Оружие будущего

Король умер, да здравствует король!
Проект DB6L закончен. Начинаю новый проект DJ6.
Цель - 100 мысов.

Предполагаемые технические характеристики:
Скорость снаряда – 100 м/сек.
16 – ступеней
Кпд – 15%
Калибр снаряда – 6,0 мм
Длина снаряда – 12 мм
Масса снаряда – 2,6 гр.
Кинетическая энергия снаряда – 13 Дж
Затраты энергии на выстрел – 87 Дж.

Структура:
Матричный коммутатор 4х4 на 900 вольтовых IGBT транзисторах(IRGB4PF50W).
Ёмкостной накопитель с напряжением 600...700 В, 300 Дж.
Пока настольный макет, в случае положительного результата, может быть (а зачем?) оформлю в переносную конструкцию.

Т.к. все тех. решения отработаны в предыдущем проекте DB6L , то срок окончания 31 декабря 2013.

Это очень интересно. Ждем с нетерпением следующего сериала.

Жаль проект что-то подзатянулся.

Да, ладно. Выложу вечером что сделано.

Добавлено:
ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ
Многоступенчатый электромагнитный ускоритель содержит ферромагнитный объект, направляющую немагнитную трубу на которой размещены тяговые катушки, зарядное устройство и конденсаторный накопитель энергии. Ускоритель содержит силовые ключи, разделительные и возвратные диоды, датчик тока, компаратор с гистерезисом, микропроцессорную систему управления.
На чертежах приведена структурная схема многоступенчатого электромагнитного ускорителя – фигура 1, состояние схемы в различных режимах работы – фигура 2, временная диаграмма при формировании тока в тяговых катушках ускорителя – фигура 3.

Многоступенчатый электромагнитный ускоритель по фигуре1 содержит ферромагнитное тело 1, немагнитную трубу 2 на которой размещены тяговые катушки 3, зарядное устройство 4 и конденсаторный накопительный элемент 5 к положительному выводу которого подключены коллекторы транзисторных ключей 6 и катоды возвратных диодов 9. Эмиттеры транзисторных ключей 6 соединены с катодами возвратных диодов 7 и формируют первую шину питания 8, аноды возвратных диодов 7 подключены к отрицательному выводу накопительного элемента 5. Аноды возвратных диодов 9 подключены к коллекторам транзисторных ключей 10, и образуют вторую шину питания 11, а их эмиттеры к первому выводу измерительного шунта 12, второй вывод которого подключен к отрицательному выводу конденсаторного накопительного элемента 5. Сигнал с шунта 12 подается на вход усилителя 13 к выходу которого подключен первый вход компаратора 14, на второй вход компаратора подается опорное напряжение Uref. Выход компаратора подключен к микропроцессорной системе управления 16. Затворы транзисторных ключей 10 и 6 подключены к микропроцессорной системе управления 16. К первой шине питания 8 подключены аноды разделительных диодов 13, к катодом которых подключены первые выводы тяговых катушек 3, вторые выводы тяговых катушек подключены к шинам питания 11, и образовывают матрицу элементов N*K.

