Привет, друзья! Наверняка кто-то из вас уже когда-то читал или лично сталкивался с электромагнитным ускорителем Гаусса, который более известен под «Пушкой Гаусса».

Традиционная Гаусс-пушка строится с применением труднодоступных или довольно дорогих конденсаторов большой емкости, также для осуществления правильной зарядки и выстрела требуется некоторая обвязка (диоды, тиристоры и так далее). Это может быть довольно сложно для людей, которые ничего не понимают в радиоэлектронике, но желание поэкспериментировать не дает сидеть на месте. В этой статье я попытаюсь подробно рассказать о принципе работы пушки и о том, как можно собрать упрощенный до минимума ускоритель Гаусса.

Главной частью пушки является катушка. Как правило ее мотают самостоятельно на каком-либо диэлектрическом немагнитном стержне, который в диаметре несильно превышает диаметр снаряда. В предложенной конструкции катушку можно намотать даже «на глазок», потому что принцип действия просто не позволяет произвести никаких расчетов. Достаточно добыть медный или алюминиевый провод диаметром 0.2-1 мм в лаковой или силиконовой изоляции и намотать на стволе 150-250 витков так, чтобы длинна намотки одного ряда была примерно 2-3 см. Можно использовать и готовый соленоид.

При прохождении электрического тока через катушку в ней возникает магнитное поле. Проще говоря, катушка превращается в электромагнит, который втягивает железный снаряд, а чтобы он не оставался в катушке, во время его вхождения в соленоид нужно просто отключить подачу тока.

В классических пушках это достигается за счет точных расчетов, применения тиристоров и других компонентов, которые «обрежут» импульс в нужный момент. Мы же просто будем разрывать цепь «когда получится». Для экстренного разрывания электрической цепи в быту используют плавкие предохранители, их можно использовать в нашем проекте, однако более целесообразно заменить их лампочками от елочной гирлянды. Они рассчитаны на питание низким напряжением, поэтому при питании от сети 220В мгновенно перегорают и разрывают цепь.

Готовое устройство состоит всего из трех деталей: катушки, сетевого кабеля и лампочки, подключенной последовательно катушке.

Многие согласятся, что использование пушки в таком виде крайне неудобно и неэстетично, а порой даже очень опасно. Поэтому я смонтировал устройство на небольшом кусочке фанеры. Для катушки установил отдельные клеммы. Это дает возможность быстро менять соленоид и экспериментировать с разными вариантами. Для лампочки я установил два тонких обрезанных гвоздя. Концы проводов лампочки просто обкручиваются вокруг них, поэтому лампочка меняется очень быстро. Обратите внимание, что сама колба находится в специально проделанном отверстии.

Дело в том, что при выстреле происходит большая вспышка и искры, поэтому я посчитал нужным немного отвести вниз эту «струю». Схема простого одноступенчатого настольного электромагнитного ускорителя масс или просто – Гаусс пушка. Названа по имени немецкого учёного Карла Гаусса. В моем случае ускоритель состоит из зарядки, токоограничивающая нагрузка, двух электролитических конденсаторов, вольтметра и соленоида.

Итак, разберем все по порядку. Зарядка пушки работает от сети 220 вольт. Зарядка состоит из конденсатора 1,5 мкФ 400 В. Диоды 1N4006. Напряжение на выходе 350 В.

Далее идет токоограничивающая нагрузка - Н1, в моем случае лампа накаливания, но можно использовать мощный резистор 500 – 1000 Ом. Ключ S1 ограничивает зарядку кондесаторов. Ключ S2 подает разряд мощный разряд тока на соленойд, поэтому S2 должен выдерживать большой ток, в своем случае я использовал кнопку от электрического щитка.

Конденсаторы С1 и С2, каждый 470 мкФ 400 В. В сумме получается 940 мкФ 400 В. Подключать конденсаторы нужно соблюдая полярность и напряжение на них во время зарядки. Контролировать напряжение на них можно вольтметром.

