Elektro-magnetická pulsní zařízení

      14.8.2002 Při brouzdání po Internetu jsem náhodou narazil na stránky nadšenců, kteří s těmito udělátky dělají doslova divy. Více mě snad ohromil jen Teslův Transformátor. Idea je geniálně jednoduchá a tkví vždy v tom, že se postupně nahromadí určité množství energie, které se pak v co nejkratším okamžiku uvolní na nějakou činnost. Tím se dosáhne obrovských špičkových výkonů. V našem případě se konkrétně hromadí elektrická energie (E = 0,5*C*U2) v baterii kondenzátorů, která se pak vybije do cívky. Vzniklý magnetický impuls se pak využije na urychlení nebo deformaci různých předmětů. Podívejme se nyní podrobněji na několik praktických aplikací.
      Gaussgun nebo také Coilgun je zařízení, které se skládá z tenké (plastové, skleněné,...) trubičky na jejímž jednom konci je namotaná cívka (obvykle pár desítek závitů tlustého drátu), spínače a baterie kondenzátorů. Do trubičky - hlavně se vloží železný nebo feritový váleček - projektil, v klidu se ze zdroje nabijou kondenzátory a pak se připojí k cívce. V ní se vybudí silné magnetické pole, které vcucne projektil dovnitř cívky a ten pak dále setrvačností vyletí ven.

