Bouwpakket: coil gun demo kit

(gepubliceerd op 29-08-2023)

Coil guns schieten met behulp van magnetische velden projectielen met grote snelheid af die dankzij hun enorme kinetische energie tanks of scheepsrompen penetreren. Met deze demo kit kunt u experimenteren met deze technologie.

Achtergrondinformatie over coil guns

Een voor de hand liggend principe

Het principe van coil guns is zo voor de hand liggend dat iedere elektrotechnicus het kan verzinnen. Zet een paar spoelen rond een loop. Plaats een zwaar ferromagnetisch projectiel in die loop. Stuur een zeer hoge stroom door de spoelen, eerst door de meest linkse en zo verder naar rechts. Het projectiel zal door de grote magnetische velden rond de spoelen worden versneld en dus met een heel hoge snelheid de loop verlaten. Dit zware projectiel heeft dan een kinetische energie die gelijk is een:

Ekin = ½ ● m ● v²

De kinetische energie van het projectiel is gelijk aan de helft van de massa m vermenigvuldigd met het kwadraat van de snelheid v. Zowel de massa als de snelheid zijn zeer groot, dus het projectiel heeft heel veel kinetische energie. Op het moment dat dit projectiel de bepanstering van een tank raakt wordt de snelheid nul. Uit de bovenstaande formule volgt dat dan ook de kinetische energie nul wordt. Energie kan echter niet verdwijnen, maar uitsluitend worden omgezet in een andere vorm. In dit geval wordt de kinetische energie volledig omgezet in thermische energie. Het projectiel wordt witgloeiend heet en smelt zich een weg door de bepanstering van de tank. In de tank gaat het inmiddels vloeibaar geworden projectiel onmiddellijk een exothermische reactie aan met de zuurstof in de lucht. Het gevolg is dat het interne van de tank zo heet wordt dat alles onmiddellijk in brand vliegt of explodeert.

Het simpele principe van een coil gun. (© Wikicommons)

De Arcflash Labs EMG-01B

Inmiddels zijn er in Amerika zelfs al diverse typen handwapens te koop die gebaseerd zijn op het principe van de coil gun. In de onderstaande foto ziet u bijvoorbeeld het model EMG-01B van het Amerikaanse bedrijf Arcflash Labs. 

De EMG-01 maakt gebruik van een lithium-ion accu die bestaat uit zes cellen en 25,2 V levert. Deze accu draagt een vermogen van ongeveer 2 kW over aan tien elektrolytische condensatoren. Deze elco's kunnen in minder dan 1/10e van een seconde worden opgeladen. De lading die in deze condensatoren is opgeslagen wordt volgens een bepaald tijdschema door middel van IGBT's overgedragen op acht zeer laagohmige spoelen. De magnetische velden die in de loop ontstaan werken als een lineaire motor en versnellen een ferromagnetisch projectiel tot 45 m/s of 135 km/h. De energie van de kogels bedraagt 4,87 J.

De Arcflash Labs EMG-01B coil gun. (© 2022 Arcflash Labs)

De principiële schakeling van een coil gun

Alle coil guns werken volgens de in de onderstaande figuur voorgestelde schakeling. Rond de in blauw getekende loop zijn identieke laagohmige spoelen L1, L2 en L3 opgesteld. Links in de loop wordt een projectiel aangebracht dat aangetrokken wordt door een magnetisch veld. Het projectiel moet dus ferromagnetische eigenschappen hebben. Zeer zware hoogspanningselco's C1, C2, C3 worden via scheidingsdiodes D1, D2 en D3 opgeladen uit een hoogspanning van ongeveer 450 V. De plussen van die elco's gaan naar de spoelen, de minnen naar de massa. De andere aansluitingen van de spoelen gaan via thyristoren D4, D5 en D6 naar de massa. De gates van de thyristoren worden gestuurd uit een ontsteek schakeling. Als thyristor D4 wordt ontstoken wordt de elco C1 opeens ontladen over de spoel L1. Rond die spoel ontstaat een sterk magnetisch veld dat het ferromagnetisch projectiel aantrekt. Dit wordt dus versneld en gaat zich van links naar rechts door de loop verplaatsen.

Op het moment dat het projectiel de spoel L1 verlaat wordt de gate van de thyristor D5 gestuurd. De condensator C2 gaat zich ontladen over de spoel L2. Het reeds versnelde projectiel wordt nu aangetrokken door het magnetisch veld rond L2 en gaat nog meer versnellen.

