Разработка оптимальной конструкции электронной части для Gauss
Gun.
Многие гауссостроители стараются делать управляющую часть
электромагнитного метателя как можно более простой, при этом часто
ограничиваются даже замыканием управляющего электрода тиристора с помощью
тумблера или упомянутой выше зарядкой от сетевого напряжения через диодный
мост и резистор. С точки зрения надёжности и безопасности конструкции это не
самый лучший подход, не говоря уже о повторяемости результатов экспериментов и
т.д. Поэтому я разработал электронную часть, обеспечивающую простое и удобное
«холодное» управление выстрелом (т.е. без контакта непосредственно с силовой
частью метателя), а также зарядку силовых конденсаторов, их автоматический
разряд в момент выключения установки, плавный пуск устройства и т.д..
Достоинством этой схемы является также и то, что она (не считая силовых
элементов) размещена на одной плате.
2. Электрическая схема ЕМ-1.
Здесь
приведена полная электрическая схема ЕМ-1. Ниже более подробно описаны её
составные части и их функционирование.
2.1. Источник питания.
В качестве источника питания для ЕМ-1 я использовал батарею из шести
последовательно соединённых аккумуляторов типа АА (общее номинальное
напряжение 7,2 В), размещённых в специальном батарейном боксе (см. рис. 2).
Потребляемый схемой ток невелик (менее 1 А), поэтому не возникает проблемы,
связанной с сопротивлением контактов, их окислением и т.д. Это также позволило
использовать самые обычные дешёвые аккумуляторные банки всего на 600 мА·ч.
Рис. 2. Источник питания
ЕМ-1. Батарейный бокс на 6 аккумуляторов и два Ni-Cd аккумулятора на 600
мА·ч
2.2. Схема включения и генерации временных задержек.
Часть схемы ЕМ-1,
обеспечивающая подачу питания на управляющую логику и силовой контур, а также
генерацию разрешающих сигналов и временных задержек, показана на рис. 2.
Тумблер S1 обеспечивает подачу положительного напряжения от батареи питания
на затвор полевого транзистора. При этом потенциал на затворе растёт с
постоянной времени, равной 2,2 мкФ* 76К ≈ 0,17 сек, и так же плавно происходит
подача питания на весь контур. Когда потенциал затвора достигает
приблизительно половины от напряжения питания, на выходе элемента DD1.1
появляется низкий уровень, а на выходе DD1.2 с задержкой около 0,7*2,2 мкФ*1М
≈ 1,5 сек – высокий уровень (сигнал А), разрешающий работу всей управляющей
логики. Такая схема позволила решить сразу две проблемы: избавиться от всякого
рода нежелательных всплесков при включении/выключении схемы (как показывает
практика, это самый чувствительный момент в работе таких цепей, здесь они
часто ведут себя совершенно непредсказуемо), и обеспечить плавную зарядку
высокоёмкостного конденсатора, включённого для сглаживания пульсаций от работы
импульсного преобразователя напряжения (см. ниже). Последняя проблема может
быть решена также включением терморезисторов, меняющих своё сопротивление в
зависимости от температуры (т.е. силы протекающего тока), но такие элементы
инерционны и не работают при частых включениях/выключениях.
Вообще, включение подобных элементов в цепь питания очень желательно: в
сетевых источниках питания они предотвращают перегрев выпрямительных диодов в
начальный момент, когда заряжаются электролитические конденсаторы
низковольтной части, а в данном случае предотвращается всплеск тока, очень
вредный для аккумуляторных батарей.
При отключении схемы (S1 заземляется) полевик быстро (с постоянной времени
2,2 мс) закрывается, сигнал разрешения выключается, а на выходе элемента DD1.4
генерируется сигнал сброса длительностью 140 мкс, который открывает тиристор
автосброса и разряжает основные конденсаторы (см. раздел 2.6).
Здесь ещё следует заметить, что сопротивление выбранного полевого
транзистора в открытом состоянии (6-7 В на затворе) ничтожно, и при тех
уровнях потребляемого тока, которые имеют место, оно никак не влияет на работу
схемы (т.е. падение напряжение на ключе очень мало).
Рис.3. Схема подачи питания
и генерации временных задержек.
В принципе, для работы микросхем, которые используются для управления ЕМ-1,
напряжения шести последовательно соединённых аккумуляторов вполне достаточно.
Однако, чтобы управлять затвором мощного полевого транзистора импульсного
преобразователя (см. ниже), необходимо, по меньшей мере, 10 В. Я выбрал 15 В,
т.к. при таком напряжении одновременно хорошо функционирует таймер NE555, и
надёжно управляется полевой ключ (см. ниже).
