Проект был начат в 2011 году.Это был проект подразумевающий полностью автономную автоматическую систему для развлекательных целей, с энергией снаряда порядка 6-7Дж, что сравнимо с пневматикой. Планировалось 3 автоматических ступеней с запуском от оптических датчиков, плюс мощный инжектор-ударник засылающий снаряд из магазина в ствол.
Компоновка планировалась такой:
Тоесть класический Булл-пап, что позволило вынести тяжелые аккумуляторы в приклад и тем самым сместить центр тяжести ближе к ручке.
Схема выглядит так:
Блок управления в последствии был разделен на блок управления силовым блоком и блок общего управления. Блок конденсаторов и блок коммутации были обьеденены в один. Так-же были разработаны резервные системы. Из них были собраны блок управления силовым блоком, силовой блок, преобразователь, распределитель напряжений, часть блока индикации.
Блок Управления Силовой Частью
Представляет собой 3 компаратора с оптическими датчиками.
Каждый датчик имеет свой компаратор. Это сделано для повышения надежности, так при выходе из строя одной микросхемы откажет только одна ступень, а не 2. При перекрытии снарядом луча датчика сопротивление фототранзистора меняется и срабатывает компаратор. При классической тиристорной коммутации управляющие выводы тиристоров можно подключать напрямую к выходам компараторов.
Датчики необходимо устанавливать так:
А устройство выглядит так:
Силовой Блок
Силовой блок имеет следующую простую схему:
Конденсаторы C1-C4 имеют напряжение 450В и емкость 560мкФ. Диоды VD1-VD5 применены типа HER307/ В качестве коммутации применены силовые тиристоры VT1-VT4 типа 70TPS12.
Собранный блок подключенный к блоку управления на фото ниже:
Преобразователь
Преобразователь был применен низковольтный, подробнее о нем можно узнать здесь
Блок распределения напряжений
Блок распределения напряжений реализован банальным конденсаторным фильтром с силовым выключателем питания и индикатором, оповещающим процесс заряда аккумуляторов. Блок имеет 2 выхода- первый силовой, второй на все остальное. Так-же он имеет выводы для подключения зарядного устройства.
На фото блок распределения крайний справа сверху:
В нижнем левом углу резервный преобразователь, он был собран по самой простой схеме на NE555 и IRL3705 и имеет мощность около 40Вт. Предполагалось использовать его с отдельным небольшим аккумулятором, включая резервную систему при отказе основной или разряде основного аккумулятора.
Используя резервный преобразователь были произведены предварительные проверки катушек и проверялась возможность использования свинцовых аккумуляторов. На видео одноступенчатая модель стреляет в сосновую доску. Пуля со специальным наконечником повышенной пробивной способности входит в дерево на 5мм.
Универсальная ступень
В пределах проекта так-же разрабатывалась универсальная ступень, как главный блок для следующих проектов.
Эта схема представляет собой блок для электромагнитного ускорителя, на основе которого можно собрать многоступенчатый ускоритель с числом ступеней до 20. Ступень имеет классическую тиристорную коммутацию и оптический датчик. Энергия накачиваемая в конденсаторы- 100Дж. Кпд около 2х процентов.
Использован 70Вт преобразователь с задающим генератором на микросхеме NE555 и силовым полевым транзистором IRL3705. Между транзистором и выходом микросхемы предусмотрен повторитель на комплементарной паре транзисторов, необходимый для снижения нагрузки на микросхему. Компаратор оптического датчика собран на микросхеме LM358, он управляет тиристором, подключая конденсаторы к обмотке при прохождении снарядом датчика. Параллельно трансформатору и ускоряющей катушки применены хорошие снабберные цепи.
Методы повышения КПД
Так-же рассматривались методы повышения КПД, такие как магнитопровод, охлаждение катушек и рекуперация энергии. О последней расскажу подробнее.
ГауссГан имеет очень малый КПД, люди работающие в этой области давно разыскивают способы повышения КПД. Одним из таких способов является рекуперация. Суть ее состоит в том чтобы вернуть не используемую энергию в катушке обратно в конденсаторы. Таким образом энергия индуцируемого обратного импульса не уходит в никуда и не цепляет снаряд остаточным магнитным полем, а закачивается обратно в конденсаторы. Этим способом можно вернуть до 30 процентов энергии, что в свою очередь повысит КПД на 3-4 процента и уменьшит время перезарядки, увеличив скорострельность в автоматических системах. И так- схема на примере трехступенчатого ускорителя.