Het zal duidelijk zijn: hoe meer trappen in de coil gun aanwezig zijn, met des te meer snelheid het projectiel de loop rechts verlaat. 

Alles komt aan op een exacte timing van het aansturen van de gates van de thyristoren. Dat is erg kritisch en in de meeste gevallen wordt dit opgelost door in de loop een aantal lichtsluizen aan te brengen die worden onderbroken door het projectiel. Deze lichtsluizen zorgen ervoor dat de thyristoren op het juiste moment ontsteken.

 

De principiële schakeling van een coil gun. (© 2023 Jos Verstraten)

Een leuk, maar gevaarlijk hobby project

Het experimenteren met coil guns is een leuk hobby project omdat het in feite over vrij eenvoudige elektronica gaat. Een paar vaderlijke waarschuwingen zijn echter wél noodzakelijk.

COIL GUNS ZIJN GEEN KINDERSPEELGOED!

De noodzakelijke elco's worden opgeladen tot gelijkspanningen van 450 V. Zo'n spanning is levensgevaarlijk! 450 V gelijkspanning tussen uw handen is net zoiets als de eerste keer seks: een ervaring die u nooit meer vergeet! Ook nadat zo'n elco is ontladen door zijn thyristor kan er een grote restspanning in het onderdeel aanwezig blijven. Ga er dus nooit van uit dat zo'n elco uit zichzelf volledig is ontladen, maar sluit alle condensatoren even kort alvorens u in zo'n schakeling gaat solderen.

DRAAG STEEDS EEN VEILIGHEIDSBRIL ALS U EEN KOGEL AFSCHIET!

Een tweede punt dat echt aandacht verdient is dat, in een goed ontworpen coil gun die uit diverse trappen bestaat, de projectielen met een enorme snelheid en kracht worden weggeschoten. Als voorbeeld kopiëren wij hierbij een fragmentje van een video die Electronoods op YouTube heeft gepubliceerd. Deze man heeft een vijftraps coil gun geknutseld waarmee hij metalen kogeltjes met het allergrootste gemak door een kartonnen doos schiet.

Bij het allereerste schot met onze drietraps coil gun hadden wij de loop niets vermoedend op een muur van onze hobby-kamer gericht. Het kogeltje verliet met zo'n hoge snelheid de loop dat het niet alleen van die ene muur terugkaatste, maar dat ook nog eens tegen een tweede muur deed en in het gordijn voor het raam tot rust kwam.

Oppassen dus, als u met deze materie aan de slag gaat!
 

China levert alles dat u nodig hebt

De bekende Chinese postorderbedrijven die via AliExpress hun spullen verkopen leveren alles dat u nodig hebt om zélf een coil gun in elkaar te frutselen. De zware hoogspanningselco's, de speciale spoelen, de speciale thyristoren en de onderdelen voor de lichtsluizen kunt u, na wat speurwerk, allemaal goedkoop bij elkaar scharrelen. Er zijn echter ook kant-en-klare bouwpakketten te koop van eenvoudige eentraps coil guns tot zeer dure exemplaren met wel tien trappen. In de onderstaande foto hebben wij die twee uitersten verenigd.

Twee extreme voorbeelden van coil gun bouwpakketten. (© 2023 Jos Verstraten)

Wij kochten een coil gun kit met drie trappen

Pakketomvang

Om zonder al te veel geld uit te geven wat te kunnen spelen met zo'n apparaat hebben wij een drietraps coil gun kit besteld. Dit pakket is bij diverse aanbieders op AliExpress te koop voor een prijs van ongeveer € 50,00. In de onderstaande foto ziet u wat u voor dit bedrag ontvangt.

Het pakket is zeer compleet en bevat alle onderdelen, exclusief echter de drie 18650 accu's van 3,7 V die u nodig hebt om voldoende vermogen in de elco's te pompen. Wij bestelden exemplaren met een capaciteit van 3.000 mAh.

Rechtsboven ziet u een klein bestukt printje. Dat is de hoogspanningsgenerator die uit een gelijkspanning van 12 V een gelijkspanning van ongeveer 450 V produceert. In het midden onder op de foto ziet u nog een klein printje. Dat is een miniatuur digitaal voltmetertje waarop de laadspanning van de elco's wordt weergegeven.

Helaas ontbreekt weer eens een bouwbeschrijving, een attribuut dat bij een dergelijk toch tamelijk gecompliceerd bouwpakket eigenlijk onmisbaar is. Vandaar dat wij in dit artikel de nabouw van deze coil gun goed gaan begeleiden.