И теперь самое сложное в нашей конструкции гаусс пушки – соленоид. Наматывается он на диэлектическом стержне. Внутренний диаметр ствола 5-6 мм. Провод использовал ПЭЛ 0.5. Толщина катушки 1.5 см. Длина 2 см. Мотая соленоид, нужно каждый слой изолировать супер клеем.

Ускорять нашей электромагнитной гаусс пушкой мы будем обрезки гвоздей или самодельные пули толщиной 4-5 мм, длинной с катушку. Более легкие пули летают на большее расстояние. Более тяжелые летают на расстояние меньше, но энергия у них больше. Мой гаусс ган пробивает пивные банки и стреляет на 10-12 метров в зависимости от пули.

И ещё, для ускорителя лучше подбирать провода потолще, чтобы было меньше сопротивления в цепи. Будьте крайне осторожны! Во время изобретения ускорителя меня несколько раз било током, соблюдайте правила электробезопастности и уделяйте внимание надёжности изоляции. Удачи в творчестве.

Обсудить статью ГАУСС ПУШКА

Гаусс ган или просто пушка Гаусса - мечта почти любого начинающего радиолюбителя. Сегодня будет рассмотрен вариант мощного Гаусс гана на основе очень простого, но к тому же времени очень мощного для своего размера преобразователя.

Основа: ШИМ-контролер на микросхеме UC3845. Достаточно распространенная микросхема, применяется в импульсных блоках питания в качестве задающего генератора. Единственный недостаток микросхемы это то, что она начинает работать только тогда, когда номинал питающего напряжения выше 9 вольт, а максимальная величина не превосходит номинала 18 вольт. Таким образом на базу полевого транзистора поступает сигнал с частотой 60 килогерц, напряжение сигнала порядка 8 вольт, что достаточно для открывания перехода мощного полевика.

Транзистор обратной проводимости, отлично справляются полевые N - канальные транзисторы типа IRF3205 и IRL3705, хотя можно поставить и широко распространенную IRFZ44 , но он достаточно быстро перегревается. Хотя и рекомендованные транзисторы нужно укрепить на небольшой теплоотвод. Схема отключается, когда конденсаторы заряжены до номинала 300 вольт, тогда начинает светится белый светодиод. Преобразователь имеет мощность в 70 - 80 ватт, но жрет тоже не мало... 9 ампер, в пике до 12 ампер. На счет диодов - оба диода в схеме нужно использовать быстродействующие или ультрабыстрые, аналогов много и совсем не обязательно использовать указанные диоды, но с ними схема работает отлично. Резистор 820 ом - подобрать с мощностью 1 - 2 ватт, поскольку он тоже перегревается.

Трансформатор намотан на чашке, хотя можно использовать ферритовые трансформаторы от компьютерных БП (тот, что побольше). Первичная обмотка содержит 5 витков, намотана проводом 0,7 мм в 3 жила. Вторичная обмотка содержит 120 витков провода с диаметром 0,5 - 0,8 мм.

Питать преобразователь можно любым источником постоянного напряжения, конечно если источник может дать нужные параметры для питания преобразователя. Очень советую использовать аккумулятор от бесперебойника. Для уменьшения размеров можно использовать никель - кадмиевые или никель металл гидридные батарейки с емкостью от 1000мА.

Сама пушка, выполнена на пластмассовой трубе с внутренним диаметром 9 мм, у меня к счастью была масса железных стержней, которые свободно входили и выходили в трубу, как в народе говорят "тютелька в тютельку". Стержни были обрезаны 3 см в длину и обострены подобно гвоздям. Обмотка содержит 50 витков провода с диаметром 0,9 - 1,2 мм.

