Coilgun SGP33 - Perakitan Penuh dan Petunjuk Pengujian: 12 Langkah

2024 Pengarang: John Day | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-30 09:56

Tutorial ini menjelaskan cara merakit elektronik pistol koil yang ditunjukkan dalam video ini:

Perakitan SGP-33 Youtube

Ada juga video di mana Anda melihatnya beraksi di halaman terakhir tutorial ini. Ini tautannya.

PCB untuk demo ini disediakan oleh JLCPCB. COM

Tujuannya adalah untuk membuat pistol koil satu tahap yang ringan, memiliki kinerja yang baik dan menggunakan suku cadang yang tersedia secara umum dengan harga yang wajar.

Fitur:

- Satu panggung, satu tembakan

- Lebar pulsa aktivasi koil yang dapat disesuaikan

- Kumparan yang digerakkan oleh IGBT

- Kapasitor 1000uF / 550V tunggal

- Kecepatan tertinggi yang diperoleh 36m/s, akan sangat bergantung pada sifat dan geometri kumparan dan proyektil

- Waktu pengisian awal sekitar 8 detik, waktu pengisian ulang tergantung pada waktu pengosongan, dalam contoh video adalah 5 detik

Total biaya untuk komponen elektronik saja adalah sekitar US$140, tidak termasuk kawat/barel tembaga untuk koil.

Dalam tutorial ini saya hanya akan menjelaskan cara merakit PCB.

Saya juga akan memberikan semua informasi lain untuk mendapatkan hasil maksimal dari sirkuit ini tanpa meledakkannya.

Saya tidak akan memberikan penjelasan rinci tentang perakitan mekanik, karena saya pikir itu bisa diperbaiki / dimodifikasi. Anda perlu menggunakan imajinasi Anda untuk bagian itu.

Langkah 1: Peringatan

PERINGATAN:

Pastikan Anda membaca dan memahami bagian ini!

Rangkaian mengisi kapasitor sekitar 525V. Jika Anda menyentuh terminal kapasitor seperti itu dengan tangan kosong, Anda dapat melukai diri sendiri dengan serius. Juga (ini kurang berbahaya tetapi tetap harus disebutkan), arus tinggi yang dapat mereka berikan dapat membuat percikan api dan dapat menguapkan kabel tipis. Karena itu selalu pakai pelindung mata!

Kacamata pengaman adalah suatu keharusan

Kapasitor mempertahankan muatan bahkan setelah sakelar utama dimatikan. Itu harus dikosongkan SEBELUM bekerja di sirkuit!!!

Kedua, kita akan menggunakan energi yang terkandung dalam kapasitor dan mengubahnya menjadi energi kinetik proyektil. Meskipun kecepatan proyektil ini rendah, namun tetap dapat melukai Anda (atau orang lain), oleh karena itu gunakan aturan keselamatan yang sama seperti saat bekerja dengan perkakas listrik atau melakukan pekerjaan mekanis lainnya.

Jadi JANGAN PERNAH arahkan ini ke seseorang ketika sedang dimuat dan diisi, gunakan akal sehat.

Langkah 2: Alat dan Persyaratan Tempat Kerja

Keterampilan yang dibutuhkan:

Jika Anda benar-benar baru mengenal elektronik maka proyek ini bukan untuk Anda. Keterampilan berikut diperlukan:

- Mampu menyolder perangkat pemasangan permukaan termasuk IC, kapasitor, dan resistor

- Bisa menggunakan multimeter

Alat yang dibutuhkan (minimal):

- Besi solder ujung halus / ujung besar

- Kawat Solder

- Fluks Cair atau pena fluks

- Kepang pematrian

- Kaca pembesar untuk memeriksa sambungan solder atau mikroskop

- Pinset halus

- Multimeter untuk mengukur tegangan DC-link (525VDC)

Alat yang direkomendasikan (opsional)

- Catu daya yang dapat disesuaikan

- Osiloskop

- Stasiun pematrian udara panas

Persiapan tempat kerja dan rekomendasi kerja umum:

- Gunakan meja yang bersih, sebaiknya bukan dari plastik (untuk menghindari masalah dengan muatan statis)

- Jangan menggunakan pakaian yang mudah menimbulkan/mengumpulkan muatan, (itulah yang menimbulkan percikan api saat dilepas)

- Karena hampir tidak ada orang yang memiliki tempat kerja aman ESD di rumah, saya sarankan melakukan perakitan dalam satu langkah, yaitu jangan membawa komponen yang masuk akal (semua semikonduktor setelah Anda mengeluarkannya dari kemasan). Tempatkan semua komponen di atas meja lalu mulai.