De inhoud van het drietraps pakket. (© Industrial Parts Store)

Hoe het moet worden

In de onderstaande foto ziet u hoe het eindresultaat van het geknutsel er uit komt te zien. In de linker opening van de loop legt u een van de metalen kogeltjes die worden meegeleverd. Met de rode drukknop laadt u de elco's tot het voltmetertje een spanning van 425 V aangeeft. Met de groene drukknop schiet u het kogeltje weg. 

Het compleet gemonteerde bouwpakket. (© Industrial Parts Store)

De print van de schakeling

Deze print is uiteraard dubbelzijdig en doorgemetaliseerd. Beide zijden zijn in de onderstaande foto weergegeven. Zoals u merkt zijn alle beschriftingen in het Chinees.

Beide zijden van de print. (© 2023 Jos Verstraten)

De hoogspanningselco's

Zoals uit de onderstaande foto blijkt zijn dat flinke joekels met een capaciteit van 680 μF en een werkspanning van 450 V. Zij zijn speciaal gefabriceerd voor het kunnen leveren van een heel forse piekstroom zodat er zoveel mogelijk vermogen in zo kort mogelijke tijd naar de spoelen wordt overgebracht.

De geleverde hoogspanningselco's. (© 2023 Jos Verstraten)

De spoelen

Deze zijn gewikkeld uit dikke wikkeldraad van 0,8 mm, hebben een lengte van 29 mm en een diameter van 21 mm. Het centrale gat heeft een diameter van 8 mm.

De geleverde spoeltjes. (© 2023 Jos Verstraten)

De hoogspanningsgenerator

Deze wordt om de een of andere reden compleet gemonteerd bij dit bouwpakket geleverd. Het printje is 50 mm bij 60 mm groot en zet een ingangsspanning van 12 Vdc om in een uitgangsspanning van ongeveer 450 Vdc. De ingangspiekstroom bedraagt 15 A, de uitgangsstroom 100 mA. Uit de afmetingen van de koelplaat wordt onmiddellijk duidelijk dat u deze module niet continu aan kunt laten staan. Een vermogen van 12 V maal 15 A is gelijk aan 180 W en dat kan onmogelijk door dergelijke kleine koelplaatjes worden afgevoerd. Vandaar dat bij het bouwpakket een drukknop wordt geleverd die in de positieve voedingsaansluiting komt. U drukt op deze knop tot de elco's tot hun werkspanning zijn opgeladen en laat nadien deze knop los zodat de module maar heel even ingeschakeld wordt als u een schot met de coil gun afvuurt.

De geleverde hoogspanningsgenerator. (© AliExpress)

U merkt dat er geen elco's op dit printje te bespeuren zijn. Even de scoop aan de uitgang hangen bevestigt het vermoeden dat het printje geen mooie gelijkspanning levert, maar uitsluitend een gelijkgerichte wisselspanning. Voor deze toepassing is dat uiteraard geen enkel bezwaar, want de zware elco's werken als afvlakelement! U ziet de onbelaste uitgangsspanning, de blauwe trace geeft het GND-level weer. 

De uitgangsspanning van de HT-generator.
(© 2023 Jos Verstraten)

De digitale voltmeter

Zoals uit de onderstaande foto blijkt is de voltmeter een tot het absolute minimum gereduceerd printje waaruit drie draadjes ontspruiten voor de voeding, de massa en de te meten spanning. Helaas ontbreken weer alle gegevens, zodat wij hopen dat onze inschatting dat de gele draad de ingang is, de rode de plus en de zwarte de GND klopt. 

Het miniatuur voltmetertje. (© 2023 Jos Verstraten)

Het schema van de coil gun

Vanwege de dubbelzijdigheid van de print en het zwarte silkscreen valt het niet mee het sporenpatroon op de print om te zetten in een schema. Wij maakten er het beste van en kwamen tot het onderstaande resultaat. U ziet het schema van de tweede trap dat het uitgebreidst is. De eerste en derde trap hebben bepaalde onderdelen van dit schema niet.

De elco C1 van 680 μF en 450 V wordt uit de +450 V opgeladen via de diode D1. Dat is niet zo maar een diode, maar een 6A10. Deze heeft een piekstroom van 250 A, een continu stroom van 6 A en een reverse spanning van 1.000 V. Over de condensator staat een kleine blauwe LED D2 geschakeld via een voorschakelweerstand van 5,6 MΩ. Deze blauwe LED gaat dus branden als de elco wordt opgeladen en zorgt voor een ontlaadpad als de schakeling spanningsloos is.

Denk er dus aan: als de blauwe LED brandt is de print niet aan te raken! 

