Kuva 1. Coilgunin periaatekuva. Ammus on putkessa vasemmalla. Klikkaamalla isommaksi.
Viimeisimmät päivitykset
- 17.12.2005 Korjailtu linkkejä
- 21.4.2003 Korjailtu linkkejä
- 16.8.2002 Coilgun kuvasarja: takaiskusuojan selitys rautalangasta väännettynä
- 13.8.2002 Tarkennusta toimintaan, tyristoreihin ja suojapiiriin, lisätty osio laturi
- 11.8.2002 Lisää tarinaa kondensaattoreista.
Päätin alkaa kokoamaan tätä dokumenttia huomattuani, että samat kysymykset alkoivat toistua MuroBBS:n jo muutenkin melko pitkäksi käyneessä Coil Guns -threadissa. Lisäksi aiheelta taitaa puuttua perustavaa laatua oleva suomenkielinen sivusto.
Minä tai kukaan muukaan ei vastaa mistään täällä esitetyistä asioista millään tavalla, mutta pyrin välttämään virheitä ja epäselvyyksiä parhaan kykyni mukaan. Jokainen rakentaa laitteensa omalla vastuullaan.
Otan erittäin mielelläni vastaan kommentteja, parannusehdotuksia, oikaisuja, linkkejä ja erityisesti hyvin kirjoitettuja dokumentteja liitettäväksi tänne. Parhaiten asia hoituu heittämällä mailia osoitteeseen pq@iki.fi.
1. Yleistä
- 1.1. Mikä on coilgun?
- 1.2. Miten coilgun toimii?
- 1.3. Miten Thompsons coilgun toimii?
- 1.4. Mikä on monivaiheinen coilgun?
- 1.5. Mitä osia coilgunissa on?
- 1.6. Tarvitseeko coilgun satojen volttien jännitteen?
2. Komponenteista
- 2.1. Putki (kesken)
- 2.2. Käämi (kesken)
- 2.3. Ammus (kesken)
- 2.4. Tyristori
- 2.5. Kondensaattorit
- 2.6. Laturi
3. Suojapiirejä
- 3.1. Käämin takaisku
4. Mittauksia
- 4.1. Ammuksen nopeus
- 4.2. Induktanssi
5. Turvallisuus
- 5.1. Sähköisku
- 5.2. Kipinöinti ja kuumeneminen
- 5.3. EMP
- 5.4. Mekaniikka
6. Linkkejä
- 6.1. Englanninkielisiä sivustoja
- 6.2. Suomenkielisiä sivustoja
- 6.3. Sekalaista
Coilgun on laite, joka sähkövirralla synnytetyn magneettikentän avulla kiihdyttää kappaleita eli ampuu. Coilgun sekoitetaan monesti railguniin, joka myös toimii sähkövirran synnyttämällä magneettikentällä, mutta pääasiallinen ero on, että railgunin ammuksen läpi johdetaan suuri virta työntövoiman aikaansaamiseksi. Coilgunissa ammuksen läpi ei johdeta virtaa.
Coilguneja on kahta eri perustyyppiä, "normaali" (jota englanniksi kutsutaan nimellä reluctance coilgun) ja Thompsons coilgun. Normaalissa mallissa (kuva 1.) ammus, joka on tehty magneettiin tarttuvasta materiaalista, kulkee putkessa käämin sisällä. Thompsons -mallissa (kuva 2.) ammus on rengas, joka kulkee käämin ytimen päällä. Thompsons disc shooter on myös samalla periaattella toimiva, mutta ulkomuoto on erilainen. Käämi on litteä spiraali ja ammus kiekko spiraalin päällä.
Tässä dokumentissa coilgun viittaa em. normaaliin malliin ja Thompsons -versiosta puhuttuaessa mainitaan Thompsons erikseen.
Kuva 1. Coilgunin periaatekuva. Ammus on putkessa vasemmalla. Klikkaamalla isommaksi.
Kuva 2. Thompsons coilgunin periaatekuva. Ammus on oikealla oleva rengas. Klikkaamalla isommaksi.