Для гальванической развязки в цепи управления тиристоров использованы трансформаторы T1-T3. Рассмотрим работу одной ступени. Подаем напряжение заряда конденсаторов, через VD1 конденсатор С1 заряжается до номинального напряжения, пушка готова к выстрелу. При подаче импульса на вход IN1, он трансформируется трансформатором Т1, и попадает на управляющие выводы VT1 и VT2. VT1 и VT2 открываются и соединяют катушку L1 с конденсатором C1. На графике ниже изображены процессы во время выстрела.
Больше всего нас интересует часть начиная с 0.40мсек, когда напряжение становится отрицательным. Именно это напряжение при помощи рекуперации можно поймать и вернуть в конденсаторы. Когда напряжение становится отрицательным, оно проходя через VD4 и VD7 закачивается в накопитель следующей ступени. Этот процесс так-же срезает часть магнитного импульса, что позволяет избавится от тормозящего остаточного эффекта. Остальные ступени работают подобно первой.
Статус проекта
Проект и мои разработки в этом направлении в общем были приостановлены. Вероятно в скором будущем я продолжу свои работы в этой области, но ничего не обещаю.
Список радиоэлементов
Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Блок управления силовой частью | |||||||
Операционный усилитель | LM358 | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Линейный регулятор | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||||
Фототранзистор | SFH309 | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Светодиод | SFH409 | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Конденсатор | 100 мкФ | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 470 Ом | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 2.2 кОм | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 3.5 кОм | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 10 кОм | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Силовой блок | |||||||
VT1-VT4 | Тиристор | 70TPS12 | 4 | Поиск в магазине Отрон | |||
VD1-VD5 | Выпрямительный диод | HER307 | 5 | Поиск в магазине Отрон | |||
C1-C4 | Конденсатор | 560 мкФ 450 В | 4 | Поиск в магазине Отрон | |||
L1-L4 | Катушка индуктивности | 4 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Преобразователь | |||||||
Программируемый таймер и осциллятор | LM555 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Линейный регулятор | L78S15CV | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Компаратор | LM393 | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Биполярный транзистор | MPSA42 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Биполярный транзистор | MPSA92 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
MOSFET-транзистор | IRL2505 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Стабилитрон | BZX55C5V1 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Выпрямительный диод | HER207 | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Выпрямительный диод | HER307 | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Диод Шоттки | 1N5817 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Светодиод | 2 | Поиск в магазине Отрон | |||||
Электролитический конденсатор | 470 мкФ | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Электролитический конденсатор | 2200 мкФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Электролитический конденсатор | 220 мкФ | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Конденсатор | 10 мкФ 450 В | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Конденсатор | 1 мкФ 630 В | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Конденсатор | 10 нФ | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Конденсатор | 100 нФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 10 МОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 300 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 15 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 6.8 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 2.4 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 1 кОм | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 100 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 30 Ом | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 20 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 5 Ом | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
T1 | Трансформатор | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Блок распределения напряжений | |||||||
VD1, VD2 | Диод | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Светодиод | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||||
C1-C4 | Конденсатор | 4 | Поиск в магазине Отрон | ||||
R1 | Резистор | 10 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
R2 | Резистор | 1 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||
Выключатель | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||||
Батарея | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||||
Универсальная ступень | |||||||
Программируемый таймер и осциллятор | LM555 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Операционный усилитель | LM358 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Линейный регулятор | LM7812 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Биполярный транзистор | BC547 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Биполярный транзистор | BC307 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
MOSFET-транзистор | AUIRL3705N | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Фототранзистор | SFH309 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Тиристор | 25 А | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Выпрямительный диод | HER207 | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Диод | 20 А | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Диод | 50 А | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Светодиод | SFH409 | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Конденсатор | 2200 мкФ 25 В | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Конденсатор | 470 мкФ 450 В | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Конденсатор | 100 мкФ | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Конденсатор | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||||
Конденсатор | 1 мкФ | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Конденсатор | 10 нФ | 2 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 47 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 10 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 3.5 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 2.2 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 1 кОм | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 470 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 150 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Резистор | 10 Ом | 1 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Трансформатор | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||||
Катушка индуктивности | 1 | Поиск в магазине Отрон | |||||
Методы повышения КПД | |||||||
VT1-VT4 | Тиристор | 6 | Поиск в магазине Отрон | ||||
VD1-VD9 | Диод | 9 | Поиск в магазине Отрон | ||||
C1-C3 | Конденсатор | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
T1-T3 | Трансформатор | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
L1-L3 | Катушка индуктивности | 3 | Поиск в магазине Отрон | ||||
Скачать список элементов (PDF)
Комментарии (36) | Я собрал (0) | Подписаться
Для добавления Вашей сборки необходима регистрация
1) 7-2 стоит переменник, нужен дополнительный резистор последовательно (хотя бы на 680 Ом).
