Coilgun SGP33 - Hướng dẫn lắp ráp và kiểm tra đầy đủ: 12 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:33

Hướng dẫn này mô tả cách lắp ráp thiết bị điện tử của súng cuộn được hiển thị trong video này:

Youtube lắp ráp SGP-33

Ngoài ra còn có một video mà bạn thấy nó hoạt động ở trang cuối cùng của hướng dẫn này. Đây là liên kết.

PCB cho bản demo này do JLCPCB. COM vui lòng cung cấp

Mục tiêu là chế tạo một loại súng cuộn dây một tầng có trọng lượng nhẹ, hiệu suất tốt và sử dụng các bộ phận thường có sẵn với giá cả hợp lý.

Đặc trưng:

- Một giai đoạn, một lần bắn

- Chiều rộng xung kích hoạt cuộn dây có thể điều chỉnh

- Cuộn dây điều khiển IGBT

- Tụ 1000uF / 550V đơn

- Vận tốc cao nhất đạt được 36m / s, sẽ phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính và hình học của cuộn dây và đường đạn

- Thời gian sạc ban đầu khoảng 8s, thời gian sạc lại phụ thuộc vào thời gian xả, trong ví dụ video là 5s

Tổng chi phí cho các bộ phận điện tử chỉ khoảng $ 140 US, không bao gồm dây đồng / thùng cho cuộn dây.

Trong hướng dẫn này, tôi sẽ chỉ mô tả cách lắp ráp PCB.

Tôi cũng sẽ cung cấp tất cả các thông tin khác để tận dụng tối đa mạch này mà không làm hỏng nó.

Tôi sẽ không đưa ra mô tả chi tiết về cụm cơ khí, vì tôi nghĩ nó có thể được cải tiến / sửa đổi. Bạn sẽ cần phải sử dụng trí tưởng tượng của mình cho phần đó.

Bước 1: Cảnh báo

THẬN TRỌNG:

Hãy chắc chắn rằng bạn đọc và hiểu phần này!

Mạch tích điện cho tụ điện một khoảng 525V. Nếu bạn chạm vào các đầu cực của tụ điện như vậy bằng tay không, bạn có thể tự làm mình bị thương nặng. Ngoài ra (điều này ít nguy hiểm hơn nhưng vẫn nên được đề cập), dòng điện cao mà chúng có thể cung cấp có thể tạo ra tia lửa và có thể làm bay hơi các dây dẫn mỏng. Do đó, hãy luôn đeo kính bảo vệ mắt!

Kính an toàn là phải

Tụ điện vẫn giữ điện tích ngay cả khi đã tắt công tắc chính. Nó phải được xả TRƯỚC KHI làm việc trên mạch !!!

Thứ hai, chúng ta sẽ sử dụng năng lượng có trong tụ điện và biến nó thành động năng của đường đạn. Mặc dù vận tốc của quả đạn này thấp, nhưng nó vẫn có thể làm bạn (hoặc người khác) bị thương, do đó hãy sử dụng các quy tắc an toàn tương tự như khi làm việc với các công cụ điện hoặc làm bất kỳ công việc cơ khí nào khác.

Vì vậy, ĐỪNG BAO GIỜ chỉ điểm này vào một người khi nó được tải và sạc, hãy sử dụng cách hiểu thông thường.

Bước 2: Công cụ và yêu cầu nơi làm việc

Những kỹ năng cần thiết:

Nếu bạn là người hoàn toàn mới về điện tử thì dự án này không dành cho bạn. Các kỹ năng sau là cần thiết:

- Có thể hàn các thiết bị gắn trên bề mặt bao gồm IC, tụ điện và điện trở

- Có thể sử dụng đồng hồ vạn năng

Công cụ cần thiết (tối thiểu):

- Mỏ hàn đầu nhọn / đầu lớn

- Dây hàn

- Flux lỏng hoặc bút thông lượng

- Bím tóc rũ rượi

- Kính lúp để kiểm tra mối hàn hoặc kính hiển vi

- Nhíp tốt

- Đồng hồ vạn năng để đo điện áp liên kết DC (525VDC)

Các công cụ được đề xuất (tùy chọn)

- Nguồn điện có thể điều chỉnh

- Máy hiện sóng

- Trạm khử khí nóng

Chuẩn bị nơi làm việc và các khuyến nghị làm việc chung:

- Sử dụng bàn sạch, tốt nhất không dùng bàn nhựa (để tránh các vấn đề về điện tích)

- Không sử dụng quần áo dễ tạo ra / tích tụ điện tích, (đó là thứ tạo ra tia lửa khi bạn cởi bỏ nó)

- Vì hầu như không ai có nơi làm việc an toàn ESD ở nhà, tôi khuyên bạn nên thực hiện lắp ráp trong một bước, tức là không mang theo các thành phần nhạy cảm (tất cả các chất bán dẫn khi bạn lấy chúng ra khỏi bao bì). Đặt tất cả các thành phần trên bàn sau đó bắt đầu.