Конденсаторы: Хотя преобразователь отключается, как только напряжение на конденсаторах ровно 300 вольт, но тем не менее использованы конденсаторы с напряжением 400 вольт. Это даже хорошо, что есть запас напряжения, в данном случае на 100 вольт. Использовано 4 конденсатора с суммарной емкостью 13200 микрофарад (каждый по 3300 микрофарад). Полная зарядка емкости происходит через 3 - 4 секунды после включения преобразователя.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	ШИМ контроллер	UC3845	1			В блокнот
Q1	MOSFET-транзистор	IRF3205	1			В блокнот
D1	Выпрямительный диод	UF4007	1	Аналог: BYV26E		В блокнот
D2	Выпрямительный диод	UF5408	1	Аналог: UF5408, BY399, BR207		В блокнот
LED1	Светодиод	АЛ307БМ	1			В блокнот
C1	Конденсатор	4.7 нФ	1			В блокнот
C2, C3		10 мкФ	1			В блокнот
C2*	Электролитический конденсатор	4700 мкФ	1			В блокнот
С2**	Электролитический конденсатор	1500 мкФ 350 В	1			В блокнот
C4	Конденсатор	22 нФ	1			В блокнот
C5	Конденсатор	470 нФ	1			В блокнот
C6	Конденсатор	470 пФ	1			В блокнот
R1	Резистор	6.8 кОм	1			В блокнот
R2	Резистор	620 кОм	1			В блокнот
R3	Резистор	5.1 кОм	1			В блокнот
R4	Резистор	680 Ом	1

25 марта 2015 в 15:42

Электромагнитная пушка Гаусса на микроконтроллере

• Разработка робототехники

Всем привет. В данной статье рассмотрим, как изготовить портативную электромагнитную пушку Гаусса, собранную с применением микроконтроллера. Ну, насчет пушки Гаусса я, конечно, погорячился, но то, что это – электромагнитная пушка, нет сомнения. Данное устройство на микроконтроллере было разработано для того, чтобы обучить начинающих программированию микроконтроллеров на примере конструирования электромагнитной пушки своими руками.Разберем некоторые конструктивные моменты как в самой электромагнитной пушке Гаусса, так и в программе для микроконтроллера.

С самого начала нужно определиться с диаметром и длиной ствола самой пушки и материалом, из которого она будет изготовлена. Я применил пластиковый футляр диаметром 10 мм из-под ртутного термометра, поскольку он у меня валялся без дела. Вы можете использовать любой доступный материал, обладающий не ферромагнитными свойствами. Это стекло, пластик, медная трубка и т. д. Длина ствола может зависеть от количества применяемых электромагнитных катушек. В моем случае используется четыре электромагнитных катушки, длина ствола составила двадцать сантиметров.

Что касается диаметра применяемой трубки, то в процессе работы электромагнитная пушка показала, что нужно учитывать диаметр ствола относительно применяемого снаряда. Проще говоря, диаметр ствола не должен намного превышать диаметр применяемого снаряда. В идеале, ствол электромагнитной пушки должен подходить под сам снаряд.

Материалом для создания снарядов послужила ось от принтера диаметром пять миллиметров. Из данного материала и были изготовлены пять болванок длиной 2,5 сантиметра. Хотя также можно применять стальные болванки, скажем, из проволоки или электрода – что найдется.

Нужно уделить внимание и весу самого снаряда. Вес по возможности должен быть небольшим. Мои снаряды слегка тяжеловаты получились.

Перед созданием данной пушки были проведены эксперименты. В качестве ствола использовалась пустая паста от ручки, в качестве снаряда – иголка. Иголка с легкостью пробивала обложку журнала, установленного неподалеку от электромагнитной пушки.

Поскольку оригинальная электромагнитная пушка Гаусса строится по принципу заряда конденсатора большим напряжением, порядка трехсот вольт, то в целях безопасности начинающим радиолюбителям следует запитывать её низким напряжением, порядка двадцати вольт. Низкое напряжение приводит к тому, что дальность полета снаряда не очень большая. Но опять же, всё зависит от количества применяемых электромагнитных катушек. Чем больше электромагнитных катушек применяется, тем больше получается ускорение снаряда в электромагнитной пушке. Также имеют значение диаметр ствола (чем меньше диаметр ствола, тем снаряд летит дальше) и качество намотки непосредственно самих электромагнитных катушек. Пожалуй, электромагнитные катушки – самое основное в устройстве электромагнитной пушки, на это нужно обратить серьёзное внимание, чтобы добиться максимального полета снаряда.

