil. También debe tener las paredes más delgadas posibles y al mismo tiempo ser muy rígido. Utilicé un tubo de acero inoxidable y no se notaron efectos perjudiciales. Si usa un tubo conductor de electricidad, asegúrese de aislarlo con una cinta adecuada (usé cinta Kapton) antes de enrollarlo. Es posible que deba montar temporalmente piezas de extremo adicionales durante el bobinado, ya que se desarrollan fuerzas laterales considerables durante el proceso de bobinado. Entonces recomendaría arreglar / proteger los devanados con epoxi. Esto ayudará a evitar que los devanados se dañen al manipular / ensamblar la bobina. Todo el ensamblaje de la bobina debe realizarse de manera que los devanados no se puedan mover. También necesita algún tipo de soporte para montarlo en la carcasa principal.

Paso 11: Posibles modificaciones y limitaciones del circuito

El condensador cargado a 522 V contiene 136 julios. La eficiencia de este circuito es bastante baja, como ocurre con la mayoría de los diseños simples de una sola etapa que aceleran los proyectiles ferromagnéticos. El voltaje máximo está limitado por el voltaje máximo permitido del capacitor de 550 VCC y la clasificación máxima de VCE de los IGBT. Otras geometrías de bobina y valores de inductancia / resistencia más bajos pueden conducir a velocidades / eficiencias más altas. Sin embargo, la corriente pico máxima especificada para este IGBT es 600A. Hay otros IGBT del mismo tamaño que podrían soportar corrientes de sobretensión más altas. En cualquier caso, si contempla aumentar la capacitancia o el tamaño de IGBT, asegúrese de considerar los siguientes aspectos principales: Respete la corriente máxima especificada en la hoja de datos de IGBT. No recomiendo aumentar el voltaje del cargador, se deben considerar demasiadas variables. El aumento de la capacitancia y el uso de anchos de pulso más largos para bobinas más grandes también aumentará la disipación de potencia de los IGBT. Por lo tanto, es posible que necesiten un disipador de calor. Recomiendo simular un circuito modificado primero en SPICE / Multisim u otro software de simulación para determinar cuál será la corriente máxima.

¡Buena suerte!

Paso 12: La pistola de bobina en acción

Simplemente divirtiéndome disparando al azar …