De spoel L1 zit rond de loop van de coil gun. Over de spoel staat uiteraard een diode D3 die ervoor zorgt dat spanningspieken die over de spoel ontstaan volledig worden onderdrukt. Ook dat is niet zo maar een diode, maar een FR607. Dat is een fast recovery gelijkrichter met een reverse spanning van 1.000 V, een piekstroom van 300 A en een continu stroom van 6 A. De condensator C1 wordt over de spoel L1 ontladen via de thyristor D4. Ook dat is, had u iets anders verwacht, geen ordinaire thyristor maar een 70PT16B. Deze kan een piekstroom schakelen van niet minder dan 550 A en kan 70 A continu verwerken. De reverse spanning mag maximaal 1.600 V bedragen.

 

In de eerste trap wordt deze thyristor ontstoken via de groene drukknop S1 en de weerstand R2 van 100 Ω. In de tweede en derde trap wordt de gatestroom verzorgd door de transistor T1 en de weerstand R4. Om dit mechanisme te begrijpen moet u naar uiterst rechts kijken. Daar ziet u een infrarode LED D6, die continu onder spanning wordt gehouden via de weerstand R6. Deze LED staat aan één kant van de loop en straalt door een gaatje in de loop de fototransistor T2 aan. Als deze lichtsluis vrij is valt het IR-licht op de transistor en gaat deze geleiden. De collector wordt dus naar het GND-potentiaal getrokken. Het gevolg is dat ook de basis van T1 naar dat potentiaal gaat en deze transistor spert. De gate van de thyristor wordt dus niet gestuurd. Als echter het kogeltje dat door de loop schiet de lichtsluis passeert wordt de lichtstraal even onderbroken. De transistor T2 gaat naar sper. De transistor T1 krijgt nu basisstroom via de weerstand R5 en gaat geleiden. Het gevolg is dat de rode LED D5 even gaat branden.

Een tweede gevolg is dat de gate van de thyristor D4 via de geleidende T1 wordt verbinden met de 100 Ω weerstand R4.

De goede werking van de coil gun hangt af van de plaats waar u twee gaatjes door de loop boort en daar de lichtsluizen D6/T2 monteert. De rode LED's D5 helpen u om deze onderdelen goed uit te lijnen. Als dit niet goed is gedaan gaan de LED's branden.

Een poging tot reconstructie van het schema. (© 2023 Jos Verstraten)

De bouw van de schakeling

Het bestukken van de print

De gemakkelijkste volgorde bij het bestukken van de print is als volgt:

• 2 x 10 kΩ weerstanden, liggend
• 2 x 2 kΩ weerstanden, liggend
• 3 x mini-LED's blauw, let op de polariteit!
• 2 x mini-LED's rood (naast de thyistoren), let op de polariteit!
• 2 x transistoren S8050
• 2 x 2 kΩ weerstanden, staand
• 3 x 5,6 MΩ weerstanden, staand
• 3 x diodes 6A10, let op want er zijn zes vrijwel identiek uitziende diodes, controleer dus de op de diode gedrukte code
• 3 x thyristoren 70PT16B, met de metalen plaat naar binnen

Draai de print nu om en monteer:

• 3 x diodes FR607
• 3 x elco's 680 μF, 450 V, let op de polariteit

Er moet minstens 2 mm ruimte zijn tussen de print en de onderzijde van de elco's. Draai de print nu weer om en druk de uitstekende pennetjes van de elco's en de aansluitdraadjes van de diodes zo plat mogelijk op het printoppervlak en soldeer deze vast.

De montage van de spoeltjes

De aansluitdraden van de spoelen zijn gelakt en deze lak is niet soldeerbaar. U moet deze dus goed verwijderen met een scherp mesje of met een speciaal tangetje dat hiervoor in de handel is. Vertin de blanke koperen draadeinden zorgvuldig met een dun laagje tin. Schuif vervolgens de drie spoeltjes op de loop waarbij u er voor zorgt dat de loop ongeveer 1 cm uitsteekt aan de linker kant.

Het verwijderen van de lak van de wikkeldraad.

(© 2023 Jos Verstraten)

Let goed op dat de drie spoeltjes in dezelfde richting zijn gewikkeld. De buitenste aansluitdraden moeten bovendien aan de kant van de print zitten waar de zware diodes 6A10 zijn gesoldeerd. Monteer nu de drie spoeltjes op de print, waarbij u er op moet letten dat er minstens 2 mm afstand aanwezig is tussen de buitenste wikkelingen en de gesoldeerde pads op de print. Draai de print om en soldeer de zes aansluitdraden van de spoelen vast.