продолжение:
ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПА РАБОТЫ
Многоступенчатый электромагнитный ускоритель работает следующим образом. В начальном состоянии конденсаторный накопитель 5 заряжен от зарядного устройства 4, все транзисторные ключи отключены, тяговые катушки обесточены, ускоряемое ферромагнитное тело расположено возле торца первой катушки. Система управления 16 включает один из верхних ключей 6 и один из нижних ключей 10, при этом, как показано на фигуре 2-а, в цепи – положительный вывод конденсаторного накопителя 5, ключ 6, разделительный диод 13, тяговая катушка 3, ключ 10, шунт 12, отрицательный вывод накопителя 5 начинает протекать нарастающий ток I’. Этому состоянию соответствует интервал времени t0 на фигуре 3. Нарастание тока I’ будет продолжаться до того времени , пока сигнал с шунта 12 усиленный усилителем 13 и поданный на вход компаратора 14 не достигнет заданного значения напряжения Uref, и на выходе компаратора установится лог.0. Этому состоянию соответствует ток Imax на фигуре 3. Сигнал лог.0 с выхода компаратора подается в систему управления 16, которая отключает ключ 6, при этом в катушке продолжает течь ток I” замыкаясь в контуре - катушка 3, ключ 10, шунт 12, возвратный диод 7, разделительный диод 13 . Этому состоянию соответствует фигура 2-б и отрезок времени t1 на фигуре 3. При уменьшении тока в катушке 3 до значения Imin компаратор 15 переключается в противоположное состояние и на его выходе устанавливается лог.1. Разница между Imax и Imin определяется гистерезисом компаратора 15. Сигнал с выхода компаратора 15 попадает в систему управления 16, которая снова включает ключ 6, что в свою очередь приводит к нарастанию тока в катушке 3. Этому состоянию отвечает фигура 2-а и интервал времени t2 на фигуре 3. В дальнейшем процессы повторяются, что обеспечивает ограничение и стабилизацию тока в катушке 3. Протекание тока в тяговой катушке 3 вызывает появление электромагнитного поля, которое, взаимодействуя с ферромагнитным телом 1, втягивает его в катушку. Длительность импульса тягового тока Ti, на фигуре 3, задается системой управления и определяется экспериментальным или расчетным путем. Для прекращения тока в тяговой катушке 3 система управления отключает транзисторные ключи 6, 10, при этом энергия магнитного поля, накопленная в катушке 3, возвращается в конденсаторный накопитель 5. Этому состоянию соответствует фигура 2-с и момент времени t3 на фигуре 3. Ток рекуперации I”’ протекает в контуре – негативный вывод конденсаторного накопителя 5, обратный диод 7, разделительный диод 13, катушка 3, обратный диод 9, положительный вывод конденсаторного накопителя 5. В дальнейшем система управления 16 формирует сигналя включения транзисторных ключей от которых питается следующая катушка, все процессы повторяются приводя к дальнейшему ускорению ферромагнитного тела 1.

Ес, наконец-то полумост трёхстадийный появляется! Это должно быть крррюта!
А чё калибр такой мелкий-то? Целью такого сложного гаусса как бэ КПД рекордный должен быть (ибо описанный принцип работы даёт теоретический предел эффективности), а на 6мм так или иначе он низкий будет, какую схему коммутации не применияй. Плюс Ваши транзючки на 200А и замах на 100м/с. Вашим рассчётам верю, но как-то сама стратегия немного противоречива на мой взгляд. Замах на большие скорости предполагает работу с большими токами. ИГБТ-коммутаторы по сравнению с тиристорами или тиратронами - наименее мощный вариант. Но они единственные, кого можно закрыть. Так что юзанье схемы на ИГБТ имеет смысл для достижения рекорда именно эффективности, а не скорости, а 15% в глаза не особо бросается (хоть для 6мм и рекорден, но всё же).
Но всё равно удачи, нетерпится увидеть первый гаусс со схемой трехстадийного полумоста!

Откуда возникло такое мнение? На мой взгляд при больших скоростях самое важное - это чтобы ток в катушке спадал как можно быстрее после того, как пуля пролетела половину катушки. Тут транзисторы вне конкуренции. Правда, косой полумост в этом плане не лучший выбор.

Чем быстрее пуля летит, тем быстрее катушку проходит. Т.е. импульс всё короче, а энергия на всех ступенях одна и та же. Поэтому, приближённо говоря, чем выше скорость, тем выше токи. Ну очевидно же.
Если все катушки одним проводом мотать, то при трапециевидной форме тока получается снижение энергоотдачи с ростом скорости (нерабочие периоды нарастания и спадания тока занимают всё бОльшую часть времени работы катушки), и при какой-то скорости пули плато уже просто отсутствует - трапеция тока вырождается в треугольник. Посему для бОльших скоростей нужен более толстый провод в катушке для более быстрой скорости нарастания тока, и тогда той же энергии катушки будет соответствовать бОльший ток. Зато лимит скорости пули будет попячен.
Плюс ко всему, для достижения высоких скоростей при той же энергии пули её нужно делать короче. Но короткая пуля быстрее проходит катушку при той же скорости, так что токи тоже требуются выше. На месте Дантиста я бы замахнулся мысов эдак на 60, но с калибром под сантиметр. И токи ниже были бы, и КПД намного бОльший. Я с калибром 9.4мм на 6-ступе рекуперационном имел 50м/с при среднем (!) КПД в 20 с лишним процентов. По схеме трёстадийного полумоста КПД должен быть ещё выше, т.к. форма тока оптимальнее (меньше времени идёт на нарастание и спадание тока, пиковый ток ниже). ИМХО, Дантист со своей схемой коммутации мог бы за 30% вывалиться при большем чем у меня количестве ступеней.

