Коли я навчався в університеті на другому курсі, мені прийшло досить незвичайне замовлення - триступенева Гаусс гармата. Терміни на її створення були дуже короткими: на все про все був лише тиждень. Крім того, гармата була з фізично нереалізованою родзинкою: переполюсуванням магнітного поля котушок, що повинно було, на думку автора гармати, підвищити її ККД. Проте, оскільки я любив Гаусс гармати і мріяв почати заробляти гроші улюбленою справою, я погодився на виконання замовлення.
На канікулах ніщо не віщувало...
Це були зимові канікули, залишалося трохи більше тижня до початку навчання. Ніщо не віщувало дивних замовлень, як раптом мені подзвонив мій друг і запитав, чи немає у мене бажання взяти участь у розробці справжньої гармати Гаусса. Звичайно ж, я був усіма руками за. Гроші на гармату обіцяли виділити скільки завгодно багато (мається на увазі на деталі, а не плату за роботу). Головною умовою було закінчити гармату вчасно, також вона повинна була вміти робити переполюсування магнітного поля котушок, щоб снаряд отримував додаткове прискорення, а ще бути здатною пробити танк володіти ККД не менше 10%.
Ознайомившись зі схемою гармати, я просто випав, адже це був цілком секретний креслення з НДІ часів СРСР. На жаль, схема була спалена інквізицією не збереглася, по пам'яті пам'ятаю лише те, що автор хотів заряджати неполярні конденсатори змінним струмом. Загалом, замовник не мав ні найменшого поняття про те, як працюють Гаусс гармати і електроніка в цілому, раз навіть не знав, що змінним струмом конденсатори не заряджають. Тому все довелося робити самому.
Ще один неприємний сюрприз був у тому, що корпус для гармати вже був готовий. Тому розташування котушок міняти було не можна, та й їх розмір був обмежений по довжині.
Що ж стосується переполюсування котушок... Я спробував пояснити, що енергія на котушці не може «зникнути в нікуди», тим не менш, це було важливою умовою, хоча завдяки моєму покладанню реалізація переполюсування магнітного поля стала потрібна лише на першому щаблі, а інші три працювали, як у звичайних Гаусс гарматах.
Початок розробки. Мостова схема керування котушкою
Вийшло так, що в команді тільки я розбирався в електроніці на досить високому рівні. Можливо, тому розробка йшла цілодобово протягом тижня з перервами на невеликий сон, хоча нас, «Слав», було три людини. («Слав», тому що імена всіх трьох закінчувалися на «слав»).
Насамперед треба було прикинути, що буде відбуватися в мостовій схемі включення ключів при спробі подати на котушку напругу в протилежному напрямку після того, як через неї вже почав текти струм. Для цих цілей я використовував симулятор L^ pice з необхідними бібліотеками елементів (які взяв ніби як тут і тут). Як ключі вирішив використовувати паралельно включені IGBT транзистори. Пошук по Гуглу показав, що паралельне включення IGBT транзисторів в Гаусс гарматі буде коректно працювати, якщо у кожного транзистора буде невеликий додавальний опір (по пам'яті на кшталт 0.1 - 0.5 Ом). Без доданих резисторів транзистори швидше за все горітимуть один за одним. Також для захисту від самоіндукції у кожного транзистора повинен бути захисний діод. У якості конденсаторів, звичайно ж, використовувалися звичайні електроліти ємністю 330 - 470 мкф і напругою 450 вольт. Значення індуктивності котушки для симулятора було отримано з розрахунків котушок у програмі FEMM. IGBT транзистори управлялися через спеціалізовані для цих цілей оптодрайвери, оскільки була необхідна гальванічна розв'язка.
У підсумку з'ясувалося, що в мостовій схемі під час перепідключення котушки у транзисторів виникали потужні викиди зворотного струму, несумісні з життям кремнію. Дану проблему не вирішувало абсолютно ніщо, і варистор теж не рятував. З іншого боку, якщо по одній діагоналі прибрати транзистори і залишити там діоди, виходила схема рекуперації енергії. У випадку з рекуперацією залишкова енергія котушки після проходження через неї снаряда поверталася назад на конденсатор.
Ці дві новини я повідомив замовнику. Однак замовник сказав, що переполюсування слід реалізувати обов'язково, навіть якщо доведеться жертвувати ККД (хоча спочатку метою було підвищити ККД.). У результаті я просто включив котушку послідовно з доданим резистором, значення якого підібрав виходячи з допустимих значень зворотного струму транзисторів.