Я приведу параметры своих электромагнитных катушек, у вас они могут быть другими. Катушка наматывается проводом диаметром 0,2 мм. Длина намотки слоя электромагнитной катушки составляет два сантиметра и содержит шесть таких рядов. Каждый новый слой я не изолировал, а начинал намотку нового слоя на предыдущий. Из-за того, что электромагнитные катушки запитываются низким напряжением, вам нужно получить максимальную добротность катушки. Поэтому все витки наматываем плотно друг другу, виток к витку.

Что касается подающего устройства, то тут особые пояснения не нужны. Все паялось из отходов фольгированного текстолита, оставшегося от производства печатных плат. На рисунках все подробно отображено. Сердцем подающего устройства является сервопривод SG90, управляемый микроконтроллером.

Подающий шток изготовлен из стального прутка диаметром 1,5 мм, на конце штока запаяна гайка м3 для сцепления с сервоприводом. На качалке сервопривода для увеличения плеча установлена загнутая с двух концов медная проволока диаметром 1,5 мм.

Данного нехитрого устройства, собранного из подручных материалов, вполне хватает, чтобы подать снаряд в ствол электромагнитной пушки. Подающий шток должен полностью выходить из загрузочного магазина. В качестве направляющей для подающего штока послужила треснувшая латунная стойка с внутренним диаметром 3 мм и длиной 7 мм. Жалко было выбрасывать, вот и пригодилось, собственно, как и кусочки фольгированного текстолита.

Программа для микроконтроллера atmega16 создавалась в AtmelStudio, и является полностью открытым проектом для вас. Рассмотрим некоторые настройки в программе микроконтроллера, которые придется произвести. Для максимально эффективной работы электромагнитной пушки вам понадобится настроить в программе время работы каждой электромагнитной катушки. Настройка производится по порядку. Сначала подпаиваете в схему первую катушку, все остальные не подключаете. Задаете в программе время работы (в миллисекундах).

PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_delay_ms(350); / / время работы

Прошиваете микроконтроллер, и запускаете программу на микроконтроллере. Усилия катушки должно хватать на то, чтобы втянуть снаряд и придать начальное ускорение. Добившись максимального вылета снаряда, подстраивая время работы катушки в программе микроконтроллера, подключаете вторую катушку и также настраиваете по времени, добиваясь еще большей дальности полета снаряда. Соответственно, первая катушка остается включенной.

PORTA |=(1<<1); // катушка 1
_delay_ms(350);
PORTA &=~(1<<1);
PORTA |=(1<<2); // катушка 2
_delay_ms(150);

Таким способом настраиваете работу каждой электромагнитной катушки, подключая их по порядку. По мере увеличения количества электромагнитных катушек в устройстве электромагнитной пушке Гаусса скорость и, соответственно, дальность снаряда должны также увеличиваться.

Данную кропотливую процедуру настройки каждой катушки можно избежать. Но для этого придется модернизировать устройство самой электромагнитной пушки, установив датчики между электромагнитными катушками для отслеживания перемещения снаряда от одной катушки к другой. Датчики в сочетании с микроконтроллером позволят не только упростить процесс настройки, но и увеличат дальность полета снаряда. Данные навороты я не стал делать и усложнять программу микроконтроллера. Целью было реализовать интересный и несложный проект с применением микроконтроллера. Насколько он интересен, судить, конечно, вам. Скажу честно, я радовался, как ребенок, «молотя» из данного устройства, и у меня созрела идея более серьезного устройства на микроконтроллере. Но это уже тема для другой статьи.

Программа и схема -

Проект был начат в 2011 году.Это был проект подразумевающий полностью автономную автоматическую систему для развлекательных целей, с энергией снаряда порядка 6-7Дж, что сравнимо с пневматикой. Планировалось 3 автоматических ступеней с запуском от оптических датчиков, плюс мощный инжектор-ударник засылающий снаряд из магазина в ствол.

Компоновка планировалась такой:

Тоесть класический Булл-пап, что позволило вынести тяжелые аккумуляторы в приклад и тем самым сместить центр тяжести ближе к ручке.

Схема выглядит так:

Блок управления в последствии был разделен на блок управления силовым блоком и блок общего управления. Блок конденсаторов и блок коммутации были обьеденены в один. Так-же были разработаны резервные системы. Из них были собраны блок управления силовым блоком, силовой блок, преобразователь, распределитель напряжений, часть блока индикации.