Monteren van de twee lichtsluizen

In de onderstaande foto ziet u hoe u de twee (zwarte) lichtgevoelige transistoren en de twee (transparante) IR-LED's moet monteren rond de loop. Buig de aansluitdraadjes onder een hoek van 90 graden, maar zorg er hierbij wel voor dat de afgeplatte kant van de behuizing aan de juiste kant terecht komt. U ziet dat aan het silkscreen dat op de print is gedrukt. Monteer de onderdelen zoals op de foto, de toppen van de onderdelen moeten in het midden van de loop terecht komen. Draai de print om en soldeer de acht draadjes vast.

Montage van een lichtsluis. (© 2023 Jos Verstraten)

Zet vervolgens twee potloodstreepjes op de loop op de plaatsen waar de lichtsluizen tegen de loop zitten. Trek de loop voorzichtig uit de drie spoeltjes en boor twee gaatjes van 3 mm door de loop op de plaats van de streepjes. Ontbraam de gaatjes goed aan de binnenzijde van de loop. Monteer de loop weer in de drie spoeltjes en draai de loop zo dat de gaatjes precies samenvallen met de toppen van de fototransistoren en IR-LED's.

Montage van de voltmeter

Soldeer de drie aansluitdraden los en vervang deze door drie afgeknipte draden van de weerstanden die u al op de print hebt gesoldeerd. Monteer het metertje dan op de linker onderhoek van de print, naast de blauwe LED, en soldeer de drie draden vast op de andere zijde van de print.

Montage van de voltmeter. (© 2023 Jos Verstraten)

De print is nu klaar

De twee onderstaande foto's geven een indruk van de compleet gemonteerde en gesoldeerde print.

De voorzijde van de print. (© 2023 Jos Verstraten)

De achterzijde van de print. (© 2023 Jos Verstraten)

De eindmontage en de onderlinge bedrading

De batterijhouder

Pak de batterijhouder en soldeer een draadje tussen de min van de eerste cel en de plus van de tweede cel. Doe hetzelfde voor de tweede en derde cel. U houdt nu twee vrije soldeerlipjes over die de plus en de min vormen van de 12 V voeding van de coil gun.

De onderlinge bedrading

In de onderstaande figuur hebben wij de bedrading tussen de diverse onderdelen voorgesteld:

• Een zwarte draad van de min van de voeding naar de -12 V op de coil gun print.
• Een zwarte draad van de min van de voeding naar de -12 V op de hoogspanningsprint.
• Een rode draad van de plus van de voeding naar de +12 V op de coil gun print.
• Een rode draad van de plus van de voeding naar de rode drukknop.
• Een rode draad van de rode drukknop naar de +12 V op de hoogspanningsprint.
• Een zwarte draad van de -450 V van de hoogspanningsprint naar de -450 V op de coil gun print.
• Een rode draad van de +450 V van de hoogspanningsprint naar de +450 V op de coil gun print.
• Twee groene draden van de groene drukknop naar de gaatjes boven de 100 Ω weerstand op de coil gun print.

De onderlinge bedrading. (© 2023 Jos Verstraten)

De coil gun in aktie

Na het aansluiten van de voeding mogen de twee rode LED's niet branden. Brandt er een of beide, dan betekent dit dat een of beide lichtsluizen niet goed zijn uitgelijnd. Draai dan de loop tot de geboorde gaatjes precies uitgelijnd zijn met de toppen van de IR-LED's en de fototransistoren. Als beide rode LED' zijn gedoofd kunt u een proefschot gaan afschieten.

Duw een van de metalen kogeltjes in de linker opening van de loop. Zorg ervoor dat het kogeltje op die plaats blijft liggen door bijvoorbeeld op die plaats een heel klein gaatje te boren in de onderzijde van de loop waar het kogeltje in kan rusten. Richt de loop naar een open kartonnen doos die u op een dertigtal centimeter voor de rechter opening van de loop zet.

Zet een veiligheidsbril op. Neem de groene drukknop in uw linker en de rode drukknop in uw rechter hand. Druk op de rode drukknop. U ziet de spanning op de digitale voltmeter stijgen. Als de spanning is gestegen tot 425 V laat u de rode drukknop los. Druk nu even op de groene drukknop. Als u de bouw succesvol hebt afgerond hoort u een zachte knal en wordt het kogeltje met verbazingwekkend hoge snelheid in de doos geschoten.



(AliExpress sponsor advertentie)
Tri-stage Coil Gun Demo Kit