- Một số linh kiện khá nhỏ, như điện trở và tụ điện trong gói 0603, chúng có thể dễ bị thất lạc, chỉ lấy ra từng linh kiện một từ bao bì của chúng

- IC sạc trong gói TSSOP20 là phần khó hàn nhất, nó có cao độ 0,65mm (khoảng cách giữa các chân), vẫn còn xa so với tiêu chuẩn ngành nhỏ nhất nhưng nó có thể khó đối với những người ít kinh nghiệm. Nếu bạn không chắc chắn, tôi khuyên bạn nên luyện hàn trước trên một thứ khác thay vì loại bỏ PCB của bạn

Một lần nữa, toàn bộ quá trình lắp ráp PCB được hiển thị trong video được đề cập ở trang đầu tiên của hướng dẫn này

Bước 3: Sơ đồ

Trong phần này tôi sẽ giới thiệu tổng quan về mạch. Hãy đọc kỹ, điều này sẽ giúp bạn tránh bị hỏng bo mạch mà bạn vừa lắp ráp.

Ở bên trái pin sẽ được kết nối. Đảm bảo rằng nó thấp hơn 8V trong mọi điều kiện, nếu không mạch bộ sạc có thể bị hỏng!

Pin tôi đã sử dụng là 3,7V nhưng sẽ có điện áp cao hơn 4V khi tải rất nhẹ, do đó chúng sẽ cung cấp điện áp cao hơn 8V cho bộ sạc trước khi nó khởi động. Không mạo hiểm, có hai điốt schottky mắc nối tiếp với pin để giảm điện áp xuống dưới 8V. Chúng cũng đóng vai trò như một biện pháp bảo vệ chống lại pin bị đảo ngược. Cũng sử dụng cầu chì từ 3 đến 5A mắc nối tiếp, đây có thể là cầu chì điện áp thấp như cầu chì sử dụng trên xe. Để tránh tiêu hao pin khi súng không được sử dụng, tôi khuyên bạn nên kết nối công tắc nguồn chính.

Điện áp pin tại các cực đầu vào PCB phải luôn trong khoảng từ 5V đến 8V để mạch hoạt động bình thường.

Phần điều khiển chứa một bảo vệ điện áp thấp và 3 mạch hẹn giờ. IC hẹn giờ U11 có LED1 nhấp nháy báo hiệu lệnh bật mạch sạc đang hoạt động. IC định thời U10 xác định độ rộng xung đầu ra. Độ rộng xung có thể được điều chỉnh bằng chiết áp R36. Với các giá trị R8 và C4 / C6 theo BOM, phạm vi là: 510us đến 2.7ms. Nếu bạn yêu cầu độ rộng xung ngoài phạm vi này, các giá trị này có thể được điều chỉnh theo ý muốn.

Jumper J1 có thể được mở để thử nghiệm ban đầu. Lệnh để kích hoạt mạch bộ sạc đi qua jumper đó (logic tích cực, tức là 0V = bộ sạc bị vô hiệu hóa; VBAT = bộ sạc được kích hoạt).

Phần giữa phía trên chứa mạch sạc tụ điện. Giới hạn dòng điện đỉnh của máy biến áp là 10A, dòng điện này được cấu hình với điện trở cảm nhận dòng điện R21 và không được tăng lên nếu không bạn có thể gặp rủi ro bão hòa lõi máy biến áp. Đỉnh 10A dẫn đến dòng điện trung bình trên 3A một chút từ pin, điều này có thể chấp nhận được đối với pin tôi đã sử dụng. Nếu bạn muốn sử dụng pin khác không thể cung cấp dòng điện đó, bạn sẽ cần phải tăng giá trị của điện trở R21. (tăng giá trị của điện trở R21 để giảm dòng điện đỉnh máy biến áp và do đó là dòng điện trung bình từ pin)

Điện áp đầu ra của tụ điện chính được đo bằng bộ so sánh. Nó kích hoạt LED2 khi điện áp trên khoảng 500V và tắt bộ sạc khi điện áp trên 550V trong trường hợp quá áp (điều đó thực sự không bao giờ xảy ra).