Ammus on aluksi putken toisessa päässä. Kun käämiin kytketään virta, alkaa magneettikenttä vetää
ammusta kohti käämin (magneettista) keskipistettä. Ammus on saavuttanut jonkin nopeuden ehdittyään
käämin keskelle. Tässä vaiheessa magneettikenttä pitää sammuttaa, ettei se ala jarruttaa ammusta.
Ammus jatkaa saavuttamallaan nopeudella käämin keskeltä ulos. Jos käämi olisi vielä päällä, se vetäisi
ammusta takaisin kohti keskustaa ja hidastaisi sitä.
(Tästä johtuen väärin mitoitettu coilgun voi ampua jopa väärään suuntaan!)
Yksinkertaisimmissa tyristorilla kytketyissä malleissa virran katkeamisesta "huolehtii" kondensaattorien energian loppuminen. Tämä tietysti vaatii sellaista mitoitusta, että kondensaattorit tyhjenevät sopivassa ajassa.
Thompsonin mallissa rengasmainen ammus ei saa olla magneettiin tarttuva, koska tästä syntyvä vetovoima voittaisi hylkimisvoiman. Ammukseen kohdistuva voima syntyy siihen indusoituvan virran vaikutuksesta. Kun käämin virta muuttuu hyvin jyrkästi, myös magneettikenttä muuttuu jyrkästi, ja ammukseen indusoituu virta. Tämä virta luo oman magneettikenttänsä, joka on sen suuntainen, että käämi ja ammus hylkivät toisiaan.
Thompsonin mallissa nimenomaan virran muutosnopeus on se ratkaiseva tekijä, kun normaalissa coilgunissa "riittää" luoda ja sammuttaa tarpeeksi suuri virta. Tästä voidaan päätellä, että Thompsonin mallissa on edullista käyttää korkeita jännitteitä.
Monivaiheisessa coilgunissa on useita kuvassa 1 esiintyviä kiihdytysyksikköjä peräjälkeen. Kukin näistä säädetään antamaan ammukselle lisää nopeutta. Systeemin ajoitus on hyvin tarkka, ja se on lähes mahdoton saada toimimaan kunnolla ajastimilla. Yleensä käytetäänkin optisia antureita, valoportteja, kertomaan ammuksen sijainti ja oikea käämin kytkentähetki.
Coilgunissa on putken päälle tehty käämi. Käämiin syötetään suuri hetkellinen virta, joten lähes aina paras virtalähde on kondensaattori tai kondensaattoripankki.
Virran kytkemiseen tarvitaan laite, joka kestää sekä suuren virran, että syntyvät jännitteet. Mekaanisten kytkinten ongelma on kipinöinti, mikä hukkaa energiaa. Massiiviset tyristorit (SCR:t) ovat saavuttaneet suosiota varsinkin isompien virtojen kanssa. Pienemmillä virroilla voidaan käyttää transistoreja, jolloin virta voidaan myös katkaista halutulla hetkellä, toisin kuin tyristorilla.
Kondensaattorit pitää varata jostakin, joten siihen tarvitaan jännitelähde. Sähkölätkiä on ehdotettu niiden mukavuuden takia, mutta niistä ei saada tarpeeksi tehoa lataamaan riittävän kokoisia kondensaattoreita. Kameran salaman latauspiirillä pääsee hieman pidemmälle. Verkkosähkön käyttö on kohtuullisen helppoa, mutta vaikka jännite sattuisikin olemaan suoraan sopiva, ei sitä kannata käyttää sellaisenaan. Vähintään erotusmuuntaja tulisi olla turvallisuuden vuoksi. Asian voi hoitaa esim. kaivamalla miljoonalaatikosta kaksi muutajaa ja kytkemällä ne sopivasti peräkkäin. Riippuu tietysti tarvittavasta jännitteestä ja tehosta mikä ratkaisu on paras, paristotkin voivat riittää.
Lisäksi voidaan tarvita erilaisia suojapiirejä, jotka mm. estävät käämiä hajottamasta kondensaattoreita tai kytkintä jännitepiikillä. Tyristorin liipaisuunkin voi rakentaa ihan kunnollisen piirin, joka takaa tyristorin täyden liipaisun. Se auttaa virran kytkeytymisessä ja voi myös pidentää tyristorin elinikää.