Отчасти да, уговорил. Можно взять катушку с индуктивностью пониже, но пустить ток побольше. Сила, действующая на катушку, будет такой-же, а скорость спада тока после выключения гораздо выше.

Продолжаю отчет
Транзисторный ключ. Схема принципиальная от предыдущего проекта доработана, чтобы получить плату универсального ключа (фото).
На схеме (по сравнению с предыдущей) добавлены диоды VD1, VD2 , VD3 и конденсаторы С4, С5. Если нужен верхний ключ паяем только С4 и VD3, для нижнего ключа паяем только С5 и VD2.
8 ключей уже спаяны и отлажены (фото).
Спаяна и проверена система новая система управления, в которой сразу заложена
возможность управлять 12 ключами (фото).
И вообще подготовлен макет для начала испытаний, конденсаторы 1500uF на 700В с умножителем, намотана первая ступень, припаяны ключи (фото).
В рамках этого проекта делаю себе новый хронограф. Чем он отличается от предыдущего. Микроконтроллер ATmega88PA.
Габариты трубы увеличил до 40 х 40 мм,
под эти размеры подогнал печатную плату (фото). Заказал плату на заводе.
Для питания заложил литий-полимер на 130 мАч (фото).
Зарядку сделал на плате через микро-USB разъем (фото).

Скорость меряет, в архив пишет, но с ним еще много работы (нужно дорабатывать и совершенствовать программу в контроллере).

Ян, спрашиваешь - почему такой маленький калибр?. Отвечаю, это промежуточный этап который преследует 2 цели. Отработать технические решения для 16 ступа, причем чисто конструктивные(то решение, в проекте DB6L, при котором на одной плате я разместил и возвратные и разделительные диоды мне не нравится. т.к. при увеличении числа ключей и шин все получается громоздко) и второе получить желаемые 100 мысов малой кровью и побыстрее. А то не хорошо получается китайцы сделали, скандинавы тоже. А мы что хуже?
На старом форуме я уже тебе писал, после этого проекта в планах калибр 10,8мм
с 3...4 Дж кинетики на ступень и с 25 ступенями.

По поводу вопроса о трапеции тока и скорости нарастания. Все правильно ток нужно бы увеличивать, но лимитируют ключи и рост тока увеличивает потери в квадрате. Для роста скорости нарастания тока я иду другим путем - в этом проекте поднимаю питающее напряжение с 400 до 650 В, что, при прочих равных условиях, приводит к уменьшению времени нарастания с 40 мксек до 25 мксек. При том, что время пролёта снарядом, на скорости 100 м/сек, расстояния 3 мм между катушками составляет 30 мксек.

Всё просто супер. Так держать.
Есть пара вопросов:
1) будет ли возростать напряжение по ступеням?
2) меня прямо мучает один момент. щёчки магнитопровода. в прошлом проекте весь магнитопровод был толщиной 3мм. меня смутило, что щёчки были одинаковой толщины с внешним магнитопроводом. в них же концентрация магнитного поля увеличивается с приближением к центру. имеет ли смысл увеличить толщину щёчек? например сделать их с утолщением к ценру, в то же время чуть уменьшить толщину внешнего магнитопровода? в теории больше кпд и меньше вес, но стоит ли овчинка выделки?

батарея конденсаторов мк2
в принципе с такой штукой можно решить проблему просадки напряжения
а так же ускорить рекуперацию
если одной такой батареи не хватит то можно воткнуть ещё одну

Нет, будет линейно снижаться. конденсатор один общий на все ступени.

Да, имеет, по этому проводу кто-то экспериментальное исследование проводил, результаты в интернете. Кажется на сайте арсенала было.