KHÔNG BAO GIỜ ĐƯỢC NẠP SẠC KHI KHÔNG CÓ VỐN CHÍNH ĐƯỢC KẾT NỐI VỚI MẠCH. Điều này có thể làm hỏng IC sạc.

Mạch cuối cùng là mạch cầu phóng tụ qua hai IGBT vào tải / cuộn dây.

Bước 4: Kiểm tra PCB

Đầu tiên hãy kiểm tra PCB xem có gì bất thường không. Chúng được kiểm tra thực tế và kiểm tra điện từ nhà sản xuất nhưng bạn nên kiểm tra kỹ trước khi lắp ráp. Tôi chưa bao giờ gặp vấn đề gì, đó chỉ là một thói quen.

Bạn có thể tải xuống các tệp Gerber tại đây:

tải chúng lên nhà sản xuất PCB như OSHPARK. COM hoặc JLCPCB. COM hoặc bất kỳ nhà sản xuất nào khác.

Bước 5: Lắp ráp

Tải xuống tệp Excel BOM và hai tệp pdf cho vị trí thành phần

Đầu tiên lắp ráp PCB nhỏ hơn chứa tụ điện lớn. Chú ý đến đúng cực!

Các tiêu đề 90 độ sẽ kết nối PCB này với PCB chính có thể được gắn ở mặt trên hoặc mặt dưới tùy thuộc vào việc lắp ráp cơ khí của bạn.

KHÔNG hàn các tiêu đề vào PCB chính, chúng rất khó tháo ra. Kết nối hai dây ngắn dày hơn AWG20 giữa hai PCB.

Trên main PCB đầu tiên lắp ráp IC sạc là phần khó nhất nếu bạn chưa quen. Sau đó lắp ráp các thành phần nhỏ hơn. Đầu tiên chúng tôi sẽ cài đặt tất cả các tụ điện và điện trở. Phương pháp đơn giản nhất là đặt một ít thuốc hàn lên một miếng đệm, sau đó hàn linh kiện với sự trợ giúp của nhíp trên miếng đệm này trước. Tại thời điểm này không quan trọng mối hàn trông như thế nào, điều này chỉ phục vụ cho việc sửa chữa nó tại chỗ.

Sau đó hàn miếng đệm kia. Bây giờ sử dụng chất lỏng hoặc bút thông lượng trên các mối nối hàn không đẹp và làm lại mối nối. Sử dụng các ví dụ trong video làm tài liệu tham khảo về cách mối hàn được chấp nhận trông như thế nào.

Bây giờ chuyển sang các vi mạch. Sửa một thiết bị đầu cuối trên PCB bằng phương pháp đã đề cập ở trên. Sau đó, hàn tất cả các chân khác.

Tiếp theo, chúng ta sẽ lắp đặt các thành phần lớn hơn như tụ điện và tụ phim, trimpot, đèn LED, Mosfet, điốt, IGBT và biến áp của mạch sạc.

Kiểm tra kỹ tất cả các mối nối hàn, đảm bảo không có thành phần nào bị hỏng hoặc nứt, v.v.

Bước 6: Khởi động

Thận trọng: Không được vượt quá điện áp đầu vào 8V

Nếu bạn có một máy hiện sóng:

Kết nối nút nhấn (thường mở) với đầu vào SW1 và SW2.

Xác minh rằng jumper J1 đang mở. Lý tưởng nhất là kết nối nguồn điện để bàn có thể điều chỉnh được với đầu vào pin. Nếu bạn không có nguồn điện để bàn có thể điều chỉnh được, bạn sẽ phải sử dụng pin trực tiếp. Đèn LED 1 sẽ nhấp nháy ngay khi điện áp đầu vào cao hơn khoảng 5,6V. Mạch hạ áp có độ trễ lớn, tức là để bật mạch lúc đầu điện áp cần cao hơn 5,6V nhưng nó chỉ tắt mạch khi điện áp đầu vào giảm xuống dưới khoảng 4,9V. Đối với pin được sử dụng trong ví dụ này, đây là một tính năng không liên quan nhưng có thể hữu ích nếu làm việc với pin có điện trở bên trong cao hơn và / hoặc bị phóng điện một phần.

Đo điện áp của tụ điện cao áp chính bằng đồng hồ vạn năng thích hợp, điện áp này phải duy trì ở mức 0V vì bộ sạc được cho là đã ngừng hoạt động.