Представляет собой 3 компаратора с оптическими датчиками.

Каждый датчик имеет свой компаратор. Это сделано для повышения надежности, так при выходе из строя одной микросхемы откажет только одна ступень, а не 2. При перекрытии снарядом луча датчика сопротивление фототранзистора меняется и срабатывает компаратор. При классической тиристорной коммутации управляющие выводы тиристоров можно подключать напрямую к выходам компараторов.

Датчики необходимо устанавливать так:

А устройство выглядит так:

Силовой блок имеет следующую простую схему:

Конденсаторы C1-C4 имеют напряжение 450В и емкость 560мкФ. Диоды VD1-VD5 применены типа HER307/ В качестве коммутации применены силовые тиристоры VT1-VT4 типа 70TPS12.

Собранный блок подключенный к блоку управления на фото ниже:

Преобразователь был применен низковольтный, подробнее о нем можно узнать

Блок распределения напряжений реализован банальным конденсаторным фильтром с силовым выключателем питания и индикатором, оповещающим процесс заряда аккумуляторов. Блок имеет 2 выхода- первый силовой, второй на все остальное. Так-же он имеет выводы для подключения зарядного устройства.

На фото блок распределения крайний справа сверху:

В нижнем левом углу резервный преобразователь, он был собран по самой простой схеме на NE555 и IRL3705 и имеет мощность около 40Вт. Предполагалось использовать его с отдельным небольшим аккумулятором, включая резервную систему при отказе основной или разряде основного аккумулятора.

Используя резервный преобразователь были произведены предварительные проверки катушек и проверялась возможность использования свинцовых аккумуляторов. На видео одноступенчатая модель стреляет в сосновую доску. Пуля со специальным наконечником повышенной пробивной способности входит в дерево на 5мм.

В пределах проекта так-же разрабатывалась универсальная ступень, как главный блок для следующих проектов.

Эта схема представляет собой блок для электромагнитного ускорителя, на основе которого можно собрать многоступенчатый ускоритель с числом ступеней до 20. Ступень имеет классическую тиристорную коммутацию и оптический датчик. Энергия накачиваемая в конденсаторы- 100Дж. Кпд около 2х процентов.

Использован 70Вт преобразователь с задающим генератором на микросхеме NE555 и силовым полевым транзистором IRL3705. Между транзистором и выходом микросхемы предусмотрен повторитель на комплементарной паре транзисторов, необходимый для снижения нагрузки на микросхему. Компаратор оптического датчика собран на микросхеме LM358, он управляет тиристором, подключая конденсаторы к обмотке при прохождении снарядом датчика. Параллельно трансформатору и ускоряющей катушки применены хорошие снабберные цепи.

Методы повышения КПД

Так-же рассматривались методы повышения КПД, такие как магнитопровод, охлаждение катушек и рекуперация энергии. О последней расскажу подробнее.

ГауссГан имеет очень малый КПД, люди работающие в этой области давно разыскивают способы повышения КПД. Одним из таких способов является рекуперация. Суть ее состоит в том чтобы вернуть не используемую энергию в катушке обратно в конденсаторы. Таким образом энергия индуцируемого обратного импульса не уходит в никуда и не цепляет снаряд остаточным магнитным полем, а закачивается обратно в конденсаторы. Этим способом можно вернуть до 30 процентов энергии, что в свою очередь повысит КПД на 3-4 процента и уменьшит время перезарядки, увеличив скорострельность в автоматических системах. И так- схема на примере трехступенчатого ускорителя.

Для гальванической развязки в цепи управления тиристоров использованы трансформаторы T1-T3. Рассмотрим работу одной ступени. Подаем напряжение заряда конденсаторов, через VD1 конденсатор С1 заряжается до номинального напряжения, пушка готова к выстрелу. При подаче импульса на вход IN1, он трансформируется трансформатором Т1, и попадает на управляющие выводы VT1 и VT2. VT1 и VT2 открываются и соединяют катушку L1 с конденсатором C1. На графике ниже изображены процессы во время выстрела.