Для получения такого напряжения из напряжения аккумуляторной батареи,
используется специальная ИС КР1156ЕУ1 (отечественный аналог импортной
LM78S40). Она содержит встроенный генератор, компаратор, ключ на ток до 1 А,
диод, источник опорного напряжения и даже операционный усилитель! Схема
включения этой ИС приведена на рис. 4. Резистор 0,39 Ом служит для
токоограничения, ёмкость 750 пФ задаёт частоту преобразования, дроссель 470
мкГн накапливает энергию, а делитель устанавливает значение выходного
напряжения. Ёмкости 2,2 мкФ и 1,5 мкФ предотвращают помехи по цепи питания и
опорного напряжения. ОУ здесь включён как компаратор для контроля напряжения
на силовых конденсаторах (вход F на рисунке), его выход используется для
разрешения выстрела (сигнал С) и индикации состояния готовности (с помощью
светодиода VD 3).
Рис.4. Схема включения ИС
КР1156ЕУ1.
Таким образом, ИС КР 1156ЕУ1 выполняет сразу две функции: компаратора,
следящего за напряжением на основных силовых конденсаторах, и маломощного
импульсного преобразователя. Последнее особенно удобно, т.к. делает напряжение
на управляющей части ЕМ-1 независимым от напряжения аккумуляторной батареи
(как показала практика, напряжение на аккумуляторах может сильно меняться: от
8,4 В при свежезаряженных банках до 5,5 В при почти разряженных).
2.4. Импульсный преобразователь 7,2 В – 600 В.
Источником энергии при выстреле в ЕМ-1 служат 4 конденсатора 300 В, 800 мкФ
в виде двух последовательно соединённых батарей, каждая из двух конденсаторов.
То есть суммарное напряжение на батарее силовых конденсаторов составляет 600
В. Чтобы получить такое напряжение, я использовал достаточно стандартное
решение в виде импульсного обратноходового преобразователя. Тех, кто
интересуется физическими основами работы этого устройства, могу отослать,
например, на http://www.coilgun.com/.
Там подробно описаны протекающие в преобразователе процессы. Здесь же я лишь
ограничусь описанием схемы преобразователя.
Основным элементом преобразователя (рис. 5) является мощный полевой
транзистор VT3. Входная ёмкость этого транзистора довольно велика (10 нФ),
поэтому для управления им от таймера NE555 применён комплементарный каскад на
транзисторах VT1 и VT2. Резисторы 1 Ом служат для ограничения сквозного тока
через каскад в момент переключения. Таймер управляется компаратором DA2. Два
элемента этого компаратора включены по схеме «монтажное ИЛИ»: при наличии
низкого уровня на линии А (питание схемы отключено, см. рис. 3) или высокого
уровня на линии Е (силовые конденсаторы заряжены до номинального напряжения)
выводы 2 и 6 таймера заземляются, и на его выходе устанавливается высокий
уровень, при этом работа преобразователя останавливается.
В качестве сердечника трансформатора Т1 используется феррит из
телевизионного трансформатора строчной развёртки. Параметры обмоток: первичная
– 110 витков провода 0,5 мм, вторичная – 950 витков провода 0,1 мм. Полученный
КПД зарядного процесса составил около 65% - неплохо для такой любительской
конструкции. Замечу, что большего КПД я сейчас достигаю, используя чашечные
сердечники – они меньше по габаритам и создают меньшую индуктивность
рассеяния.
Первичная обмотка трансформатора зашунтирована электролитическим
конденсатором большой ёмкости, чтобы сгладить пульсации напряжения, вызываемые
работой преобразователя.
Рис. 5. Схема импульсного
преобразователя 7,2 В – 600 В для зарядки силовых конденсаторных батарей.
2.5. Схема выстрела.
Это самая ответственная часть Gauss Gun, т.к. она непосредственно включает
в себя силовой контур (силовые конденсаторы, ускоряющую катушку и
коммутирующий элемент). Главные требования к силовой части – способность
выдерживать мощные импульсные нагрузки, возникающие при выстреле, и высокая
помехоустойчивость (отсутствие ложных срабатываний).
Схема выстрела изображена на рис. 6. В качестве коммутирующего элемента
используется тиристор Т142-50-14, способный выдерживать в импульсе напряжение
1400 В, и постоянное напряжение 840 В. Ударный ток, протекающий через этот
тиристор в течение 1 мс, может составлять до 1400 А. Таким образом, он
подходит для использования в качестве коммутирующего элемента в силовой части
ЕМ-1, где нагрузка по напряжению составляет 600 В, а по току – до 1000 А в
импульсе.
Тиристор управляется специальной схемой на логическом элементе DD2, которая
при нажатии кнопки S2 генерирует на выходе импульс отрицательной полярности
длительностью около 140 мкс. Это происходит только в том случае, если
присутствуют уровни логической единицы на входах С (разрешение выстрела по
напряжению на силовых конденсаторах) и А (разрешение по питанию всей схемы),
что придаёт схеме дополнительную помехоустойчивость. В качестве элемента,
непосредственно открывающего тиристор, использован полевой транзистор VT4,
который управляется от логической схемы с помощью одного из элементов
компаратора DA2.