gaussgun principle

Má to však jeden háček. Po prvním magnetickém impulsu se začne energie z cívky přelévat zpět do kondenzátorů (jen pokud má RLC obvod malé tlumení, nemusí nastat vždy) a nabíjet je opačnou polaritou (což se elektrolytům nemusí líbit), vznikají tlumené oscilace. Ty mohou právě vylétnuvší projektil brzdit tím, že se ho pokusí vtáhnout zpět dovnitř (síla cívky je úměrná kvadrátu proudu, nezáleží tedy na směru proudu - síla bude vždy přitažlivá, působící směrem do středu cívky). Někde jsem to viděl řešit tím, že se paralelně ke kondenzátorům připojí závěrně polarizovaná dioda (popř. s malým odporem v sérii), která zatlumí záporný puls (přemění ho v teplo). Důležité je načasování impulsu tak, aby v okamžiku, kdy projektil vlétne do středu cívky, už proudový impuls zanikl. Při použití běžného tyristoru jako spínače nemáme možnost proud vypnout. Vhodnější jsou proto výkonové IGBT, které lze libovolně spínat a rozpínat (vygenerovat impuls přesné délky), nesmíme u něj zapomenout na ochranný obvod, protože při rychlém rozepnutí proudu se na cívce indukuje vysoké napětí. Navíc je to celé dost citlivé na délku projektilu a jeho počátečním umístění vůči cívce. Chce to dost experimentovat.
      Dále existuje i sofistikovanější řešení, které využívá několika cívek podél hlavně + nezávislé kondenzátory, které jsou spínány optickými závorami. Cívka na konci sepne první a urychlí projektil. Jakmile optická závora uvidí, že se přiblížil k druhé cívce, sepne ji a tím projektil ještě více urychlí. Tato technika se tuším používala u lineárních urychlovačů částic.
      Další modifikací je Thomsonův gaussgun neboli ringlauncher. Ten pracuje na trochu jiném principu. Na jeden konec feromagnetické tyče se namotá a pořádně zafixuje válcová nebo plochá spirálová cívka. Na tyč se pak lehce navlíkne neferomagnetický ale dobře vodivý prstenec (např. krátký odřezek tlustostěné měděné trubky) jako projektil. Ten tvoří závit nakrátko. Po odpálení baterie kondenzátorů se vytvoří kolem cívky magnetické pole, které v prstenci indukuje mag. pole, jenž podle Lenzova zákona působí proti poli cívky a tím je prstnenec odpuzován tak, že vyletí z tyče ven. Výhoda je v tom, že síla je odpudivá a nehrozí tak žádné zpětné vtahování cívkou, není potřeba nějak složitě řešit časování.
Thomson gaussgun principle
      Pokud si myslíte, že je to jen taková špuntovka pro pár magorů co se tím baví, tak je to omyl! Toto zařízení už někdy od poloviny minulého století má v arzenálu armáda USA a jsou jím schopni vystřelit projektil až na oběžnou dráhu. K čemu to asi tak můžou použít? Co třeba sejmout nějaký satelit :) ? Samozřejmě to vyžaduje obrovské energie. Místo kondenzátorů prý používají olověné akumulátory, kterých je třeba celý "menší" náklaďák a dosahují proudů MA.
      Railgun je zařízení k podobnému účelu. Skládá se ze dvou masivních kolejniček s drážkou v níž se šoupe krátký projektil. Celé to dohromady tvoří třičtvrtězávit, který má magnetické pole tendenci roztáhnout. Protože kolejničky jsou napevno, vyletí projektil z drážky. Akorát je mi záhadou, jakto že se ke kolejničkám nepřipeče (při těch proudech)...
      Cancrusher je tu hlavně pro zábavu. Je to jen obyčejná, pevně smotaná cívka kolem plechovky od kokakoly. Ta je magnetickým pulsem uprostřed smáčknuta, v extrémních případech až roztržena na dvě půlky. Dobře se tím dá demonstrovat uvolněná energie. Na roztržení klasické plechovky je potřeba asi 1,5 kJ.
      Coinshrinker - pomocí vhodně umístěné a upevněné cívky kolem mince se docílí jejího smrštění. Tedy zmenšení průměru na úkor tloušťky. Na Internetu jsem našel celou galerii smrsklých mincí, např. americký dolar ve velikosti naší pětikoruny a pod. a dokonce si je můžete od dotyčného koupit :). Možná vás teď zarazilo, jak je možné smrskávat mince, které jsou nemagnetické (většina). Jde o to, že každý kus vodiče je vlastně malým závitem nakrátko v němž magnetické pole indukuje napětí, ale protože je ten závit nakrátko, tak jím teče veliký zkratový proud. Ten jednak vodič ohřívá (tzv. ztráty vířivými proudy) a také v něm indukuje magnetické pole, které působí proti zdrojovému poli (Lenzovo pravidlo).
      Exploding Water, Wires, atd. - zde se už nejedná o využití magnetického pole, ale o přeměnu elektrické energie zejména na teplo. V podstatě lze tímto způsobem odpálit, odpařit zkrátka zlikvidovat cokoli jen trochu vodivého. Napadá mě třeba taková náhrada elektrického křesla - dotyčný by vsunul hlavu (nebo celý se) mezi elektrody, ke kterým by se připojila megabaterie kondenzátorů. Během pár milisekund by se doslova vypařil. Sám jsem zkoušel odpalovat vodu. Do malé misky jsem ponořil 2 dráty a připojil k nabitému kondenzátoru. Pokud byla vzdálenost velká, jen to trochu zabublalo a nic (elektrolýza). Při vzdálenosti asi 2mm došlo k intenzivnímu namodralému záblesku, ozvala se pěkná pecka a sloupec vody vystříkl až do stropu. A miska byla prasklá. Sám nevím, k čemu zde přesně dochází. Jednak je tu silné pnutí vyvolané prudkým ohřátím a vypařením vody, jednak elektrolýza rozkládající vodu na kyslík a vodík což je samo o sobě výbušná směs. Nejlepší stránky na tato témata má asi Sam Barros, doporučuji prohlédnout.
      Používané součástky. Celé je to především o kondenzátorech. Prostě čím větší kapacita na větší napětí, tím větší energie. Snad nemusím zdůrazňovat opatrné zacházení s kondenzátory, při takových napětích a energiích je smrt při dotyku téměř jistá. O jednom takovém případě jsem slyšel, dotyčný kupodivu nezemřel hned, ale ještě se dopotácel úraz oznámit a nato zemřel. Proto se také velké kondenzátory skladují se zkratovanými vývody.
      Ale pozor, ne každý kondenzátor se na to hodí. Zejména veliké zkratové proudy nedělají mnoha obyčejným kondenzátorům dobře a značně se snižuje jejich životnost. Chce to sledovat maximální povolený vybíjecí proud a di/dt. Dále má každý kondenzátor větší či menší ekvivalentní sériový odpor (odpor přívodů, elektrolytu,...), který sám o sobě omezuje zkratový proud. A aby to nebylo málo, každý kondenzátor má i vlastní indukčnost (je to obvykle svitek-spirálová cívka), která opět omezuje špičkový proud. Také propojovací vodiče mají indukčnost, takže by měly být co nejkratší. U nás jsou speciální impulsní kondenzátory větších kapacit a napětí prakticky nedostupné a nebo pěkně drahé. Jediné, co lze jednoduše sehnat, jsou elektrolyty z pulsních zdrojů PC, televizí, monitorů, tiskáren a pod. Za tu dobu jsem jich pár nashromáždil a spojil:

