Coilgun - Piirilevyn suunnittelu
Coilgun on elektromagneettinen kiihdytin, jonka tarkoituksena on kiihdyttää magneettinen kappale sähkömagneettien avulla. Tässä projektissa suunnitellaan ja simuloidaan sähkömagneettista kiihdytintä. Osat suunnitellaan Autodesk Fusion -ohjelmistolla, piirilevyt tilataan JLCPCB piirilevyvalmistajalta.
Tavoitteet:
- Laitteen fyysinen pieni koko, sekä pieni varastoitu energia. Tässä projektissa käytetään kondensaattoria joka on 210uF ja ladataan korkeintaan 400V jännitteelle. Tämä rajaa varastoidun sähköenergian 16.8 jouleen.
- Tavallista korkeampi hyötysude. Tavallisesti näissä kiihdyttimissä on erittäin matala hyötysuhde, tyypillisesti 0.5-1%. Tämän projektin tavoitteena on vähintään 10% hyötysuhde. Hyötysuhde lasketaan mittaamalla käytetty sähköinen energia / kineettisellä energialla.
- Sähkömagneetin PWM ohjaus, PWM ohjauksella rajoitetaan energian käyttöä niin että kondensaattorista purettaisiin vain 10 joulea energiaa. 10% hyötysuhteella tämä tarkoittaisi 1 joulen kineettistä energiaa.
Suunnitelma ja simulointi
Tarkoituksena on yrittää piirin toimintaa käyttämällä 60mm pitkää käämiä, joka toimii sähkömagneettina. 60 millimetriä pitkä käämi antaa 30 millimetrin matkan kiihdytykselle, koska sähkömagneetti vetää kappaleen keskipisteeseen asti. Tämän lisäksi 60 millimetriä pitkällä käämillä saadaan induktanssi todella matalaksi, joka on tärkeää projektissa että virta saadaan nostettua nopeasti ja vastaavasti magneettikenttä saadaan nopeasti riittävän vahvaksi. Pitkän sähkömagneetin ongelmana on, että siinä menee paljon hukkaan energiaa ja käämin alkupäässä magneettikenttä on heikompi kuin sähkömagneetin keskellä. Periaatteessa paras sähkömagneetti olisi saman pituinen kuin kiihdytettävä kappale eli 5 millimetriä, tässä on kuitenkin ongelmana että kappaleen kiihdyttämiseen jää liian vähän aikaa ja sähkömagneetin induktanssi on todella korkea, joka hidastaa magneettikentän luomista.
Simulaation mukaisesti virtaa ohjataan PWM taajuudella, joka rajoittaa ettei virta nouse liian suureksi. Teoriassa lähtönopeudeksi voitaisiin saada 30mm/500us = 60 m/s. Tähän kuitenkin vaikuttaa onko magneettikenttä riittävän voimakas, magneettikentän voimakkuutta voidaan lisätä nostamalla virtaa käämissä.
Coilgun V1 - 1.1.2024
Ensimmäinen piirilevy valmistettiin 2024 tammikuussa. Piirilevyn ohjaimessa huomattiin useita virheitä, jotka aiheuttivat hallitsemattomia jännitepiikkejä ja mosfettien aukeaminen ei tapahtunut oikein. Jännitepiikit hajottivat monia mosfet transistoreja, kun laitetta testattiin.
Coilgun V1 - Mittaukset
Piirin toimintaa mitattiin oskilloskoopilla. Mittauksissa huomattiin että Mosfetin Gate jalkaan aiheutui todella paljon oskillointia. Osittain oskillointi johtui todennäköisesti liian pitkästä virtajohtimesta ja miller -ilmiöstä. Valitettavasti ensimmäinen versio ei toiminut ollenkaan niin, että kiihdytin olisi toiminut ja kappale olisi liikahtanut kunnolla.
Kuvan selite:
- Keltainen väri on mosfetin gate jalalta mitattu jännite.
- Violetti väri on käämin yli mitattu jännite.
- Vaaleansininen on mosfet ajurille tuotu ohjausjännite.
Mittaaminen oskilloskoopilla - 60V jännite
- 60V jännitteellä toiminta näyttää melko hyvältä.