- Beberapa komponen cukup kecil, seperti resistor dan kapasitor dalam paket 0603, mereka dapat dengan mudah hilang, hanya mengeluarkan satu per satu dari kemasannya

- IC charger dalam paket TSSOP20 adalah bagian yang paling sulit untuk disolder, memiliki pitch (jarak antar pin) 0.65mm yang masih jauh dari standar industri terkecil tetapi bisa jadi sulit bagi orang yang kurang berpengalaman. Jika Anda tidak yakin, saya sarankan Anda melatih penyolderan terlebih dahulu pada hal lain daripada membuang PCB Anda

Sekali lagi, seluruh proses perakitan PCB ditampilkan dalam video yang disebutkan di halaman pertama tutorial ini

Langkah 3: Diagram

Pada bagian ini saya akan memberikan gambaran tentang rangkaian. Bacalah dengan cermat, ini akan membantu Anda menghindari kerusakan pada papan yang baru saja Anda rakit.

Di sebelah kiri baterai akan terhubung. Pastikan lebih rendah dari 8V dalam semua kondisi atau sirkuit pengisi daya mungkin rusak!

Baterai yang saya gunakan adalah 3.7V tetapi akan memiliki tegangan lebih tinggi dari 4V ketika di bawah beban yang sangat ringan, karena itu mereka akan memberikan tegangan lebih tinggi dari 8V ke pengisi daya sebelum dinyalakan. Tidak mengambil risiko, ada dua dioda schottky secara seri dengan baterai untuk menjatuhkan tegangan di bawah 8V. Mereka juga berfungsi sebagai perlindungan terhadap baterai terbalik. Gunakan juga sekring 3 sampai 5A secara seri, ini bisa berupa sekring tegangan rendah seperti yang digunakan pada kendaraan. Untuk menghindari menguras baterai saat pistol tidak digunakan, saya sarankan menghubungkan sakelar daya utama.

Tegangan baterai pada terminal input PCB harus antara 5V dan 8V setiap saat agar rangkaian dapat bekerja dengan baik.

Bagian kontrol berisi perlindungan undervoltage dan 3 sirkuit timer. IC Timer U11 dengan LED1 berkedip menunjukkan bahwa perintah untuk menghidupkan rangkaian pengisi daya aktif. IC Timer U10 menentukan lebar pulsa keluaran. Lebar pulsa dapat disesuaikan dengan potensiometer R36. Dengan nilai R8 dan C4/C6 sesuai BOM, kisarannya adalah: 510us hingga 2,7 ms. Jika Anda memerlukan lebar pulsa di luar kisaran ini, nilai-nilai ini dapat disesuaikan sesuai keinginan.

Jumper J1 dapat dibuka untuk pengujian awal. Perintah untuk mengaktifkan rangkaian pengisi daya melewati jumper itu (logika positif, yaitu 0V = pengisi daya dinonaktifkan; VBAT = pengisi daya diaktifkan).

Bagian tengah atas berisi rangkaian pengisi daya kapasitor. Batas arus puncak transformator adalah 10A, arus ini dikonfigurasikan dengan resistor penginderaan arus R21 dan tidak boleh dinaikkan atau Anda dapat berisiko menjenuhkan inti transformator. Puncak 10A mengarah ke arus rata-rata sedikit di atas 3A dari baterai yang ok untuk baterai yang saya gunakan. Jika Anda ingin menggunakan baterai lain yang tidak dapat menyediakan arus tersebut, Anda perlu meningkatkan nilai resistor R21. (menambah nilai resistor R21 untuk mengurangi arus puncak transformator dan akibatnya arus rata-rata dari baterai)

Tegangan keluaran kapasitor utama diukur dengan komparator. Ini mengaktifkan LED2 ketika tegangan di atas sekitar 500V dan menonaktifkan pengisi daya ketika tegangan di atas 550V dalam peristiwa tegangan lebih (yang sebenarnya tidak boleh terjadi).