Với máy hiện sóng, đo độ rộng xung tại chân 3 của U10 khi nhấn nút nhấn. Nó phải được điều chỉnh với trimpot R36 và thay đổi trong khoảng 0,5ms đến 2,7ms. Có độ trễ khoảng 5s trước khi xung có thể được khởi động lại sau mỗi lần nhấn nút.

Chuyển đến bước… kiểm tra điện áp đầy đủ

nếu bạn không có máy hiện sóng:

Làm các bước tương tự như trên nhưng bỏ qua phần đo độ rộng xung thì không có gì phải đo bằng đồng hồ vạn năng.

Đi tới … kiểm tra điện áp đầy đủ

Bước 7: Kiểm tra toàn bộ điện áp

Loại bỏ điện áp đầu vào.

Đóng Jumper J1.

Kiểm tra lại đúng cực của tụ điện cao áp!

Nối một đồng hồ vạn năng định mức cho điện áp dự kiến (> 525V) với các đầu nối của tụ điện cao áp.

Kết nối cuộn dây thử nghiệm với các cực đầu ra Coil1 và Coil2. Cuộn dây điện cảm / điện trở thấp nhất mà tôi sử dụng với mạch này là AWG20 500uH / 0,5 Ohm. Trong video tôi đã sử dụng 1mH 1R.

Đảm bảo không có vật liệu sắt từ gần hoặc bên trong cuộn dây.

Đeo kính bảo hộ

Áp dụng điện áp pin cho các thiết bị đầu cuối đầu vào.

Bộ sạc sẽ khởi động và điện áp DC trên tụ điện sẽ nhanh chóng tăng lên.

Nó sẽ ổn định ở khoảng 520V. Nếu vượt quá 550V mà vẫn tăng, hãy tắt điện áp đầu vào ngay lập tức, sẽ có vấn đề gì xảy ra với phần phản hồi của IC sạc. Trong trường hợp này, bạn sẽ cần phải kiểm tra lại tất cả các mối hàn và lắp đặt chính xác tất cả các thành phần.

Đèn LED2 bây giờ sẽ sáng cho biết rằng tụ điện chính đã được sạc đầy.

Nhấn nút kích hoạt, điện áp sẽ giảm vài trăm vôn, giá trị chính xác sẽ phụ thuộc vào độ rộng xung điều chỉnh.

Tắt điện áp đầu vào.

Trước khi xử lý PCB, tụ điện cần được xả

Điều này có thể được thực hiện bằng cách đợi cho đến khi điện áp giảm xuống giá trị an toàn (mất nhiều thời gian) hoặc bằng cách phóng điện bằng điện trở nguồn. Một số bóng đèn sợi đốt mắc nối tiếp cũng sẽ thực hiện công việc, số lượng bóng đèn cần thiết sẽ phụ thuộc vào định mức điện áp của chúng, hai đến ba đối với đèn 220V, bốn đến năm đối với đèn 120V

Tháo các dây ra khỏi tụ điện PCB. Để hoàn thành mô-đun, tụ điện bây giờ (hoặc sau này) có thể được hàn trực tiếp vào bo mạch chính tùy thuộc vào quá trình lắp ráp cơ khí. Rất khó để loại bỏ mô-đun tụ điện khỏi PCB chính, hãy lên kế hoạch cho phù hợp.

Bước 8: Cơ khí

Cân nhắc lắp đặt cơ khí

PCB chính có 6 vết cắt để gắn nó vào một giá đỡ. Gần những dấu vết này đều có dấu vết đồng. Khi lắp PCB phải cẩn thận để không làm ngắn các vết này vào vít. Do đó cần sử dụng miếng đệm bằng nhựa và miếng đệm bằng nhựa. Tôi đã sử dụng một mảnh kim loại phế liệu, một thanh nhôm chữ U làm vỏ. Nếu sử dụng giá đỡ bằng kim loại, nó phải được nối đất, tức là được nối bằng dây với cực trừ của pin. Các bộ phận có thể tiếp cận (bộ phận có thể chạm vào) là công tắc kích hoạt và pin, mức điện áp của chúng ở gần mặt đất. Nếu bất kỳ nút điện áp cao nào tiếp xúc với vỏ kim loại, nút đó sẽ được nối đất và người sử dụng được an toàn. Tùy thuộc vào trọng lượng của vỏ và cuộn dây mà toàn bộ thiết bị có thể khá nặng về phía trước, do đó, tay cầm cần được lắp đặt cho phù hợp.

Vỏ cũng có thể được làm đẹp hơn nhiều, in 3D, sơn, v.v., tùy thuộc vào bạn.