На данном этапе развития домашнего гаусостроения, нет. ИМХО.

то, Yandersen.
Ян, почему наконец-то, почему трехстадийный и в чем крютота?
Принцип работы взят из предыдущего проекта viewtopic.php?p=123522#p123522 которому скоро два года исполнится , или ты можешь предложить другой способ как при помощи одного шунта измерять и стабилизировать ток в любой катушке матричного коммутатора?
Здесь я только привел вразумительное описание. Раньше и до этого времени никого принципиальная схема силовой части не интересовала, вопросов не задавали ну и соответственно я ничего не выкладывал.

Мне чё-то помнилось, что в предыдущем варианте оба ключа дрочились - т.е. катушка то накачивалась, то опрожнялась (видимо, так в самом начале было). Круто ибо логично - держать один из ключей открытым, а подкачивать энергию кратковременным приоткрыванием второго ключа, как щас чётко это видно. Я ещё тогда Пулемёту писал, что типа нахера оба ключа дрочить постоянно - один нужно открытым держать, пока пуля проходит, а второй чисто приоткрывать, когда ток спадает, чтоб докачать израсходованную энергию. Трехстадийным этот вид управления катушкой я называю потому, что он состоит из трёх стадий: накачка (оба ключа открыты), удержание тока (один ключ открыт, второй - периодически поддрачивается по мере затухания тока в катушке), опорожнение (оба ключа закрываются, катушка сливает ток обратно в кап).

Что то мне тоже захотелось 100 м/с. Наверное начну свой проект. Попробую сделать его максимально простым, что-бы не забросить его как свой прошлый Выложу результаты в отдельной теме, если будет получаться что-то дельное. Пока что собираю стенд для испытаний.

ArtDen, давно пора! А то Пулемет сбежал куда-то с трудового фронта.

то Yandersen. Согласен, теперь, с твоей подачи, это будет трехстадийный полумост на IGBT.

По проекту.
На макете испытал 1 ступень, намотал трансформатор тока и пытался измерять им ток в катушке, вроде полная гальваническая развязка, осциллограф с питанием от батарей как у Blackhawk, но все равно при коммутации идут помехи и получить красивые осциллограммы не получается. Лучше чем тут download/file.php?id=2988 , но все равно пока плохо.
Новая система нормально работает только до определенного напряжения питания где то 320 вольт, а выше видно лезут помехи и начинаются сбои.

Сейчас переключился на хронограф, переписываю программу. Сегодня разобрался и сделал переход в спящий режим и выход из него по кнопке. В спящем режиме потребление 2 мкА. Теперь, как и планировалось, выключатель питания можно выбросить.

А тут еще переворот в стране. Отвлекает. Даже я, который в мусорку и треп ничего никогда не писал, приобщился.

я другим занят

блин батарея уже не тянет

Так в преобразователях ты тоже не пишешь что делаешь.

Нужны красивые осциллограммы? Ставишь такой фильтр (там внутри один виток):

+ в самом осциллографе включаешь опцию "Ограничение частоты пропускания".
Соответственно в самой схеме слаботочные и сильноточные (в том числе и их "земли") должны быть разделены точно такими же фильтрами, только размером поменьше.

А чтобы не было сбоев (если я правильно понимаю их причину) надо применять снабберы + небольшую задержку между включением следующего транзистора перед выключением предыдыщего. Снабберы нужны обязательно даже если ты используешь мостовую схему, т.к. нету никакой гарантии, что напряжение самоиндукции после выключения тока не успевает вы расти до напряжения пробоя транзистора.

Кстати, замечание по поводу мелкого калибра считаю оправданным. Например, поначалу не определившись с калибром моего будущего 10-ступа, я прогнал в фемме снаряды 5 мм (3 гр.) и 8 мм (7,8 гр.). Конденсаторы одни и те же с общей энергией 850 Дж.
В первом случае я получил 113,5 м/с и 19,7 Дж при КПД 2,3%
А во втором 104 м/с и 42,4 Дж при КПД 5%
Как видим, с увеличением массы снаряда, мы лишь слегка проигрываем в скорости, выигрывая при этом в дульной энергии и КПД аж вдвое!