JANGAN PERNAH NYALAKAN CHARGER TANPA KAPASITOR UTAMA TERHUBUNG KE SIRKUIT. Ini dapat merusak IC pengisi daya.

Rangkaian terakhir adalah rangkaian jembatan yang melepaskan kapasitor melalui dua IGBT ke beban/koil.

Langkah 4: Inspeksi PCB

Pertama periksa PCB untuk hal-hal yang tidak biasa. Mereka datang benar-benar diperiksa dan diuji secara elektrik dari pabrikan tetapi selalu merupakan ide yang baik untuk memeriksa ulang sebelum merakit. Saya tidak pernah punya masalah itu hanya kebiasaan.

Anda dapat mengunduh file Gerber di sini:

unggah ke produsen PCB seperti OSHPARK. COM atau JLCPCB. COM atau lainnya.

Langkah 5: Perakitan

Unduh file BOM Excel dan dua file pdf untuk lokasi komponen

Pertama, rakit PCB yang lebih kecil yang menampung kapasitor elektrolit besar. Perhatikan polaritas yang tepat!

Header 90 derajat yang akan menghubungkan PCB ini ke PCB utama dapat dipasang di sisi atas atau bawah tergantung pada rakitan mekanis Anda.

JANGAN menyolder header ke PCB utama, karena sulit dilepas. Hubungkan dua kabel pendek yang lebih tebal dari AWG20 di antara kedua PCB.

Pada PCB utama merakit terlebih dahulu IC charger yang merupakan bagian tersulit jika belum terbiasa. Kemudian merakit komponen yang lebih kecil. Pertama-tama kita akan memasang semua kapasitor dan resistor. Cara termudah adalah dengan meletakkan sedikit solder pada salah satu pad, kemudian solder komponen dengan bantuan pinset pada pad ini terlebih dahulu. Tidak masalah bagaimana sambungan solder terlihat pada titik ini, ini berfungsi hanya untuk memperbaikinya di tempatnya.

Kemudian solder pad lainnya. Sekarang gunakan fluks cair atau pena fluks pada sambungan solder yang tidak terlalu bagus dan lakukan kembali sambungan tersebut. Gunakan contoh dalam video sebagai referensi tentang bagaimana sambungan solder yang dapat diterima terlihat.

Sekarang beralih ke IC. Perbaiki satu terminal pada PCB menggunakan metode yang disebutkan di atas. Kemudian solder semua pin lainnya juga.

Selanjutnya kita akan memasang komponen yang lebih besar seperti kapasitor elektrolit dan film, trimpot, LED, MOSFET, dioda, IGBT dan transformator rangkaian pengisi daya.

Periksa kembali semua sambungan solder, pastikan tidak ada komponen yang patah atau retak dll.

Langkah 6: Memulai

Perhatian: Jangan melebihi tegangan input 8V

Jika Anda memiliki osiloskop:

Hubungkan tombol tekan (biasanya terbuka) ke input SW1 dan SW2.

Pastikan jumper J1 terbuka. Idealnya sambungkan catu daya benchtop yang dapat disesuaikan ke input baterai. Jika Anda tidak memiliki catu daya benchtop yang dapat disesuaikan, Anda harus langsung menggunakan baterai. LED 1 akan berkedip segera setelah tegangan input lebih tinggi dari sekitar 5.6V. Rangkaian undervoltage memiliki histeresis besar, yaitu untuk menghidupkan rangkaian awalnya pada tegangan harus lebih tinggi dari 5.6V tetapi hanya akan mematikan rangkaian ketika tegangan input turun di bawah sekitar 4.9V. Untuk baterai yang digunakan dalam contoh ini, ini adalah fitur yang tidak relevan tetapi mungkin berguna jika bekerja dengan baterai yang memiliki resistansi internal yang lebih tinggi dan/atau habis sebagian.

Ukur tegangan kapasitor tegangan tinggi utama dengan multimeter yang sesuai, harus tetap 0V karena pengisi daya seharusnya dinonaktifkan.