Диод VD4 при выстреле препятствует перезарядке силовых конденсаторов в
обратной полярности.
Рис. 6. Схема выстрела
ЕМ-1.
2.6. Схема автоматического сброса напряжения.
Этот контур я ввёл в схему ЕМ-1 исключительно в целях безопасности. Он
осуществляет сброс остаточного напряжения на силовых конденсаторах после
каждого включения тумблера питания S1 (см. рис. 1) в положение “выкл.”.
Сброс напряжения осуществляется с помощью схемы, изображённой на рис. 7.
При поступлении сигнала B на вход четвёртого элемента компаратора DA2 на его
выходе генерируется импульс, который через транзистор VT5 открывает тиристор
T2. Длительность импульса составляет 140 мкс (см. раздел 2.2). Разряд силовых
конденсаторов происходит через мощные резисторы Rs. Затем тиристор
самопроизвольно закрывается и не препятствует процессу зарядки конденсаторов
при новом включении схемы.
Рис. 7. Схема автосброса
напряжения.
3. Общие характеристики ЕМ-1.
В этом разделе я кратко опишу параметры готового устройства.
Сначала пара фоток:
Рис. 8. ЕМ-1 на этапе
сборки. Видны батарея силовых конденсаторов, аккумуляторный бокс, силовой и
сбросовый тиристоры, мощные резисторы схемы автосброса и ускоряющая катушка.
Сзади к катушке прикреплён постоянный магнит, удерживающий снаряд перед
выстрелом.
Рис. 9. Готовое
устройство. Здесь видна управляющая плата, трансформатор и диод импульсного
преобразователя. Можно видеть также кнопку выстрела S2.
Как видно, схема получилась сравнительно компактная, хотя я и не старался
уменьшить её размеры. Габариты ЕМ-1 25 х 12 х 13 см, что позволяет без проблем
положить её в небольшую сумку. Масса 1,5 кг.
Снарядами для ЕМ-1 служат отпиленные острия гвоздей диаметром 6 мм (см.
рис. 10). Длина таких пулек составляет 30 мм, масса – 5,4 г. Их легко
изготовить при помощи ножовки по металлу и напильника.
Рис. 10. Метательные снаряды для ЕМ-1.
При выстреле из ЕМ-1 эти пульки получают начальную скорость 24 м/с, что в
сочетании с заострённой формой и сравнительно большой массой позволяет,
например, легко пробить пластмассовую бутыль с водой (см. раздел 4).
Алюминиевую банку с водой или пивом такая пуля пробивает навылет.
Здесь, однако, возникает проблема, связанная с устойчивостью пули в полёте.
Люди, которые пробовали изготавливать подобные устройства, наверняка
сталкивались с этой проблемой. По мнению Gordon'а, неустойчивость связана с
импульсом отдачи при выстреле, который подбрасывает пулю вверх при выходе из
ствола. Выходом из положения может стать повышение скорости пули и уменьшение
её массы.
В ЕМ-1 ствол с ускоряющей катушкой дополнительно закреплён на корпусе с
помощью эпоксидной смолы, а скорость пули сравнительно велика, что позволило
увеличить дистанцию уверенной стрельбы до ~1 м.
В заключение приведу общие характеристики ЕМ-1:
- Масса – 1,5 кг;
- Габариты - 25 х 12 х 13;
- Напряжение на конденсаторной батарее – 600 В;
- Ёмкость конденсаторной батареи – 800 мкФ;
- Запасаемая энергия – 144 Дж;
- Калибр – 6 мм;
- Энергия снаряда – 1,5 Дж;
- Скорость снаряда - 24 м/с;
- Масса снаряда – 5,4 г;
- Напряжение питания – 7,2 В (6х1,2 В);
- Средний потребляемый ток при зарядке батареи – 930 мА;
- Потребляемый ток в холостом режиме (при заряженной батарее) – 80 мА;
- Среднее время зарядки конденсаторной батареи – 35 сек.
Это, пожалуй, всё, что можно рассказать об этой игрушке. С практической
точки зрения устройство, конечно, абсолютно бесполезное, но очень забавное.
Кроме того, такие штуки сами по себе являются неплохим пособием по электронике
и схемотехнике – работая с ними, узнаёшь много нового из этих областей.
4. Фото и видео.
В этом разделе помещены некоторые фотографии и видеоролики с ЕМ-1 в главной
роли.
- ЕМ-1
пробивает навылет алюминиевую банку с водой
- ЕМ-1
пробивает пластмассовую бутыль с водой
- ЕМ-1 пробивает пластмассовую бутыль с водой, снаряд остаётся внутри часть 1
и часть
2
- ЕМ-1
разбивает стеклянный стакан с водой