Mittaaminen oskilloskoopilla - 160V jännite
- 160V jännitteellä huomataan paljon oskillointia. Mosfetin gate jännitteellä kestää lähes 1 mikrosekunti nousta huippulukemaan.
Coilgun V1 kehitys
Coilgun V2 - 8.3.2024
Toiseen versioon pävitettiin piirilevyä paljon ja useita virheitä korjattiin. Mosfetin ohjaus piiristä tehtiin huomattavasti lyhyempi, tämän pitäisi vähentää oskilointia huomattavasti. Suuri jännnite puoli ”eristettiin” muusta virtapiiristä erillisen teho ground planen avulla. Mosfetiksi valittiin tehokkaampi 4 jalkainen mosfet, joka käyttää erillistä Driver Source pinniä. Erillinen driver source pinni luo matalavirtaisen liitännän mosfetin ohjaamiselle, tämän pitäisi parantaa mosfetin korkean di/dt alueen toimintaa. Piirilevyyn suunniteltiin paikka ESP32 ohjaimelle ja luotiin 5V jännite regulaattori.
Coilgun V2 - Mittaukset
- Mittausten mukaan näyttäisi siltä, että oskillointia on saatu huomattavasti vähennettyä, mutta sitä esiintyy edelleen. Uudella versiolla näyttäisi olevan mosfetin aukaisu nopeus noin 300nanosekuntia 160 voltin jännitteellä, tämä on edelleen paljon mutta huomattavasti parempi kuin ensimmäisen version lähes 1000 nanosekuntia.
Kuvassa nähdään keltaisella mosfetin gate signaalin jännite, tässä näkyy paljon oskillointia ja jännite saavuttaa huippuarvonsa noin 300 nanosekunnissa.
Sinisellä värillä nähdään MCP1407 driverin VCC jännite, joka putoaa paljon kun mosfettia avataan. Tämä saattaa johtuu vääränlaisista kondensaattoreista MCP1407 driverilla.
Kuvan selite:
- Keltainen väri on mosfetin gate jalalta mitattu jännite.
- Violetti väri on käämin yli mitattu jännite.
- Vaaleansininen on mosfet ajurille tuotu ohjausjännite.(Toisessa kuvassa näkyvä suuri oskillointi johtui mittapään huonosta maadoituksesta)
Mittaaminen oskilloskoopilla - 60V jännite
- 60V käyttöjännitteellä ei ole suurta eroa aiempaan versioon.
Mittaaminen oskilloskoopilla - 160V jännite
- 160V jännitteellä huomataan että uusi versio nostaa jännitteen huomattavasti nopeammin. Mosfetin ohjausjännite nousee 290 nanosekunnissa.
Coilgun V2 - Huomiot
Ylimääräisissä mittauksissa huomattiin, että MCP1407 driverin käyttöjännite putoaa liian paljon kun mosfettia ohjataan. Tämä saattaa johtua vääränlaisesta kondensaattorista, joka ei pysy suuren virran käytön mukana.
MCP1407 - Mittaus
Kuvasta nähdään että ajurin jännite putoaa jopa 0 volttiin oskilloinnin aikana. Lisäksi jännite näyttäisi myös nousevan 24 volttiinkin, joka on liian paljon ajurille. Jännitteen oskilloinnin syytä yritetään selvittää. Tämä saattaa myös johtua käämin ottamasta suuresta virrasta, joka aiheuttaa heittelyä koko ground tasoon.
Keltainen MCP1407 käyttöjännite
Käyttöjännitteen tasaaminen
Piirilevyyn lisättiin erillinen low esr elektrolyyttikondensaattori, sekä driverin käyttöjännitteen pinneihin kolvattiin suoraan filmi ja keraaminen kondensaattori. Käyttöjännitettä saatiin tasattua paljon.