Dengan osiloskop, ukur lebar pulsa pada pin 3 U10 saat menekan tombol. Ini harus disesuaikan dengan trimpot R36 dan bervariasi antara sekitar 0.5ms dan 2.7ms. Ada penundaan sekitar 5 detik sebelum pulsa dapat dimulai kembali setelah setiap tombol ditekan.

Lanjutkan ke langkah… uji tegangan penuh

jika Anda tidak memiliki osiloskop:

Lakukan langkah yang sama seperti di atas tetapi lewati pengukuran lebar pulsa, tidak ada yang diukur dengan multimeter.

Pergi ke … tes tegangan penuh

Langkah 7: Uji Tegangan Penuh

Lepaskan tegangan masukan.

Tutup Jumper J1.

Periksa kembali polaritas kapasitor tegangan tinggi yang benar!

Hubungkan multimeter untuk tegangan yang diharapkan (>525V) ke terminal kapasitor tegangan tinggi.

Hubungkan test coil ke terminal output Coil1 dan Coil2. Kumparan induktansi/perlawanan terendah yang saya gunakan dengan rangkaian ini adalah AWG20 500uH/0,5 Ohm. Di video saya menggunakan 1mH 1R.

Pastikan tidak ada bahan feromagnetik di dekat atau di dalam kumparan.

Pakailah kacamata pengaman

Terapkan tegangan baterai ke terminal input.

Pengisi daya harus menyala dan tegangan DC pada kapasitor akan naik dengan cepat.

Itu harus stabil di sekitar 520V. Jika melebihi 550V dan masih naik, segera matikan tegangan input, ada yang salah dengan bagian umpan balik dari IC pengisi daya. Dalam hal ini Anda perlu memeriksa kembali semua sambungan solder dan pemasangan semua komponen dengan benar.

LED2 sekarang harus menyala yang menunjukkan bahwa kapasitor utama terisi penuh.

Tekan tombol pemicu, tegangan akan turun beberapa ratus volt, nilai yang tepat akan tergantung pada lebar pulsa yang disesuaikan.

Matikan tegangan masukan.

Sebelum menangani PCB, kapasitor harus dikosongkan

Ini dapat dilakukan dengan menunggu sampai tegangan turun ke nilai yang aman (membutuhkan waktu lama) atau dengan mengeluarkannya dengan resistor daya. Beberapa bola lampu pijar secara seri juga akan melakukan pekerjaan itu, jumlah bola lampu yang dibutuhkan akan tergantung pada peringkat tegangannya, dua hingga tiga untuk lampu 220V, empat hingga lima untuk lampu 120V

Lepaskan kabel dari PCB kapasitor. Untuk melengkapi modul, kapasitor sekarang (atau nanti) dapat disolder langsung ke papan utama tergantung pada proses perakitan mekanis. Modul kapasitor sulit dilepaskan dari PCB utama, rencanakan dengan tepat.

Langkah 8: Mekanik

Pertimbangan pemasangan mekanis

PCB utama memiliki 6 guntingan untuk dipasang pada penyangga. Ada jejak tembaga kurang lebih di dekat jejak ini. Saat memasang PCB, perawatan harus dilakukan untuk tidak menyingkat jejak ini ke sekrup. Oleh karena itu spacer plastik dan ring plastik perlu digunakan. Saya menggunakan potongan besi tua, profil-U aluminium sebagai rumah. Jika menggunakan penyangga logam, penyangga harus diarde, yaitu dihubungkan dengan kabel ke kutub minus baterai. Bagian yang dapat diakses (bagian yang dapat disentuh) adalah sakelar pemicu dan baterai, tingkat tegangannya dekat dengan tanah. Jika ada simpul tegangan tinggi yang bersentuhan dengan rumah logam, itu akan dikorsletingkan ke ground dan pengguna aman. Bergantung pada berat rumahan dan koil, seluruh unit bisa cukup berat di bagian depan sehingga pegangan harus dipasang dengan benar.

Perumahan juga bisa dibuat jauh lebih bagus, dicetak 3D, dicat dll, itu terserah Anda.

Langkah 9: Teori

Prinsip kerjanya sangat sederhana.

