Что такое датчик гаусса
Сказ о том, как сделать Гаусс пушку за семь дней
Когда я учился в университете на втором курсе, мне пришел весьма необычный заказ — трехступенчатая Гаусс пушка. Сроки на ее создание были очень короткими: на все про все была лишь неделя. Кроме того, пушка была с физически нереализуемой изюминкой: переполюсовкой магнитного поля катушек, что должно было, по мнению автора пушки, повысить ее КПД. Тем не менее, поскольку я любил Гаусс пушки и мечтал начать зарабатывать деньги любимым делом, я согласился на выполнение заказа.
На каникулах ничто не предвещало.
Ознакомившись со схемой пушки, я просто выпал, ведь это был совершенно секретный чертеж из НИИ времен СССР. К сожалению, схема была сожжена инквизицией не сохранилась, по памяти помню лишь то, что автор хотел заряжать неполярные конденсаторы переменным током. В общем, заказчик не имел ни малейшего понятия о том, как работают Гаусс пушки и электроника в целом, раз даже не знал, что переменным током конденсаторы не заряжают. Поэтому все пришлось делать самому.
Еще один неприятный сюрприз был в том, что корпус для пушки уже был готов. Поэтому расположение катушек менять было нельзя, да и их размер был ограничен по длине.
Что же касается переполюсовки катушек… Я попытался объяснить, что энергия на катушке не может «исчезнуть в никуда», тем не менее, это было важным условием, хотя благодаря моему преложению реализация переполюсовки магнитного поля стала нужна лишь на первой ступени, а остальные три работали, как в обычных Гаусс пушках.
Начало разработки. Мостовая схема управления катушкой
Вышло так, что в команде только я разбирался в электронике на достаточно высоком уровне. Возможно, поэтому разработка шла круглосуточно в течение недели с перерывами на небольшой сон, хотя нас, «Слав», было три человека. («Слав», потому что имена всех троих заканчивались на «слав»).
Первым делом надо был прикинуть, что будет происходить в мостовой схеме включения ключей при попытке подать на катушку напряжение в противоположном направлении после того, как через нее уже начал течь ток. Для этих целей я использовал симулятор LTSpice с необходимыми библиотеками элементов (которые взял вроде как тут и тут). В качестве ключей решил использовать параллельно включенные IGBT транзисторы. Поиск по Гуглу показал, что параллельное включение IGBT транзисторов в Гаусс пушке будет корректно работать, если у каждого транзистора будет небольшое добавочное сопротивление (по памяти вроде 0.1 — 0.5 Ом). Без добавочных резисторов транзисторы скорее всего будут гореть один за другим. Также для защиты от самоиндукции у каждого транзистора должен быть защитный диод. В качестве конденсаторов, конечно же, использовались обычные электролиты емкостью 330 — 470 мкф и напряжением 450 вольт. Значение индуктивности катушки для симулятора было получено из расчетов катушек в программе FEММ. IGBT транзисторы управлялись через специализированные для этих целей оптодрайверы, так как была необходима гальваническая развязка.
В итоге выяснилось, что в мостовой схеме во время переподключения катушки у транзисторов возникали мощные выбросы обратного тока, несовместимые с жизнью кремния. Данную проблему не решало абсолютно ничто, и варистор тоже не спасал. С другой стороны, если по одной диагонали убрать транзисторы и оставить там диоды, получалась схема рекуперации энергии. В случае с рекуперацией остаточная энергия катушки после прохождения через нее снаряда возвращалась обратно на конденсатор.
Эти две новости я сообщил заказчику. Однако заказчик сказал, что переполюсовка должна быть реализована обязательно, даже если придется жертвовать КПД (хотя изначально целью было повысить КПД.). В итоге я просто включил катушку последовательно с добавочным резистором, значение которого подобрал исходя из допустимых значений обратного тока транзисторов.