Monivaiheiset coilgunit tarvitsevat vielä liipaisuelektroniikan, joka huolehtii käämien kytkemisestä oikeaan aikaan. Valoportit lienevät mukavin ratkaisu.
Ei. coilgunin voi, ja aluksi kannattaakin, rakentaa toimimaan pienellä jännitteellä, esim. 12V. Tällöin pitää kuitenkin muistaa, että pienetkin resistanssit rajoittavat huippuvirtaa tehokkaasti.
Suuria jännitteitä käytetään suurien energioiden takia ja virran nousunopeuden ja huippuvirran kasvattamiseksi. Isot jännitteet tuovat ongelmia kytkinkomponettien valintaan ja vaativat monesti erityisen jännitelähteen rakentamista.
Seuraavat tiedot pätevät lähinnä normaalille coilgunille. Putken, käämin ja ammuksen ominaisuudet ovat Thompson -mallissa hyvin erilaisia.
Putken materiaali ei missään nimessä kannata olla ferromagneettista (magneettiin tarttuvaa) materiaalia. Muoviputki on hyvä, jos se ei sula. Lasiputki on hyvä, jos käämi ei rusenna sitä murusiksi.
Metalliputki on kestävin vaihtoehto, mutta huonona puolena siihen indusoituu virtoja, jotka hukkaavat energiaa. Nämä virrat muodostavat oman magneettikenttänsä, joka vastustaa ulkoista kenttää ja siten heikentää toimintaa. Tätä voi vähentää leikkaamalla putkeen uria, jotka katkaisevat virtasilmukan (kts. kuva 1). Tehokkainta on vetää koko sivu auki päästä päähän. Käämin ja metalliputken väliin kannattaa laittaa eristys.
Käämistä ei valitettavasti ole vielä tekstiä.
Ammuksen tulee olla ferromagneettista ainetta, piiteräs lienee oikein hyvää. Ammukseen indusoituu haitallisia pyörrevirtoja, kuten putkeenkin (kohta 2.1). Kokeiluja voi tehdä vaikka magneettiin tarttuvilla ruuveilla (tai ruuvimeisseleillä ;-).
Tyristori, SCR, Silicon Controlled Rectifier, on puolijohde, joka muistuttaa hieman transistoria. Se liipaistaan johtavaksi ja johtaa virtaa vain yhteen suuntaan. Toisin kuin transistori, tyristori lakkaa johtamasta vasta, kun sen läpi kulkeva virta putoaa lähelle nollaa. Sitä ei voi sammuttaa kuten transistoria. Kuvassa 3 on esimerkki tyristorin käytöstä.
Kuva 3. Kytkennässä tyristori ohjaa lamppua. On -napin painalluksella tyristori jää johtamaan ja lamppu palaa.
Lamppu sammuu vasta, kun off -nappia painetaan, jolloin tyristorin kautta kulkeva virta katkeaa ja tyristori jää
tukkoon.
On kuitenkin olemassa GTO-tyristoreja, jotka voi kääntää myös pois päältä. Näistä minulla ei kuitenkaan ole enempää tietoa.
Tyristoreista ja muista samankaltaisista kytkinkomponenteista vaihtovirtapiireissä löytyy tietoa sivulta Lessons In Electric Circuits -- Volume III, Chapter 7, THYRISTORS.
Suuren virran ja jännitteen kestäviä tyristoreja olen nähnyt kahta lajia: "pultti" ja disc. Disc-tyyppiset (kutsutaan myös hockey puck) tyristorit pitää asentaa puristimeen ja niille on määritelty vähimmäisasennusvoima, jotta ne toimivat kunnolla ja kestävät. Tämä voima voi olla jopa 50kN eli 5 tonnia.
Kondensaattorit ovat coilgunin energiavarasto. Energia lasketaan kaavalla
.
E energia joulea, C kapasitanssi faradia (huom. yksikkö), U jännite volttia.
Kytkettäessä kondensaattoreita rinnan kapasitanssit lasketaan suoraan yhteen ja
kaikkiin vaikuttaa sama jännite. Sarjaankytkennässä yhteiskapasitanssi lasketaan kaavalla
.