baterie elytu

Celková kapacita je 15 mF na 200 V a energie 300 J. Amatéři běžně používají baterie s energií několik kJ až desítek kJ. Pro experimenty s vysokým napětím mám tohoto drobečka, jenž se u nás válel na dvoře (byly tam i větší, ale ty bych neunesl :)

MP kond 2µF/6/13kV tyristor

s kapacitou 2 µF (změřeno 1,88) na 6 / 13 kV což dává energii 34 J při 6 kV. Ještě mám podobný 0,25 µF na 16 / 30 kV (32 J).
      Jako spínače na nižších napětích lze s výhodou využít výkonové tyristory. To přináší výhodu automatického rozepnutí obvodu jakmile proud klesne pod přídržnou hodnotu. Další výhoda je tichost. Ono takové sepnutí větších kapacit jentak dvěma dráty nebo obyčejným vypínačem je už docela vo uši. Sehnal jsem jeden takový středně výkonný tyristor od kamaráda (ty největší mají diskový tvar a velikost asi jako puk), ale bohužel se mi ho už podařilo zničit. Ne úplně, ale zhruba při 70 V se sám sepne, aniž by dostal řídicí impuls. To se stalo poté, co jsem ho párkrát sepnul do cívky z tlustého drátu (asi 2 mm). Při spínání dochází totiž k lavinové ionizaci. Zpočátku je tyristor vodivý jen v jednom, nebo několika málo izolovaných bodech křemíkového čipu a postupně se celý zionizuje. Jenže při tak rychlém nárůstu proudu (i zde je mezní di/dt) se nestačil zřejmě celý zionizovat a došlo v něm k lokálnímu přehřátí v určitých bodech, které se teď zionizují při nižším napětí.
      Pro vysoké napětí se používají obvykle ignitrony, neboli spouštěná jiskřiště. Mezi dvě hlavní elektrody, vzdálené tak aby nedošlo k přeskoku, se vloží pomocná elektroda na kterou se přivede pár kV, tím se zapálí výboj mezi pomocnou elektrodou a jednou hlavní elektrodou. To způsobí ionizaci vzduchu mezi hlavními elektrodami, mezi kterými se též zapálí výboj. Já jsem jiskřiště spínal jednoduše přiblížením elektrod.


Gaussgun 1.0

      27.10.2002 Zde je můj malý experimentální gaussgun, který jsem zatím moc nevyladil, protože mi záhy odešel tyristor. Dosáhl jsem s ním dostřel šroubku asi 5 m. Také se mi povedlo od horké cívky roztavit umělohmotnou hlaveň z propisky. Tak snad někdy příště s novým tyristorem.

