Gauss Gun Toni Terrinen Lempäälä

Transkriptio

1 Gauss Gun Toni Terrinen Lempäälä

2 SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO SUUNNITTELU Suurjännitepuoli Kondensaattorit Kelat Kytkeminen Lataaminen Pienjännitepuoli Rakenne RAKENTAMINEN Elektroniikka Piippu Kotelo YHTEENVETO JA ARVIOINTI LÄHDELUETTELO LIITTEET...

3 1. JOHDANTO Gauss gun, coil gun. Itse asiassa minulla ei ole hajuakaan millä nimellä tätä pitäisi kutsua. Päädyin nimeämään sen gaussin tykiksi vain koska termin coil gun suomennos "käämitykki" kuulostaa niin ***** typerältä. Gaussin tykki käyttää sähkömagneetteja kiihdyttämään metallisen projektiilin suuriin nopeuksiin. Se on pienenä laitteena hyvä esimerkki sähkömagnetismista, ja voidaan suprajohtimia käyttämällä suurentaa jopa ampumaan tavaraa kiertoradalle. Oma projektini on kumminkin hieman pienikokoisempi. Tavoitteena olisi saada 4x20mm metallikappale... liikkumaan. Teoriassa gaussin tykki on yksinkertainen. Kelaan syötetään suuri virta joka saa sen vetämään ammuksen puoleensa, ja kun ammus on magneettikentän vetoiman keskipisteessä, kelasta katkaistaan virta jolloin ammus jatkaa matkaansa. Käytännössä minkään järkevän nopeuden saavuttamiseen tarvitaan kaikenlaista tehoelektroniikkaa. Jotta kela saa riittävän suuren virran ampumiseen, sen tarvitsee olla pieniresistanssinen (alle 1ohm) saman virran syöttämiseen tarvitaan suurikapasiteettisia kondensaattoreita. Ja mahdollisimman suuren virran saavuttamiseen taas tarvitaan suuri jännite. Tämän perusteella päädyin asettamaan laitteen rajoiksi 300VDC syöttöjännite jolla ladataan 5000µF kondensaattori joka purkautuu 0.2ohm kelan läpi. Laitteeseen tulee 4 kelaa joille jokaiselle on 2kpl µF kondensaattorilla kytkettynä sarjaan. Kytkentä tapahtuu suuria virtapulsseja kestävien IGBT-transistoreiden avulla, joista ensimmäinen kytketään päälle tietyksi lyhyeksi ajaksi 555-ajastimen avulla ja loput IR-ledi - valodiodi anturilla. 2. SUUNNITTELU 2.1 Suurjännitepuoli Kondensaattorit Kelat Kondensaattoreita on monenlaisia. Pienistä pintajuotoksiin tarkoitetuista talon kokoisiin hirviöihin. Itse käyttämäni versiot ovat sitä keskikokoisia eli hernekeittotölkin luokkaa. Jokaisen kapasitanssi on µF ja jännitteenkesto 250V. Koska laitteeni käyttöjännite on 300V laitan niitä kaksi sarjaan jolloin ne muodostavat 5000µF 500V kondensaattorin, joka riittää hyvin käyttötarkoituksiini. Tämä järjestely on siksi koska suuremmat kondensaattorit maksavat pienen omaisuuden ja satuin saamaan erän kyseista kokoluokkaa ilmaiseksi. Gaussin tykissä kelat korvaavat normaalin tuliaseen räjähdysaineen. Magneettikenttä vetää ammusta itseensä, ja juuri ennen kuin se saavuttaa kelan keskipisteen magneettikenttä katkaistaan, jolloin ammus jatkaa matkaansa. Suurempia nopeuksia saadaan joko syöttämällä kelalle suurempi virta, joka vaatii samalla lähes kaiken muunkin suurentamisen, tai asettamalla useampia keloja sarjaan, jolloin peräkkäiset kelat kiihdyttävät ammusta eteenpäin. Tämä taas vaatii kelojen kytkemisen oikeaan aikaan. Käyttämän kelat ovat 35mm pitkiä ja halkaisijaltaan 28mm ulkoa ja 6mm sisältä. Ne on kierretty käsin 1mm lakatusta kuparilangasta.

4 2.1.3 Kytkeminen Kelojen kytkeminen päälle ja pois on gaussin tykin monimutkainen asia. Yksinkertainen rele ei sovellu tehtävään laitteessä käytettävien suurten virtojen ja pienten kytkentäaikojen takia. Sopivaa ratkaisua etsiessä päätyy nopeasti puolijohteisiin. Oma valintani oli IGBTtransistorit, jotka kestävät suuria virtapulsseja ja jännitteitä.valitsemissani versioissa on arvoina 200A 600V. Kytkeminen oikeaan aikaan tapahtuu havaitsemalla ammus IR-ledi valodiodi parilla. Kun anturin valonsäde katkeaa sitä seuraava kela vetää. Sopivan mittaisella ammuksella erillistä poiskytkemisviritelmää ei tarvita, vaan kun ammus on anturin ohi on se optimaalisessa kohdassa kelan sammuttamiselle Lataaminen Kondensaattoreista saa ulos suuren määrän energiaa lyhyessä ajassa, Mutta se ei tule tyhjästä. Ja käyttämieni tölkkien lataaminen ei ole aivan yksinkertainen asia. Lisäksi melko nopean latausajan saavuttamiseen vaaditaan melko suuri virta, joten turvallisuuden takia päädyin käyttämään suojaerotusmuuntajaa. Sen perässä taas on tasasuuntaussilta, koska vaihtovirralla on huono ladata, ja piirissä on myös virtamittari jotta pysyn perillä lataamisen tilasta. Yllä esitetyllä diodien sijoittelutavalla eristetään kondensaattorit toisistaan, jotta ne eivät lataisi toisiaan. Diodit myös tasoittavat kondensaattoreiden latautumista pyrkimällä lataamaan tyhjimmän ensimmäisenä. 2.2 Pienjännitepuoli Peräkkäisiä keloja käytettäessä niiden kytkemiseen oikealla hetkellä tarvitaan hieman ohjauselektroniikkaa. Ensimmäisen kelan kytkentä tapahtuu 555-ajastimella, eli kela vetää tietyn aikaa laukaisunapin painamisesta. Päälläoloaika on säädettävissä 5kohm potentiometrin avulla. Seuraava kela kytkeytyy kun ammus kulkeutuu sitä ennen olevan anturiparin eteen. Silloin kun Anturissa ei ole mitään, se lähettää signaalin 7404-piirille joka kääntää signaalin nollaksi, eli keloja kytkevät IGBT:t eivät ole kytkettynä. Kun taas ammus on anturin edessä, signaali katkeaa ja 7404 kääntää sen ykköseksi, joka kytkee IGBT:n johtamaan. Kun ammus kulkeutuu anturin ohi kelojen virta katkeaa jälleen. Tätä voidaan toistaa niin monta kertaa kuin keloja on.