Sarjaankytkennällä voi kondensaattoripankin jännitekestoa kasvattaa, mutta pitää muistaa,
että missään nimessä kondensaattorin kylkeen kirjoitettu jännitearvo ei sano paljonko
kondensaattoriin oikeasti jännitettä tulee.
Sarjaankytkettyjen kondensaattorien jännite jakautuu pääasiassa kapasitanssien määräämällä tavalla. Sarjaankytkennässä kaikkien komponenttien läpi on sama virta. Virran yksikkö ampeeri tarkoittaa kulkenutta varausmäärää aikayksikössä eli coulombia sekunnissa. Kondensaattorin jännite U=q/C, missä q on kondensaattorin varaus ja C kapasitanssi. Tällä voidaan arvioida kondensaattorien jännitejakaumaa, mutta jos vuotovirrat ovat erilaiset, eivät näin yksinkertaiset laskelmat pidä paikkaansa. Kondensaattorien jännite voi jakautua arvaamattomasti, joten sarjaankytkentää on hyvä välttää.
Kauan varastossa levänneitä elektrolyyttikondensaattoreita voi joutua herättelemään. Tämä tehdään varaamalla niitä hyvin pitkään pienellä virralla.
Suosituin laturityyppi on verkkomuuntaja (tai useampi peräkkäin), jolloin saavutettava jännite voi olla mitä vain muutamasta voltista jopa kilovoltteihin. Kondensaattorien lataamiseksi väliin on kytkettävä tasasuuntaaja tai vähintäänkin diodi. Lisäksi kannattaa käyttää jonkinlaista latausvirran rajoitusta, sillä tyhjä iso kondensaattori käy latauksen kytkemishetkellä oikosulusta.
Jos tarvittava jännite on luokkaa verkkojännite tai enemmän, suosittelen käytettäväksi
kahta muuntajaa sarjassa niin, että ensimmäinen toimii kuten normaali verkkomuuntaja
(laskee jännitettä) ja toinen on kytketty sen perään "väärinpäin" eli se nostaa jännitettä.
Näin saavutetaan galvaaninen erotus verkkovirrasta, mikä saattaa merkitä hengen pelastumista tai
sähköiskun välttämistä. Toinen hyöty on, että muuntajat itsessään jo rajoittavat virtaa, joten erillistä
vastusta ei latauspiiriin välttämättä tarvita. Lisäksi normaaleja verkkomuuntajia on helpompi
löytää kuin ylennysmuuntajia.
Ole hyvin, hyvin huolellinen isojen jännitteiden ja virtojen kanssa.
Lataamista varten on hyvä tietää jännite, johon muuntajalla pääsee. Mittaamalla muuntajan lähtöjännite ilman kuormaa (tasasuuntaajaa ja kondensaattoria) ja kertomalla se 1,41:llä (neliöjuuri kaksi) saa jännitteen, jota ylemmäs kondensaattorit eivät voi latautua. On turvallista katsoa tuo jännite sellaiseksi, ettei se ylitä kondensaattorille annettua maksimijännitettä.
Tässä turvallisessa tavassa on kuitenkin se huono puoli, että kondensaattorin latautuminen 2/3:sta lähes täyteen kestää hyvin kauan. Jos kuormittamattoman lähtöjännitteen mitoittaa suuremmaksi, kondensaattoritkin saa nopeammin täyteen, mutta ylijännitteen vaara on ilmeinen. Tällöin laturiin pitää laittaa jännitevahti, joka katkaisee latauksen ennen ylijännitettä. Älä luota käsikatkaisuun ja jännitemittariin. Lataaminen tulee aina katkaista laukaisun ajaksi varsinkin tyristorikäyttöisissä laitteissa.
Kuva 4. coilgunin tärkein piiri: kondensaattori, tyristori ja käämi.
Kun piirin kondensaattori on varattu ja tyristori liipaistaan, lähtee virta kulkemaan piirissä myötäpäivään. Kondensaattorin jännite putoaa nollaan, mutta käämi pitää edelleen virtaa yllä. Näin ollen kondensaattori varautuu lopulta negatiiviselle jännitteelle, mikä voi tuhota elektrolyyttikondensaattorin, jopa räjäyttää sen. Näin ollen suojapiiri on pakollinen.