My gaussgun schematics

My gaussgun 1 My gaussgun 2 melted gaussgun

Pitva tyristoru:

mrtvý tyristor mrtvý tyristor


Gaussgun 2.0

      24.11.2003 jsem od kamaráda dostal pěkné skleněné trubičky na novou hlaveň. Vnitřní průměr je 4,7 mm a jako projektil jsem odřízl špičku hřebíku dlouhou 22 mm. Cívku jsem namotal jen tak provizorně jak mě napadlo - dvě vrstvy po 20-ti závitech zvonkového drátu. Pro spínání jsem použil mžikový spínač na 15 A přímo v silovém obvodu. Jak se dalo čekat, kontakty se po pár výstřelech spekly k sobě tak, že byl spínač trvale zkratovaný a ani jemná domluva kladivem mu už nepomohla :-). Ale stálo to docela za to. Při odpálení mé 15mF baterie nabité na 200 V se mi podařilo hřebík zaseknout asi z 1/2 m do papírové krabice z tvrdého kartónu. Razanci bych odhadoval asi jako ta vzduchová pistolka na plastové kuličky. Zvýšení účinnosti bylo způsobeno zejména díky podstatnému zmenšení vzduchové mezery mezi projektilem a cívkou.

vystřelený hřebík vystřelený hřebík


Gaussgun 3.0

      21.10.2005 Před časem se mi podařilo sehnat libový tyristory ze starého měniče od ČKD polovodiče, který jsme likvidovali ve škole. Vypadají celkem robustně, pouzdro je keramické, pukovitého tvaru o průměru 45 mm a velkoplošnými elektrodami po stranách. Řídicí elektroda je vyvedená z boku. Katalogové údaje jsou: Iav = 200A, Ipeak = 3600A, Ur = 2000V, dU/dt = 1000 V/µs, dI/dt = 50 A/µs, rd = 1 mohm, takže tenhle drobeček by měl už něco vydržet.

Tyristor CKD TV956-200-20 NDO

K tomu jsem ještě na Holickém radiojarmarku výhodně koupil pořádný kondenzátor 6,8 mF / 350V (skutečná změřená kapacita je 7,3 mF a ESR = 0,03 ohm), kterým jsem nahradil tu šílenou baterii (výše). Kondenzátor nabíjím z usměrněné sítě, takže při zhruba 330 V je nahromaděná energie téměř 400 J, což je o něco víc a hlavně při kompaktnějších rozměrech :).
      Také cívku jsem zcela předělal. Cívka by měla být protáhlá a minimálně stejně dlouhá jako použitý projektil. Mezi projektilem a cívkou má být co nejmenší mezera, což je u mě dáno sílou stěny skleněné trubičky 1,3 mm. Menší mezery by šlo dosáhnout použitím tenkostěnné kovové trubičky, která však musí být podélně rozříznutá, aby se do ní neindukovaly vířivé proudy. Jako materiál projektilu je asi nejlepší magneticky měkká ocel, protože u tvrdé oceli se dost energie spotřebuje na magnetizaci a ferity zas mají menší permeabilitu i sycení. Počet závitů cívky je docela komplikovaná věc. Sice platí, že čím více závitů, tím větší přitažlivá síla, ale taky větší indukčnost a pomalejší nárůst proudu cívkou a tím menší zrychlení. Pro pomalejší puls je výhodnější delší cívka (a projektil, tzn. větší hmotnost, menší rychlost). Chce to holt trochu zaexperimentovat. S počátečními hodnotami vám pomůže tento kalkulátor s grafickou simulací průběhů napětí a proudu. Já jsem se nakonec dostal ke 117 závitům namotaných CuL drátem průměru 1,3 mm ve 4 vrstvách. Používat drát s PVC izolací nedoporučuju, protože se při zahřátí drátu roztejká a navíc průřez izolace zbytečně snižuje proudovou hustotu v cívce (proto se nedoporučuje ani drát příliš velkého průměru). Cívku je dobré nalakovat, aby se vlivem sil nedeformovala. Další detaily jsou zde.