Vaaleansininen MCP1407 käyttöjännite
Keltainen Mosfet ohjaus-signaali
Coilgun V2 - Käämi päivitys
Käämiin muotoilua muutettiin ja käämiin lisättiin kierroksia huomattavasti. Aiempi käämi oli käämitty vain ~120 kierroksella ja käämin pituus oli 60 millimetriä, tämän takia käämin induktanssi oli erittäin matala vain 15 uH. Matalan induktanssin oli tarkoitus olla hyvä asia, koska virta saadaan nostettua nopeasti, mutta tämä oli jo aivan liian vähän ja aiheutti sen takia ongelmia. Uusi käämi käämittiin ~480 kierroksella, tämä nostaa käämin magneettikentän tehoa / Ampeeri 4 kertaisesti ja käämin induktanssi nousi 340 uH. Uudella käämillä piirin di/dt aika saatiin huomattavasti matalammaksi, joka oli aiemmassa piirissä ongelmana.
Kuvassa on mitattu jännitettä käämin yli, käytössä oli 380V käyttöjännite. 10us aika akselilla signaali näyttää jo todella tarkalta. Jos aika akselia pienennetään 100nS huomataan vielä jotain värähtelyä, mutta tämän ei pitäisi olla haitaksi.
Coilgun V2 - Uusi käämi
Uudesta käämistä tehtiin 30 millimetriä pitkä ja kierroksia oli noin 350. Uudella käämillä rautakappale saatiin jo lentämään melko hyvin. Hyötysuhteeksi mitattiin noin 2% uudella käämillä. PWM asetuksia säätämällä mahdollisesti voisi päästä vielä parempaan hyötysuhteeseen.
Piirilevyn muutokset
Uuteen piirilevyyn on suunniteltu muutoksia, joiden tarkoitus olisi vähentää oskillaatiota entisestään ja tehostaa elektroniikan toimintaa. Komponenttien sijainteja on muutettu niin, että kasaaminen olisi helpompaa jatkossa. Sisääntuloon lisättiin isompi kondensaattori ja 12V linjaa parannettiin MCP1407 komponentille. Mosfetin gate-driver source etäisyyttä pienennettiin entisestään ja mosfetin etuvastukset otettiin kokonaan pois. LD1117 komponentin hyötysuhde on todella huono käyttöjännitteen ollessa 12 volttia, joten lineraari regulaattoriin piti kiinnittää ylimääräinen jäähdytyssiili.
Tehon ja hyötysuhteen mittaaminen
- Tehoa mitattiin käyttämällä kahta optista anturia, joiden avulla määritettiin metallisen kappaleen loppunopeus. Anturit oli sijoitettu 20 millimetrin etäisyydelle toisistaan, joten nopeus saatiin mitattua laskemalla kulunut aika, kun kappale ohittaa molemmat anturit. Hyötysuhde mitattiin mittaamalla kondensaattorin jännite ennen ja jälkeen, kun kappale oli kiihdytetty sähkömagneetin avulla. Kulutettua energiaa verrattiin kineettiseen energiaan, joka kappaleella oli kiihdytyksen jälkeen. Kineettinen energia laskettiin kun tiedettiin kappaleen nopeus ja paino.
Teho ja hyötysuhde mitattiin kolmella eri käämillä ja käytiin useita eri yhdistelmiä pulssisuhteen(PWM) ja ajoituksen kannalta.
Käämit näyttävät ulkoisesti melko samanlaisilta, mutta erona oli käämiin kierritettyjen kierrosten määrä.
- Käämi 250T, kierroksia yhteensä 250. Laskennalinen resistanssi : 620 millihomia, Induktanssi: 170 mikrohenriä.
- Käämi 350T, kierroksia yhteensä 350. Laskennalinen resistanssi : 960 millihomia, Induktanssi: 386 mikrohenriä.
- Käämi 450T, kierroksia yhteensä 450. Laskennalinen resistanssi : 1350 millihomia, Induktanssi: 730 mikrohenriä.
Mittaustulos:
- Hyötysuhde korkeimmillaan 3.48%
- Lähtönopeus korkeimmillaan 13.6m/s
Käämi 350T
Mittaustulos:
- Hyötysuhde korkeimmillaan 4.26%
- Lähtönopeus korkeimmillaan 14.25m/s
Käämi 450T
Mittaustulos:
- Hyötysuhde korkeimmillaan 4.70%
- Lähtönopeus korkeimmillaan 14.27m/s
Käämien testaaminen ja hyötysuhteen mittaaminen
Videolla testataan kolme eri käämiä, jotka on esitelty yläpuolella. Mitataan hyötysuhde ja lähtönopeus.