Yksinkertaisimmillaan riittää laittaa suuren virran kestävä diodi käämin rinnalle estosuuntaan eli kuvassa 4 tulisi diodin kärki vasemmalle. Suurienergisissä laitteissa tarvitaan useita diodeja rinnan, sillä yksi diodi ei kestäisi virtaa. Tällöin kunkin diodin kanssa sarjaan on kytkettävä samanlainen pieniohminen suuren tehon kestävä vastus (kuva 5.), joka tasaa diodeihin jakautuvaa virtaa. Muutoin diodien yksilölliset erot voivat johtaa siihen, että kaikki diodit hajoavat peräjälkeen. Pitää kuitenkin huomata, että diodi-vastus parin yli vaikuttava jännite nousee, mikä tarkoittaa isompaa negatiivista jännitettä kondensaattorille. Vastus ei siis saa olla liian iso.
Kuva 5. coilgunin tärkein piiri, jossa mukana takaiskusuoja: vastus ja diodi.
Mikäli kondensaattoreita varataan tasasuuntaajan kautta, eikä tasasuuntaajaa irroteta piiristä laukaisuhetkellä, negatiivinen pulssi purkautuu sen ja tyristorin läpi. Tyristori on siinä vaiheessa edelleen johtavassa tilassa ja päästösuuntaan, mikä sallisi myös kondensaattorien varautua negatiiviselle jännitteelle.
Tämä suojapiiri on oikeastaan hirveä energian hukkaaja, sillä sen avulla kaikki ylijäämäenergia (jota on suuri osa alkuperäisestä energiavarauksesta) muutetaan lämmöksi suojapiirissä ja käämissä. Mikäli kondensaattorin voisi varata myös negatiivisesti, ei tätä piiriä tarvittaisi. Ylijäämäenergia vain varautuisi takaisin kondensaattoriin negatiiviseksi jännitteeksi. On olemassa kytkentöjä, joilla voi siepata tämän käämistä takaisin tulevan energian, mutta tyristorin kanssa se ei ole helppoa ellei jopa mahdotonta.
Mikäli et ymmärtänyt äskeisestä mitään, suosittelen lukemaan rautalangasta väännetyn sarjakuvan Coilgun kuvasarja, joka selittää tapahtuma kerrallaan, mitä laukaisun aikana virtapiirissä tapahtuu.
Yksi luotettavimpia keinoja ammuksen nopeuden mittaamiseen on käyttää kahta valoporttia ja mitata niillä matkaan kulunut aika.
Nopeutta voi arvioida kohtuullisesti ammuksen putoamasta. Ampumisen tulee tapahtua
mahdollisimman tarkkaan vaakasuoraan. Maalitaulusta mitataan osumakohdan ja lähtötason
välinen korkeus h (metriä). Ampumamatkan pituus on l metriä. Ammuksen matkaan käyttämä aika sekunteina
saadaan kaavasta
,
missä g on putouskiihtyvyys 9.81 m/s².
Nyt keskimääräinen lentonopeus voidaan laskea kaavalla v=l/t, tulos m/s.
Kilometreinä tunnissa saadaan kertomalla 3.6:lla.
Katso linkki Hakkurivirtalähde.
coilguneissa voidaan käyttää satojen volttien jännitteitä ja ne ovat aina vaarallisia. Varattu kondensaattori on kuin pommi, joka odottaa purkautumistaan. Siksi kondensaattorien purkuvastukset tai oikosuljettuna säilyttäminen ovat tärkeitä. Myös käämi on mahdollinen sähköiskun lähde, sillä induktansseilla on tapana muodostaa hyvinkin korkeita jännitepiikkejä.
Verkkojännitettä käytettäessä on aina käytettävä galvaanista erotusta eli erotusmuuntajaa. Ilman erotusta koko laite on suoraan kiinni verkkojännitteessä ja yhdenkin johtimen koskettaminen voi vastata sormen työntämistä pistorasiaan.
