Działo elektromagnetyczne COILGUN Działo elektromagnetyczne

Jak to działa? Kiedy przez cewkę płynie prąd, powstaje pole magnetyczne. Ciało, które jest ferromagnetykiem, znajduje się w środku cewki. Pod wpływem pola magnetycznego pocisk doznaje przyspieszenia i wylatuje z cewki.

Schemat ideowy Źródło zasilania Kondensatory Sterownik (Tyrystor SCR) Cewka

Co użyliśmy do budowy? Przetwornicę 12V DC – 230V AC (impulsowa) Akumulator żelowy 12V Kondensatory 4700uF 350V Tyrystor SCR 800V 55A Cewka powietrzna Mostek Graetza Microswitch Diody prostownicze 300V 6A

Schemat blokowy Miernik Akumulator Przetwornica Kondensatory Cewka Tyrystor Microswitch

Schemat elektroniczny (którym się inspirowaliśmy)

Z jakimi problemami się spotkaliśmy?

Siła hamująca pocisk Kiedy pocisk znajduje się między początkiem a środkiem cewki, doznaje przyspieszenia. Kiedy jest w środku niej, nie działają na niego żadne siły. W sytuacji, gdy pocisk znajduje się między środkiem a końcem cewki, jest hamowany. Problem: przy zbyt dużej pojemności kondensatorów pocisk uzyskiwał mniejszą prędkość lub był wyrzucany w przeciwna stronę.

Opóźnienie sygnału (timer) Pierwszy pomysł, który się pojawił, to wyłączenie przepływu prądu po upływie pewnego czasu (układ z timerem NE555) : Microswitch Cewka Tyrystor Tyrystor Opóźnienie sygnału (timer) Głównym problemem tego rozwiązania jest to, że sztuczne dobranie czasu ,,na oko’’ nie sprawdzi się, gdy użyjemy innego pocisku w innych warunkach. Kondensatory

Postanowiliśmy postawić na prostotę: dobraliśmy taka pojemność kondensatorów, przy której impuls będzie trwać jedynie do czasu, w którym pocisk dotrze do środka cewki. Do dyspozycji mieliśmy 6 kondensatorów (każdy o pojemności 4700uF). Drogą doświadczeń wywnioskowaliśmy, że najlepszy efekt można uzyskać przy 2 kondensatorach połączonych równolegle (C = 9400uF).

Wytrzymałość tyrystora Podczas rozładowania kondensatora płynie duży ładunek w małym odstępie czasu. W związku z tym natężenie będzie bardzo duże. Musieliśmy dobrać tyrystor, który wytrzyma natężenie wyładowania.

Wartość ładunku można łatwo obliczyć ze wzoru na pojemność kondensatora: C = Q/U

Energię zgromadzoną w kondensatorze można obliczyć ze wzoru:

Jak obliczyć czas wyładowania? Nasz układ ideowo uprościć można do układu Kondensator-Cewka. Cewka posiada rezystancje (dokładnie 0.6 omów), czyli możemy sprowadzić to do układu Kondensator-Rezystor. Możemy więc użyć wzoru na czas rozładowania kondensatora przez rezystor:

Znając czas i ładunek możemy z łatwością wyznaczyć natężenie prądu: I = Q/t Jednak jest to wartość średnia, gdyż prąd wyładowania nie jest stały:

Musieliśmy więc dobrać tyrystor o trochę większym natężeniu niż średnie natężenie rozładowania. Zwracaliśmy uwagę na parametr dI/dt (max wartość natężenia w małej jednostce czasu). Dla bezpieczeństwa wybraliśmy tyrystor o charakterystyce dI/dt = 100A.

Pocisk Im większa zdolność magnesowania się ferromagnetyku, tym większe przyspieszenie uzyska. Idealnym pociskiem byłoby czyste żelazo. Jednak trudno jest stwierdzić ilość żelaza w pocisku (często wykonuje się stopy). W doborze pocisku porównywaliśmy ciała o tej samej masie, wybierając ten, który był mocniej przyciągany przez magnes. Dla najlepszego efektu pocisk powinien mieć długość równą połowie długości cewki.

Ładowanie się kondensatorów Założyliśmy, że działo ma być przenośne, czyli nie uzależnione od dostępu do sieci elektrycznej. Oparliśmy się na akumulatorze 12V. Aby uzyskać wysokie napięcie rzędu 200-300V, użyliśmy przetwornicy. Generuje ona prąd impulsowy:

Dzięki temu, że przetwornica generuje prąd zmienny prostokątny, do jego wyprostowania wystarczy jedynie mostek Graetza. (nie potrzebujemy kondensatora filtrującego). Jednak uzyskamy o ok. 40V mniejsze napięcie po wyprostowaniu (uzyskaliśmy ok. 286V). Główną wadą tego rozwiązania jest czas potrzebny na naładowanie kondensatorów (ok. 5min). Dzieje się tak, ponieważ przetwornica generuje prąd o małym natężeniu.

Co dalej? Planujemy rozbudować działo; chcemy uzyskać 3-stopniowy coilgun: na każda cewkę użyjemy 2 kondensatorów 4700uF. Sygnał do wyzwolenia impulsu będzie pochodził z bramki optycznej (fotodioda). Udoskonalimy system ładowania, zwiększając maksymalne natężenie i napięcie (cel: 340V, jak najszybsze ładowanie się kondensatorów)

Problemy broni elektromagnetycznej Obecnie ludzkość nie dysponuje wystarczająco wydajnymi źródłami energii, np. działo, które dorównywałoby konwencjonalnemu karabinowi wyborowemu, musiałoby mieć źródło zasilania wielkości wagonu. Niezwykle trudno jest zaprojektować sterownik, który wytrzymywałby potężne wyładowania z kondensatorów oraz wysokie napięcia. Co więcej, trudno jest zaprojektować odpowiednie do tego celu kondensatory. Silne pole elektromagnetyczne byłoby skrajnie niebezpieczne dla zdrowia człowieka, który obsługiwałby urządzenie. Sprawność podobnych układów wynosi zaledwie kilka procent.

KONIEC