Больше всего нас интересует часть начиная с 0.40мсек, когда напряжение становится отрицательным. Именно это напряжение при помощи рекуперации можно поймать и вернуть в конденсаторы. Когда напряжение становится отрицательным, оно проходя через VD4 и VD7 закачивается в накопитель следующей ступени. Этот процесс так-же срезает часть магнитного импульса, что позволяет избавится от тормозящего остаточного эффекта. Остальные ступени работают подобно первой.

Статус проекта

Проект и мои разработки в этом направлении в общем были приостановлены. Вероятно в скором будущем я продолжу свои работы в этой области, но ничего не обещаю.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
	Блок управления силовой частью
	Операционный усилитель	LM358	3			В блокнот
	Линейный регулятор		1			В блокнот
	Фототранзистор	SFH309	3			В блокнот
	Светодиод	SFH409	3			В блокнот
	Конденсатор	100 мкФ	2			В блокнот
	Резистор	470 Ом	3			В блокнот
	Резистор	2.2 кОм	3			В блокнот
	Резистор	3.5 кОм	3			В блокнот
	Резистор	10 кОм	3			В блокнот
	Силовой блок
VT1-VT4	Тиристор	70TPS12	4			В блокнот
VD1-VD5	Выпрямительный диод	HER307	5			В блокнот
C1-C4	Конденсатор	560 мкФ 450 В	4			В блокнот
L1-L4	Катушка индуктивности		4			В блокнот
		LM555	1			В блокнот
	Линейный регулятор	L78S15CV	1			В блокнот
	Компаратор	LM393	2			В блокнот
	Биполярный транзистор	MPSA42	1			В блокнот
	Биполярный транзистор	MPSA92	1			В блокнот
	MOSFET-транзистор	IRL2505	1			В блокнот
	Стабилитрон	BZX55C5V1	1			В блокнот
	Выпрямительный диод	HER207	2			В блокнот
	Выпрямительный диод	HER307	3			В блокнот
	Диод Шоттки	1N5817	1			В блокнот
	Светодиод		2			В блокнот
		470 мкФ	2			В блокнот
	Электролитический конденсатор	2200 мкФ	1			В блокнот
	Электролитический конденсатор	220 мкФ	2			В блокнот
	Конденсатор	10 мкФ 450 В	2			В блокнот
	Конденсатор	1 мкФ 630 В	1			В блокнот
	Конденсатор	10 нФ	2			В блокнот
	Конденсатор	100 нФ	1			В блокнот
	Резистор	10 МОм	1			В блокнот
	Резистор	300 кОм	1			В блокнот
	Резистор	15 кОм	1			В блокнот
	Резистор	6.8 кОм	1			В блокнот
	Резистор	2.4 кОм	1			В блокнот
	Резистор	1 кОм	3			В блокнот
	Резистор	100 Ом	1			В блокнот
	Резистор	30 Ом	2			В блокнот
	Резистор	20 Ом	1			В блокнот
	Резистор	5 Ом	2			В блокнот
T1	Трансформатор		1			В блокнот
	Блок распределения напряжений
VD1, VD2	Диод		2			В блокнот
	Светодиод		1			В блокнот
C1-C4	Конденсатор		4			В блокнот
R1	Резистор	10 Ом	1			В блокнот
R2	Резистор	1 кОм	1			В блокнот
	Выключатель		1			В блокнот
	Батарея		1			В блокнот
	Программируемый таймер и осциллятор	LM555	1			В блокнот
	Операционный усилитель	LM358	1			В блокнот
	Линейный регулятор	LM7812	1			В блокнот
	Биполярный транзистор	BC547	1			В блокнот
	Биполярный транзистор	BC307	1			В блокнот
	MOSFET-транзистор	AUIRL3705N	1			В блокнот
	Фототранзистор	SFH309	1			В блокнот
	Тиристор	25 А	1			В блокнот
	Выпрямительный диод	HER207	3			В блокнот
	Диод	20 А	1			В блокнот
	Диод	50 А	1			В блокнот
	Светодиод	SFH409	1