Lisäksi kondensaattorien kanssa tulee katsoa, ettei niille määritelty jännite ylity. Kondensaattorit testataan jonkinmoisella ylijännitteellä tehtaalla, mutta jo niiden käyttäminen alueen ylärajalla voi olla arveluttavaa. Ylijännitteen seurauksena kondensaattorin eriste saattaa lyödä läpi ja yleensä se jotenkin räjähtää.
Käytettäessä mekaanista kytkintä kipinöiltä ei oikeastaan voi välttyä. Paitsi että kipinä voi sytyttää tulipalon, siitä syntyvä voimakas ääni ja UV-säteily eivät ole hyväksi.
Muuntajien kanssa tulee erityisesti huolehtia, etteivät ne ylikuumene. Muita lämpeneviä osia ovat erityisesti käämi, sekä mahdollisesti johtimet ja kytkin.
Monisäikeisten johtojen tinaaminen ei ole välttämättä kovin hyvä asia. Häviöt korostuvat yleensä liitoskohdissa, jolloin ne kuumenevat, joskus jopa niin voimakkaasti, että tina sulaa. Tällöin esim. ruuvin alle puristettu tinattu johto löystyy ja voi irrota.
Sähkömagneettinen pulssi on coilgunin läheisyydessä kohtuu voimakas, joten mitään magneettisia tallennusmedioita, luottokortteja, ym. ei kannata pitää coilgunin läheisyydessä. Lähistöllä olevat esineet voivat magnetoitua ja CRT-näyttöihin tulla värivirheitä.
coilgun on ase ja sitä käsiteltävä niin. Ammuksen lähtönopeus voi vaihdella paljonkin lähes mitättömien seikkojen takia. Lisäksi ammus saattaa lähteä väärään suuntaan! Älä koskaan ole suoraan putken etu- tai takapuolella, vaan ole sivulla. Ammus voi myös kimmota osuessaan johonkin.
Käämissä muodostuvat magneettiset voimat voivat heitellä kappaleita käämin viereltä ja käämi voi rusentaa hauraan putken murusiksi. Myös johtimiin kohdistuu voimia suurten virtojen takia.
Erittäin kattava ja hyvä sivusto, sisältää mm. piirisimulaattorin, käämilaskurin, FEMM:n käyttöä, sekä tietenkin runsaasti tietoa lähes kaikesta mahdollisesta yksi- ja monivaiheisiin käämiaseisiin liittyvistä asioista.
Suorastaan ammattimaisesti rakennettuja laitteita esittelevä ja
runsaasti teoriaa tarjoava sivusto.
Our long term objective
is to design and construct single and multi-stage coilguns capable of firing projectiles at supersonic speeds.
Ei pelkästään teoriaa ja kokeita käämiaseilla, vaan tämä sivusto on suorastaan hullun tiedemiehen mekka. Mukana mm. korkeajännitteitä, teslakäämejä, mikroaaltoja, rail gun ja kemiallisia kokeita, eikä pidä unohtaa message boardia, jossa voi vaihtaa tietoja muiden rakentelijoiden kanssa ja kehitellä ideoita.
Oikein mukava sivusto, josta löytyy teoriaa ja rakennettuja laitteita kaavioineen. Lisäksi levitaatiota.
Tämä sivusto ei liity suoraan coilguneihin, mutta sisältää runsaasti tietoa elektroniikasta, jota voi hyödyntää coilgunienkin kanssa.
Coilgun-harrastajan kotisivu, jolta löytyy kokeiluja, päättötyö coilguneista ja myytäviä GTO-tyristoreja.
Windows-softa, jolla voi simuloida sähkömagneettisia systeemejä, esim. coilgunin synnyttämää magneettikenttää ja ammukseen vaikuttavaa voimaa. Sisältää graafinen käyttöliittymän ja tukee Lua-skriptikieltä, jolla softan voi ohjelmoida tuottamaan esim. animaatioita.
Taulukko käämilankojen AWG-kokoluokituksesta, sisältää fyysiset mitat ja resistanssin.
Eräs hakkuripoweri, jota voi käyttää 12V:n jännitelähteellä. Ottaa virtaa alle ampeerin ja antaa ulos parhaimmillaan yli 300V. Myös ohjeet induktanssin mittaamiseen oskilloskoopin avulla.