5 2.3 Rakenne Vaikkei laitteen ampumisosa olekkaan kovin iso, muu laitteisto vie tilaa ja koko järjestelmän pitäisi mielellään olla liikuteltavissa paikasta toiseen.ratkaisuksi sain reilun kokoisen laatikon, jonka puiseen kanteen voi helposti kiinnittää kaikki tarvittavat osat. 3. RAKENTAMINEN 3.1 Elektroniikka Ohjauspiirin tein valmiille PCB-levylle jotta säästyisin sellaisen tekemiseltä. Siitä huolimatta levy vaati reilusti työstämistä johtimien katkomisessa ja muutamien reikien suurentamisessa.

6 3.2 Piippu Kondensaattorit on kytketty sarjaan paketin mukana tulleilla kupariliuskoilla. + ja napojen välillä on 220kohm 1W vastus joka ajan myötä (~12h) kuluttaa pois kondensaattoreihin mahdollisesti jääneen jännitteen. IGBT:t on kiinnitetty nippusiteellä liuskoihin vain koska se sattui olemaan sopiva paikka niille. Kelojen rakentamiseen voisi olla parempikin keino. Voisi porakoneesta rakentaa sopivan telineen kelojen pöyrittämiseen. Joka tapauksessa sain kaksi aikaan tukemalla rakenteen pultilla ja muutamalla prikalla. Käytin kelan pitämiseen kasassa kontaktiliimaa. Anturissa on vastakkain infrapunaledi ja valodiodi pitettynä kasassa kahdella muoviprikalla ja reilulla annoksella kuumaliimaa. Piippua itseään pitää kasassa muutama projektin johdotuksessa kuluneiden nippusiteiden ylijäämäpäistä ja parista kokonaisestakin. Sähköteipin päätehtävä on pitää antureiden herkät jalat putoamasta. Piipun laukaisupäässä on pätkä mehupilliä johon ammuksen voi asettaa laukaisua varten.

7 3.3 Kotelo Kotelona toimii muovilaatikko jonka pohjaan on kiinnitetty lastulevy. Eli siis toisessa päässä sen yläpuollella on pultti joka estää sitä nousemasta, ja toisessa kondensaattorien kunnioitusta herättävä ominaismassa pitää levyn ojennuksessa. Ohjauspaneelin osat on kiinnitetty puuta helpommin työstettävään muoviseen vaahtosammuttimen kylttiin. Syöttöjännitekaapelin vedonpoistokin on mainitsemisen arvoinen. Koska laatikossa sattui olemaan reikä josta kaapeli mahtui juuri kulkemaan, laittamalle sen kummallekkin puolelle muutama nippuside pysyy johto kiltisti paikallaan. 4. YHTEENVETO JA ARVIONTI Olisi voinut mennä paremminkin. Ensimmäisellä laukaisuyrityksellä paloi suojaerotusmuuntaja. Sain sitä korvaamaan koululta 1000VA muuntajaan (alkuperäisenä oli 52VA) mutta sen jälkeen lähitienoon sulakkeet eivät enään kestäneet kondensaattoreiden latauksen alkupiikkiä. Sitä kompensoimaan laitettu PTC-vastus (suuri virta lämmittää vastusta, resistanssi kasvaa, vähemmän virtaa läpi, lämpötila pienenee, resistanssi pienenee) ei sekään kestänyt kondensaattoreiden vaatimuksia. Ja koska sain valtaosan tilaamistani osista melko myöhään ei minulla ollut aikaa tehdä kuin 2 kelaa. Kelojen rakentaminen on yllättävän aikaa vievää puuhaa. Projektin budjettia on vielä jäljellä joten aion yrittää suuremmilla ja/tai useammalla PTC:llä vielä raportin palauttamisen jälkeen, jos vaikka saisin toimimaan. Jatkan myöskin tekemällä loput aikomani kelat valmiiksi. Pääsyy miksi ylipäätänsä tein tämän oli koska olin pitkään halunnut tehdä sellaisen, päättötyö vain sattui sopivaan ajankohtaan. Mutta, olisi voinut mennä paremminkin.

8 LÄHDELUETTELO Another Coilgun Site Barry's Coilgun Design Site 4hv.org

9

10