Пожалуй, именно столкнувшись с расчетами катушек для Гаусс пушки, я впервые узнал о том, что что-то может рассчитываться компьютером часами, если не целыми днями. Как уже писал ранее, расчет проводился с мощью специального скрипта в программе FEMM. Один знакомый дал мне «правдивый» скрипт для расчета. Кому интересно, можете поискать в интернете «coilgun_cu.lua» или скачать тут, пока ссылка работает. Также есть два ресурса (тут и тут), где я читал и про те же IGBT транзисторы, и про FEMM и многое другое.
После завершения расчетов с оптимизацией были получены значения скорости снаряда, КПД пушки, количество витков и т. д. На самом деле, нельзя эти значения назвать единственно оптимальными, при выборе параметров оптимизации приходится руководствоваться технической интуицией, так что нет гарантий, что данные значения будут наилучшими. Скорее всего они будут наилучшими лишь в некоторой области параметров катушек.
Так как пушка трехступенчатая, возникает вопрос, как катушки переключать. Для того, чтобы определить наличие снаряда перед катушкой, было решено использовать стандартное решение в виде оптических датчиков (советую покупать для этих целей импортные ИК светодиоды, так как старые отечественные потребляют очень много энергии). Сигналы от датчиков было решено определять с помощью внешних прерываний микроконтроллера серии AVR. Микроконтроллер также делал замер напряжения на конденсаторах и издавал соответствующие звуки при двух уровнях заряда: когда конденсаторы заряжены полностью, и когда они близки к полной зарядке (80-90% от максимума).
Чтобы зарядить от аккумулятора на 12 вольт конденсаторы суммарной емкостью почти 2000 мкф до напряжения 450 вольт, нужен был достаточно мощный преобразователь. Мне было лень делать преобразователь с нуля, и потому я попросту снял его со своей собственной Гаусс пушки. Кому интересно, это был преобразователь Вальдемара.
Для питания затворов IGBT транзисторов верхней части моста нужно было гальванически развязанное напряжение, которое я решил получать с помощью обычного блокинг генератора. В итоге в пушке добавился еще один преобразователь напряжения.
Создание печатных плат
На тот момент для создания печатных плат я пользовался Sprint-Layout. Данная программа весьма проста в освоении и использовании, для небольших проектов самое то.
Нарисовав все схемы, я распечатал их на глянцевой бумаге и затем утюжком перенес рисунки на подготовленный лист стеклотекстолита с медным односторонним покрытием. Дальше оставалось платы вытравить, залудить, потом запаять детали… И так со всеми 5-тью платами.
Залуженные платы 
Плата с переполюсовкой 
Сборка и тестирование
Собрав все воедино, я получил что-то воде этого: 
Во всяком случае, рекуперация энергии работала, и она была заметна (хотя бы один плюс от использования мостовой схемы для катушек).
Заказчик остался вполне доволен результатом. Деньги мы получили (надо сказать, сейчас я понимаю что это было мало за такую работу) и поделили по заслугам поровну между собой в неравной пропорции.
Позже я обнаружил свое детище в одном бизнес-инкубаторе, где она лежала для красоты. Также ее показывали на одном фестивале, правда, на тот момент она была уже в нерабочем состоянии.
Что такое датчик гаусса
3-х ступенчатая пушка Гаусса (часть 2) GGR Mark I
Корпус данной гауссовки был собран в прошлом посте. В этой части я смонтировал всю силовую электронику, установил датчики положения снаряда и протестировал первую ступень.
Так как ускоритель представлен не одной ступенью, а сразу тремя, то есть необходимость в их правильной коммутации. Они должны включаться в нужный момент. Для определения этого момента на стволе установлены датчики.
Штатные светодиод и фототранзистор снимаются, так как будут использовать те, что выше, и они будут подключены проводами. Всё крепится суперклеем)
Платки с компаратором вешаются с обратной стороны.