2) Кап параллельно резистору в фильтре гашения обратного тока.
3) Выпрямительный диод держит 2 ампера, нет смысла параллелить два.
А так отличный проект! Давно хочу сделать себе трехступенчатый.
[Автор]
2) Это необходимо для гашения самых быстрых и высоковольтных импульсов, иди учи импульсную силовую схемотехнику.
3) Те-же импульсы при включении и выключении преобразователя не раз выжигали выпрямительные диоды, даже HER307, для надежности я их запаралелил.
[Автор]
Не следует так буквально примать разность сопротивлений диодов, они работают оба и работают прекрасно, происходящие в них процессы намного плавнее чем вы представляете.
[Автор]
[Автор]
[Автор]
[Автор]
Для многоступенчатого гаус-гана очень важна форма катушек и расстояние между ними. Плюс к тому на каждой ступени необходимо ускорять снаряд строго определенным количеством энергии. Иначе только торможения и добъемся - снаряд уже покинул катушку, но в катушке до сих пор течет ток. Про это не сказано ни слова. Хотя нет. Вру. Но в системе рекуперации энергии не учтено, что у диодов есть некоторое падение напряжения.
Были ли тиристоры подобраны по такому параметру как градиент тока(dI\dt). Если скорость нарастания тока выше чем максимально-допустимая для данного тиристора, то это приводит к скорой деградации кристалла.
Конденсаторы должны быть импульсными, либо необходимо набирать батарею из нескольких. Иначе получим отгорание выводов или разрушение обкладок.
[Автор]
Напряжение падения у диодов не более 5В. И тиристорами этими и конденсаторами китайскими все пользуются, ничего ни у кого не взорвалось и не отгорело.
[Автор]
На схеме стоит диод на 20 ампер последовательно с резистором, что за диод, а на печатке ещё и кондёр на сколько?
И ещё крена на 12 вольт, ИК диод не сгорит от такой напруги?
[Автор]
И вес у него около 5 кг.
С тиристорами то-же не просто. Катушку надо делать низкоомную что-бы обеспечить быстрый разряд конденсатора. А это огромный ток в начальный момент. И хотя тиристоры держат десятикратную перегрузку по току в течении 10ms всё-же при указанных на схеме параметрах (U=450V C= 560uF) и приняв R= 0.1 Ом - Тиристоры скорее всего прикажут долго жить.
Оптимально вижу - пуля замыкает сама цепь питания катушки и она - же её размыкает
По компонентам:
1. Почему в качестве компараторов использованы операционные усилители (причем не самые быстродействующие), можно например использовать компараторы, причем с большим быстродействием (например MAX942, AD8564).
2. Почему в качестве силовых ключей использованы тиристоры, можно же использовать высоковольтные MOSFET или IGBT транзисторы, тиристоры же намного медлительнее транзисторов.
3. Насчет быстродействия именно этого фототранзистора не смотрел, но может есть смысл использовать PIN фотодиоды.
Теперь по поводу работы схемы:
1. Для оптимального ускорения снаряда было бы неплохо не только вовремя включать очередную катушку (а надо понимать что ток через катушку нарастает постепенно, плюс пока ключ откроется), но и вовремя ее выключать, чтобы пролетевший через нее снаряд не тормозился этой же катушкой (опять таки тиристор невозможно выключить пока конденсатор не разрядится, и даже при выключении катушки она не сразу выключается из работы, так как накопленная в ней энергия вызывает ток через нее и параллельно включенный диод, что в свою очередь поддерживает магнитное поле еще некоторое время после отключения катушки), то есть включать катушку в работу необходимо еще до того как снаряд попадет в ее поле действия, а выключать до того как он пролетит катушку.
2. Наверное желательно использовать более скоростные компоненты, приведенные в начале, иначе мы можем упереться в ряд ограничений (в частности энергия снаряда равна половине его массы помноженный на квадрат скорости), то есть 2 и 3 ступень или просто могут не успеть сработать, и соответственно, не ускорят снаряд, или создадут магнитное поле уже после того как снаряд их минует, то есть даже затормозят его.
Все вышесказанное не означает что я к данному устройству и человеку его создавшему как-то предвзято отношусь, на самом деле человек проделал огромную работу, потратил много своего времени, сил, финансов и вполне заслуживает уважения. Просто может быть мои мысли кому-либо помогут при создании или доработке Гаусс Гана.
Какой диаметр провода был использован на катушках? Расстояние между ними? Ширина катушек (на форумах говорят про длину пули +5мм)?