Розрахунок котушок
Мабуть, саме зіткнувшись з розрахунками котушок для Гаусс гармати, я вперше дізнався про те, що щось може розраховуватися комп'ютером годинами, якщо не цілими днями. Як вже писав раніше, розрахунок проводився з міццю спеціального скрипту в програмі FEMM. Один знайомий дав мені «правдивий» скрипт для розрахунку. Кому цікаво, можете пошукати в інтернеті «coilgun_cu.lua» або завантажити тут, поки посилання працює. Також є два ресурси (тут і тут), де я читав і про ті ж IGBT транзистори, і про FEMM і багато іншого.
Після завершення розрахунків з оптимізацією були отримані значення швидкості снаряда, ККД гармати, кількість витків тощо. Насправді, не можна ці значення назвати єдино оптимальними, при виборі параметрів оптимізації доводиться керуватися технічною інтуїцією, так що немає гарантій, що дані значення будуть найкращими. Швидше за все вони будуть найкращими лише в деякій області параметрів котушок.
Керування гарматою
Оскільки гармата триступенева, виникає питання, як котушки перемикати. Для того, щоб визначити наявність снаряда перед котушкою, було вирішено використовувати стандартне рішення у вигляді оптичних датчиків (раджу купувати для цих цілей імпортні ВК світлодіоди, оскільки старі вітчизняні споживають дуже багато енергії). Сигнали від датчиків було вирішено визначати за допомогою зовнішніх переривань мікроконтролера серії AVR. Мікроконтролер також робив замір напруги на конденсаторах і видавав відповідні звуки при двох рівнях заряду: коли конденсатори заряджені повністю, і коли вони близькі до повної зарядки (80-90% від максимуму).
Перетворювачі напруги
Щоб зарядити від акумулятора на 12 вольт конденсатори сумарною ємністю майже 2000 мкф до напруги 450 вольт, потрібен був досить потужний перетворювач. Мені було лінь робити перетворювач з нуля, і тому я просто зняв його зі своєї власної Гаусс гармати. Кому цікаво, це був перетворювач Вальдемара.
Для живлення затворів IGBT транзисторів верхньої частини мосту потрібно було гальванічно розв'язане напруження, яке я вирішив отримувати за допомогою звичайного блокінг генератора. У підсумку в гарматі додався ще один перетворювач напруги.
Створення друкованих плат
На той момент для створення друкованих плат я користувався Sprint-Layout. Ця програма досить проста в освоєнні і використанні, для невеликих проектів саме те.
Намалювавши всі схеми, я роздрукував їх на глянцевому папері і потім прасуванням переніс малюнки на підготовлений лист склотекстоліту з мідним одностороннім покриттям. Далі залишалося плати витравити, залудити, потім запаяти деталі... І так з усіма 5-ма платами.
Залужені плати
Плата з переполюсуванням
Збірка та тестування
Зібравши все воєдино, я отримав щось воді цього:
І перше ж тестування показало неспроможність ідеї з переполюсуванням котушки. Транзистори горіли навіть при великому доданому опорі, а ККД при цьому падало так низько, що снаряд «викочувався» з гармати. Якщо ж снаряд і не викочувався, а вилітав, транзисторів вистачало максимум на п'ять пострілів. У підсумку я запропонував залишити переполюсування лише зовні, а на зворотному боці плати переробити схему так, щоб робота першого ступеня гармати не відрізнялася від роботи інших двох сходинок.
У всякому разі, рекуперація енергії працювала, і вона була помітна (хоча б один плюс від використання мостової схеми для котушок).
ККД гармати залишилося в результаті невідомим. Однак, під час одного з тестування гармати я недооцінив її потужність, і снаряд пробив стіну і зніс півміста продірявив пластиковий квітковий горщик, який стояв за мішенню. В цілому, гармата була здатна пром'яти стінку великої і набитої цвяхами бляшаної банки.
Підсумок.
Замовник залишився цілком задоволений результатом. Гроші ми отримали (треба сказати, зараз я розумію що це було мало за таку роботу) і поділили по заслугах порівну між собою в нерівній пропорції.
Пізніше я виявив своє дітище в одному бізнес-інкубаторі, де вона лежала для краси. Також її показували на одному фестивалі, правда, на той момент вона була вже в неробочому стані.