Ну а теперь проверка первой ступени. Для теста все было подключено слегка кустарным образом. Но это всего лишь тест)
В результате испытаний было выяснено, что от второй версии вмятины в картоне раза в два глубже. То есть путем оптимизаций при прочих равных (тиристор, конденсатор) реально получилось серьезно поднять КПД, теперь это почти 4% на одноступе (было 1.73%). По расчетам при подключении остальных ступеней получится поднять КПД еще на 1%, что в принципе неплохо.
P.S. картон не прошит так как использовались цилиндрические снаряды без заострения. Первая версия гауссовки (верхняя вмятина) пробивает алюминиевые банки насквозь.
После протестированной первой ступени, я подключил остальные. Теперь всё соединено проводами в силиконовой изоляции. Конденсаторы заряжаются параллельно через диоды, земля общая. Время зарядки
9 секунд, можно и быстрее, но для меня совсем не критично, так как запускать снаряды очередями я не собираюсь.
От автоматической подачи снарядов пока пришлось отказаться, поэтому пока будет ручная в виде скользящего затвора.
А на передней части я смонтировал планку Пикатинни. Эта штука скорее по фану, так как особой точности она не придаст, а при небольшой скорости снаряда в принципе вообще любые прицельные приспособления — декорация.
Итак, силовая часть сделана, датчики положения снаряда установлены. Первая ступень протестирована, и она реально в два раза мощнее первой гауссовки.
В следующей части установлю микроконтроллер и подключу остальные ступени, проверим что эта штука может.
Спасибо, что дочитали до конца. Надеюсь было интересно)
Как всегда оставляю видео-версию для желающих ознакомится в таком формате.
Тесты на картоне на 8:06
Все скидки и промокоды в одном месте
Вы там как, готовы к осенним распродажам? Чтобы не пропустить самые интересные и выгодные предложения, подпишитесь на полезный телеграм-канал Пикабу со скидками. Да, Пикабу не только для отдыха и мемов, но и для экономных покупок!
В «Пикабу Скидки» вы найдете актуальные предложения:
• доставки еды (KFC, Delivery Club, «Папа Джонс»);
• книги («Читай-город», «Литрес», Storytel);
• услуги и сервисы («Делимобиль», Boxberry, «Достависта»);
• маркетплейсы и гипермаркеты (Ozon, «Ашан», «Яндекс.Маркет»);
• одежда и обувь (Adidas, ASOS, Tom Tailor)
• бытовая техника и электроника («М.Видео», «Связной», re:Store);
• товары для дома (IKEA, «Леруа Мерлен», Askona);
• косметика и парфюмерия («Л’Этуаль», «Иль де Ботэ», Krasotka Pro);
• товары для детей («Детский мир», TOY, Mothercare);
• образование («Нетология», GeekBrains, SkillFactory);
• и еще куча-куча всего.
3-х ступенчатая пушка Гаусса (часть 1. корпус) GGR Mark I
Данный пост является продолжением этого, где я рассказал про свою самую первую пушку Гаусса. Так как с одноступенчатой я наигрался, захотел попробовать свои силы в постройке многоступенчатой версии. На текущий момент ресурсов хватает на 3 ступени. Вот с такого количества и начну.
В этой части я расскажу про постройку корпуса – тушки устройства. В следующей части речь пойдет про электронику, настройку и испытания. Расчеты это конечно хорошо, но куда интересней проверить их в реальных условиях.
Изначально я планировал 8 прорезей под каждой катушкой, но в итоге сделал всего 4 и хорошо, так как с этим возникли потом проблемы, которые я почему-то не предугадал.
Борта катушек выполнены в виде хомута. Такая конструкция позволяет их легко и надежно закрепить в любом месте трубки и удобно мотать катушку. Прорезь позволяет плотнее стянуть борт и вывести провод с первого слоя катушки. По краям есть пазы для гаек с нейлоновой вставкой. Через них к ускоритель крепится к боковинам корпуса из оргстекла.