My gaussgun 3.0 scheme

      Zapojení jsem doplnil o paralelní diodu u kondenzátoru, aby se nemohl přebíjet záporným napětím a malým kondenzátorem v gate pro rychlejší sepnutí tyristoru. Mechanicky to zatím nemám dořešené, chtělo by to nějaký kryt, možná i měnič pro bateriové napájení a LASERové ukazovátko jako zaměřovač. Jako terč používám složenou krabici od monitoru (4 tlusté kartónové papíry přes sebe). Zatím se mi ji nepodařilo prostřelit skrz, i když k tomu mnoho nechybí. Projektil se zavrtá tak, že zepředu není vidět a vzadu mu čouhá špička. Zde jedno malé video [DivX, 201 kB].

My gaussgun 3.0 stick in cartoon projectile

      Během testování jsem střílel do kartónu asi z 0,5 m a projektil se vždy zapíchnul špičkou. Když jsem ale zkoušel střílet na delší vzdálenost, zjistil sem, že se projektil otáčí (jako když hodíte nůž, nikoli jako kulka z pistole) a na terč dopadne třeba bokem nebo zadkem. Drážkovanou hlaveň nelze použít kvůli velkému odporu, navíc do skla by to ani nešlo. Někdo mi radil udělat drážky na projektilu a tak jsem zkoušel střílet kus vrtáku, ale ani to nefungovalo. Myslím, že pro dobrou stabilizaci by projektil musel letět řádově rychleji, aby nabral potřebné otáčky. Nakonec jsem to vyřešil jako u šipek do vzduchovky - na konec projektilu jsem přilepil vteřinovým lepidlem střapec ze starého štětce. Sice to zvyšuje aerodynamický odpor, ale stabilizuje to dobře. Takto upravený projektil se mi opakovaně zapíchnul i při střelbě na 3,5 m.

projectile with tail projectile in front projectile inside

      Dále bych se ještě věnoval trochu teorii. Ono to na první pohled vypadá docela jednoduše - kondenzátor se vybije do kusu ztočenýho drátu a hotovo. Jenže gaussgun je narozdíl od klasickýho RLC obvodu s konstantními parametry analyticky neřešitelný. Tím, že se feromagnetický projektil pohybuje v hlavni, se mění indukčnost cívky, což ovlivňuje průběh proudu, na kterém závisí přitažlivá síla cívky a tudíž i pohyb projektilu. Navíc při tak velkých proudech nelze brát cívku s projektilem za lineární, protože dochází k přesycení železa a poklesu efektivní permeability a tím i okamžité indukčnosti.
      Abych si udělal alespoň hrubou představu o poměrech v obvodu, provedl jsem několik měření. Jako první se podíváme na průběh proudu. Do obvodu jsem tedy zapojil kus tlustého drátu jako bočník (odpor 0,538 mohm) se dvěma odbočkami pro snímání napětí. Velkým pomocníkem by byl v této situaci digitální paměťový osciloskop, bohužel mám pouze analog. Protože však průběhy veličin v gaussgunu nejsou nijak extrémně rychlé, mohl jsem pro snímání použít line-in vstup zvukové karty při vzorkování 48 kHz. Nahrál jsem pak několik průběhů pro různé počáteční polohy projektilu v hlavni i pro případ bez projektilu. Kupodivu se průběhy lišily docela málo. Zde je průběh proudu pro polohu zadku projektilu vůči kraji cívky -29 mm (maximum je 1946 A v čase 0,48 ms):

Gaussgun 3.0 pulse response for h=-29mm

Na parametrech RLC obvodu závisí, jestli bude impulsová odezva aperiodická nebo tlumeně kmitavá. V mojem případě byla vždy aperiodická. Pro úvahy o ztrátách jsem si ještě z průběhu vypočítal efektivní hodnotu proudu Ief = 1159 A (ztrátová energie je daná E = R*Ief2*t).
      Dále mě zajímalo, jak závisí přitažlivá síla cívky na poloze projektilu vzhledem k cívce. K tomu lze s výhodou využít Zemské gravitace. Hlaveň jsem jednoduše postavil kolmo vzhůru a pomalu přidával proud cívkou dokud se projektil nevznesl (překonal zemskou tíži G = m*g). Síla cívky závisí na proudu kvadraticky. Ze změřeného proudu jsem tedy spočítal sílu na 1 ampér - k. Pro libovolný proud pak lze sílu spočítat jako F = k*I2   [N; N/A2, A].