Kedua IGBT diaktifkan pada saat yang sama untuk jangka waktu yang berlangsung beberapa ratus hingga beberapa ms tergantung pada konfigurasi/penyesuaian osilator monostabil U10. Arus kemudian mulai membangun melalui koil. Arus sesuai dengan kekuatan medan magnet dan kekuatan medan magnet dengan gaya yang diberikan pada proyektil di dalam kumparan. Proyektil mulai bergerak perlahan dan tepat sebelum bagian tengahnya mencapai bagian tengah kumparan, IGBT dimatikan. Arus di dalam kumparan tidak berhenti seketika tetapi sekarang mengalir melalui dioda dan kembali ke kapasitor utama untuk beberapa waktu. Sementara arus meluruh masih ada medan magnet di dalam kumparan, jadi ini harus turun mendekati nol sebelum bagian tengah proyektil mencapai bagian tengah kumparan jika tidak, gaya putus akan diberikan padanya. Hasil dunia nyata sesuai dengan simulasi. Arus akhir sebelum mematikan pulsa adalah 367A (probe saat ini 1000A/4V)

Langkah 10: Konstruksi Coil

Kecepatan 36m/s diperoleh dengan kumparan berikut: 500uH, AWG20, 0.5R, panjang 22mm, diameter dalam 8mm. Gunakan tabung yang memiliki celah sekecil mungkin antara dinding bagian dalam dan proyektil dan masih memungkinkan pergerakan bebas proyektil. Itu juga harus memiliki dinding setipis mungkin sambil sangat kaku. Saya menggunakan tabung stainless steel dan tidak ada efek merugikan yang terlihat. Jika menggunakan tabung konduktif listrik, pastikan untuk mengisolasinya dengan selotip yang sesuai (saya menggunakan selotip Kapton) sebelum melilitkannya. Anda mungkin perlu memasang potongan ujung tambahan untuk sementara waktu saat penggulungan, karena gaya samping yang cukup besar berkembang selama proses penggulungan. Saya kemudian akan merekomendasikan untuk memperbaiki/melindungi belitan dengan epoksi. Ini akan membantu mencegah gulungan dari kerusakan saat menangani/memasang koil. Seluruh perakitan koil harus dilakukan sedemikian rupa sehingga belitan tidak dapat bergerak. Anda juga memerlukan semacam dukungan untuk memasangnya di rumah utama.

Langkah 11: Kemungkinan Modifikasi dan Batasan Sirkuit

Kapasitor bermuatan 522V berisi 136 Joule. Efisiensi sirkuit ini cukup rendah, seperti kebanyakan desain satu tahap sederhana yang mempercepat proyektil feromagnetik. Tegangan maksimum dibatasi oleh tegangan kapasitor maksimum yang diizinkan sebesar 550VDC dan peringkat VCE maksimum dari IGBT. Geometri kumparan lain dan nilai induktansi/resistansi yang lebih rendah dapat menyebabkan kecepatan/efisiensi yang lebih tinggi. Arus puncak maksimum yang ditentukan untuk IGBT ini adalah 600A. Ada IGBT lain dengan ukuran yang sama yang mungkin dapat mendukung arus lonjakan yang lebih tinggi. Bagaimanapun, jika Anda berpikir untuk meningkatkan kapasitansi atau ukuran IGBT, pastikan Anda mempertimbangkan masalah utama berikut: Menghormati arus maksimum yang ditentukan dalam lembar data IGBT. Saya tidak menyarankan untuk menaikkan tegangan pengisi daya, terlalu banyak variabel yang perlu dipertimbangkan. Meningkatkan kapasitansi dan menggunakan lebar pulsa yang lebih panjang untuk kumparan yang lebih besar juga akan meningkatkan disipasi daya IGBT. Oleh karena itu, mereka mungkin membutuhkan heatsink. Saya sarankan mensimulasikan rangkaian yang dimodifikasi terlebih dahulu di SPICE / Multisim atau perangkat lunak simulasi lainnya untuk menentukan apa yang akan menjadi arus puncak.

Semoga beruntung!

Langkah 12: Pistol Coil beraksi

Hanya bersenang-senang memotret hal-hal acak …