Bước 9: Lý thuyết

Nguyên lý làm việc rất đơn giản.

Hai IGBT được kích hoạt cùng lúc trong một khoảng thời gian kéo dài từ vài trăm us đến vài mili giây tùy thuộc vào cấu hình / điều chỉnh của bộ dao động ổn định U10. Sau đó dòng điện bắt đầu tích tụ qua cuộn dây. Dòng điện tương ứng với cường độ từ trường và cường độ từ trường với lực tác dụng lên viên đạn bên trong cuộn dây. Đạn bắt đầu di chuyển chậm và ngay trước khi 'giữa của nó chạm đến giữa cuộn dây, các IGBT bị tắt. Mặc dù vậy, dòng điện bên trong cuộn dây không ngừng ngay lập tức mà bây giờ chảy qua các điốt và trở lại tụ điện chính trong một thời gian. Trong khi dòng điện phân rã vẫn có từ trường bên trong cuộn dây, do đó, từ trường này sẽ giảm xuống gần bằng không trước khi giữa đường đạn chạm đến giữa cuộn dây, nếu không sẽ có lực phá vỡ tác dụng lên nó. Kết quả trong thế giới thực tương ứng với mô phỏng. Dòng cuối trước khi tắt xung là 367A (đầu dò dòng 1000A / 4V)

Bước 10: Thi công cuộn dây

Người ta thu được vận tốc 36m / s với cuộn dây sau: 500uH, AWG20, 0,5R, chiều dài 22mm, đường kính trong 8mm. Sử dụng một ống có khe hở nhỏ nhất có thể giữa thành trong và đường đạn mà vẫn cho phép đường đạn di chuyển tự do. Nó cũng phải có các bức tường mỏng nhất có thể trong khi rất cứng. Tôi đã sử dụng một ống thép không gỉ và không có tác dụng bất lợi nào được nhận thấy. Nếu sử dụng ống dẫn điện, hãy đảm bảo cách điện nó bằng băng keo thích hợp (tôi đã sử dụng băng Kapton) trước khi cuộn dây. Bạn có thể cần tạm thời gắn các miếng cuối bổ sung trong khi cuộn dây, vì các lực bên đáng kể phát triển trong quá trình cuộn dây. Sau đó, tôi khuyên bạn nên sửa chữa / bảo vệ các cuộn dây bằng epoxy. Điều này sẽ giúp tránh các cuộn dây bị hỏng trong khi xử lý / lắp ráp cuộn dây. Việc lắp ráp toàn bộ cuộn dây nên được thực hiện theo cách mà các cuộn dây không thể di chuyển. Bạn cũng cần một số loại hỗ trợ để gắn nó vào vỏ chính.

Bước 11: Các sửa đổi và hạn chế có thể có của mạch

Tụ điện được tích điện đến 522V chứa 136 Joules. Hiệu suất của mạch này khá thấp, giống như hầu hết các thiết kế một giai đoạn đơn giản để tăng tốc đường đạn sắt từ. Điện áp tối đa được giới hạn bởi điện áp tụ điện tối đa cho phép là 550VDC và định mức VCE tối đa của IGBT. Các hình dạng cuộn dây khác và giá trị điện trở / điện trở thấp hơn có thể dẫn đến vận tốc / hiệu suất cao hơn. Tuy nhiên, dòng điện đỉnh được chỉ định tối đa cho IGBT này là 600A. Có những IGBT khác có cùng kích thước có thể hỗ trợ dòng tăng cao hơn. Trong mọi trường hợp, nếu bạn dự tính tăng điện dung hoặc kích thước IGBT, hãy đảm bảo bạn xem xét các vấn đề chính sau: Tôn trọng dòng điện tối đa được chỉ định trong biểu dữ liệu IGBT. Tôi không khuyên bạn nên tăng điện áp bộ sạc, quá nhiều biến số cần được xem xét. Việc tăng điện dung và sử dụng độ rộng xung dài hơn cho các cuộn dây lớn hơn cũng sẽ làm tăng khả năng tiêu tán công suất của các IGBT. Do đó, chúng có thể cần một bộ tản nhiệt. Tôi khuyên bạn nên mô phỏng một mạch đã sửa đổi trước trong SPICE / Multisim hoặc phần mềm mô phỏng khác để xác định dòng điện đỉnh sẽ là bao nhiêu.

Chúc may mắn!

Bước 12: Súng cuộn hoạt động

Chỉ cần có một số thú vị khi chụp những thứ ngẫu nhiên…