В общем, я решил заменить скотч печатным в один слой кожухом. Сам по себе он не обладает достаточной жесткостью, но когда намотан провод, нагрузка распределяется и компенсируется. Результат намнооого лучше, чем было.
После того как ускоритель был готов, можно было дособирать корпус.
Итого, 3 катушки. Первая и вторая проводом 0.8 мм, третья 1 мм. Конденсаторы и тиристоры будут точно такие же как и в первой версии. Путем расчетов с оптимизацией при прочих равных КПД первой ступени удалось поднять с 1,7% до 3,96%, то есть более чем в два раза. Общий расчетный КПД системы 5,33%. Последующие ступени зачастую мотаются большим диаметром провода. Это единственная закономерность с которой столкнулся лично я, все остальное разнится от конфигурации к конфигурации, нужно подбирать.
Магазин, к сожалению, вышел не работоспособным, толкатель клинит, потом может быть разработается, но это не точно. Главный плюс, перезарядка по одному снаряду будет работать исправно. Больше всего горжусь гнездом для зарядки. По задумке оно должно само откидываться вверх с помощью пружины в виде магнитов при открывании замков. Но магниты вышли слабоваты, сила трения сильнее.
Забегая вперед, скажу что, с точки зрения электроники я доведу эту версию до конца, но вот магазином и подачей снарядов я не доволен. А так как все нужно довести до ума и успокоиться, будет полностью переосмысленная третья версия. Она изначально будет доступна для печати и повторения.
Спасибо, что дочитали до конца. Надеюсь было интересно.
Как всегда оставляю видео-версию для желающих ознакомится в таком формате.
Гаусс Пушка (пистолет) GCG Mark II
Заскучав на карантине и пошарив по своим запасам, я выяснил, что у меня есть все детали для постройки гаусс пушки, которую я хотел собрать лет 5-6 назад.
Согласно FEMM ток не выше 300 ампер. Тиристор 70TPS12, который был у меня в наличии, подходит отлично, даже с запасом. Конденсатор Epcos 450в 1000мкФ. Преобразователь на базе ZVS драйвера с отсечкой по напряжению. Зарядка 1.5 секунды. В качестве питания стоят высокотоковые банки 18650 в количестве трех штук последовательно. Наружу выведен разъем для балансировки. Так как BMS отсутствует за разрядом аккумуляторов следит обычная пищалка.
Гауссовка вышла однозарядной. Есть маленькая фишечка в виде магнита, который не дает снаряду вывалится во всех положениях, даже если не сильно потрясти.
Снарядом является обрезок болта 7х28. Масса такой железки примерно 8.5 грамм.
На торце стоит «показометр» напряжения на конденсаторе. Вытащил из старой техники, подлежащей утилизации, которая валялась на заднем дворе универа. Пока не было преобразователя с отсечкой, заряжал руководствуясь его показаниями. Естественно предварительно пришлось выяснить его внутреннее сопротивление и подогнать под мои цели. А до «показометра» заряжал по мультиметру, но весь стол был в крокодилах.
Зеленая шкала стала соответствовать напряжению от 430в до 470в, так что ровно по середине заветное номинальное напряжение конденсатора. За которым все равно следит преобразователь, так что процесс перезарядки: просто удерживать кнопку.
А в итоге вышло следующее:
Начальная скорость снаряда: 20.8 м/с
Дульная энергия 1.7 Джоуля
Так как эта тема мне показалась довольно увлекательной, я решил собрать еще одну версию, но теперь она будет состоять из 3х ступеней, и основной задачей будет максимальный КПД. При том же конденсаторе получилось поднять КПД первой ступени до 3.8%(!), чем я очень доволен.
Затравочка на следующую пост:
Спасибо, что дочитали до конца. Надеюсь было интересно.
Видео версия, если вдруг кому-то будет интересно следить за моим творчеством в таком формате.