Gaussgun 3.0 drawing

Gaussgun 3.0 force koef. vs h

Pro další záměry jsem ještě potřeboval určit nějakou spojitou aproximaci k[h]. K tomu docela dobře posloužila hladká funkce typu:

Gaussgun 3.0 k(h) equation for force calculation

kde c1, c2, c3 jsou vhodně zvolené konstanty (v základním tvaru má funkce hodnoty od 0 do 1 a je symetrická podle 0 s maximem v bodě 0). Z průběhu proudu v čase a okamžité polohy jsem tak mohl určit sílu F(h,t) = k(h)*i2(t)*sign(h), ze síly zrychlení (F = m*a) a ze zrychlení rychlost a polohu projektilu v daném čase. Vyšlo to ale poněkud divně, mnohem větší hodnoty než v reálu. Zřejmě kvůli saturaci materiálu projektilu, kterou jsem neuvažoval nebo také díky akumulaci chyb, protože následující hodnoty se počítají z předchozí vypočtené polohy. Zde je souhrn všech grafů a tabulek.
      Abych se dobral skutečné rychlosti a energie projektilu, použil jsem dvou optických infra-závor na hlavni, jejichž výstup jsem zaznamenával opět pomocí zvukové karty:

Gaussgun 3.0 velocity measurement

Náběžná hrana značí vstup špičky projektilu do optické závory a sestupná hrana opuštění optické závory. První impuls odpovídá první závoře (blíže k cívce), druhý impuls druhé závoře. Vzdálenost mezi nimi byla 146 mm.

Gaussgun 3.0 velocity measurement for h=-27mm

Zde jsou změřené rychlosti, kinetická energie a účinnost pro různé počáteční polohy projektilu:

Gaussgun 3.0 velocity measurement table

Gaussgun 3.0 velocity meas. graph

      Je tedy vidět, že na správném zastrčení projektilu do hlavně hodně závisí, musí být provedeno s milimetrovou přesností. Maximální rychlosti a energie jsem dosáhl při vzdálenosti konce projektilu a konce cívky h = -27 mm. Když se podíváme na účinnost, tak je to dost bída. Většina energie se protopí v odporu cívky (108 mohm => 305 J) a ESR kondenzátoru (30 mohm => 85 J) a pouze necelé 1% se přemění na kinetickou energii. Odpor cívky, aniž by neklesala proudová hustota, se už moc snižovat nedá. Stříbro má lepší vodivost o pár % a pokud by někdo myslel na supravodiče, tak tam je zas problém, že supravodivost při velkých intenzitách mag. pole zaniká (což by mohlo být při větších výkonech docela nebezpečné).
      Další možnosti zvýšení výkonu, když nepočítám prosté přidání dalšího kondenzátoru (nejlépe sériově + zdvojovač napětí), jsou buď v přestavění na vícestupňový gaussgun (zde je též potřeba víc kondenzátorů a spínačů + optické závory a řídicí logika) nebo použití spínacího prvku, který lze řízeně rozepnout, aby se zamezilo brzdnému efektu při dobíhání proudu v době, kdy už projektil prolétl cívkou a síla ho vtahuje zpět (suckback effect). Nejlépe by se hodil nějaký IGBT modul z tramvaje (IGBT tranzistory se snadno řídí, jsou celkem rychlé a snesou velké impulsní proudy) nebo GTO tyristor. Na ruské stránce Evgenije Vasiljeva jsem našel zajímavé zapojení se dvěma obyčejnými tyristory, kde druhý Ty slouží právě k rozpojení obvodu, které by stálo za vyzkoušení.



Zpět

Aktualizováno 26.2.2006 v 0:32

Doplňky pro odvodnění diuretika a suplementy