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INGENIERÍA Y DISEÑO

EMAG

EMAG

E.M.A.G. siglas de Electro Magnetic Acelerated Gun, concretamente es un acelerador balístico magnético. En su pura definición consta en la aceleración de un proyectil mediante un campo magnético.

Proyecto puramente con fines didácticos dentro de la electrónica digital, electrónica analógica, electrónica de potencia y electromagnetismo. El autor de esta página no se hace responsable del incorrecto uso de la información.


Previo

Desde siempre soy fan y admirador de las tecnologías militares, de la aplicación de la ingeniería dentro del sector militar y armamentístico, como no podría ser diferente me curioseaba el principio de acelerar "algo" con un campo magnético. Dí con dos sistemas diferentes ya inventados, el "railgun" o cañón de riel, actualmente en desarrollo militar, y el "coilgun", dicho directamente, cañon o arma de bobina. Sistema cuyo desarrollo está un poco "aparcado".

En youtube e internet tenemos infinitos proyectos de coilguns, sobre todo autores en los EEUU que hacen sus proyectos y los muestran de forma orgullosa, algunos de ellos suministrando valiosos tutoriales y explicaciones. Encontramos proyectos que no pasan del papel, hasta aceleradores muy currados, pasando por bobinas sujetas a una bancada. Interesándome mas por el tema me he propuesto el reto de construir una coilgun de tres fases. He de decir que actualmente he aprendido con este proyecto multitud de cosas y conceptos que el día de mañana me servirán en mi vida profesional.


Anterior a 2015

Tras investigar bastante en internet me he quedado con un conjunto de diseños concretos de una página específica, americana, por desgracia actualmente ya cerrada. Me he puesto a investigar exactamente como funciona el acelerador, que es el booster y que es eso de las "tres fases".

Bien, un poco de explicativa. Un booster, concretamente un booster converter, es un dispositivo o circuito electrónico que convierte 12VDC a un voltaje superior, tambien en continua, concretamente 400VDC.

No quiero liarme con mucha teoría asi que lo diré así:

-Un IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) es accionado por un oscilador NE555, es decir "abre y cierra" a una frecuencia controlada por el NE555. Cuanto el IGBT "abre" cierta corriente pasa a través de un inductor y el IGBT a masa. En ese momento el inductor se carga de energía debido a la corriente ascendente. En el momento en el que el IGBT "cierra" la corriente se encuentra con que no puede pasar mas allá. Digamos que le hemos "cerrado las puertas". Como la corriente a través del inductor no puede detenerse instantáneamente sino baja poco a poco, dicha corriente busca una salida. En este caso la salida es un capacitor que le hemos puesto de 400V. Como la corriente viene con mucha fuerza ésta va acumulando la energía en el capacidor subiendo su carga y voltaje con cada conmutación. Para que en caso de abrir el IGBT no se nos descarge el capacitor le hemos puesto delante un diodo FRED (Fast Recovery Epitaxial Diode) que conmuta a alta velocidad. Así se va cargando el capacitor poco a poco. En caso de suprimir el capacitor la corriente no tendría salida y atravesaría el IGBT bloqueante, obviamente destruyendolo.

-El asunto de las tres fases, no tiene nada que ver con corriente trifásica como parece, consta simplemente del hecho de que tres bobinas en serie, una detrás de otra, aceleran con más potencia que una sola. Por ello el proyectil pasa por la primera bobina, cruza un detector, un haz de luz IR que con un circuito electrónico dispara la siguiente bobina, e identicamente con la tercera bobina.

 

Importante mencionar que los condensadores se descargan directamente en corto circuito sobre las bobinas, por lo que estamos hablando de corrientes altísimas. Por ello para su disparo por ahora se ha optado por el uso de un SCR, concretamente de Teccor.

Para el haz de luz se ha optado por el uso de un diodo LED de luz IR que proyecta sobre un fototransistor. Cuando el haz es interrumpido por el proyectil, el fototransistor deja de conducir por lo que se activa una señal de disparo del SCR, se aplica un voltaje a la puerta (Gate) del SCR y éste da paso a la corriente del condensador. Una de las cualidades del SCR es que da paso a partir de cierto voltaje de puerta y no cierra otra vez hasta que la corriente que lo atraviesa es nula (idealmente, realmente es un umbral).

Para el disparo de la primera bobina se ha optado por el uso de un SCR cuyo voltaje de puerta se aplica mediante un pulsador.

Todavía no me he puesto para nada con ningún tipo de diseño físico. Todo sobre papel. Todo con simulaciones con Multisim y cálculos.

En el momento en el que quería dar el atrevido y gran paso a construir para empezar el circuito del booster me di cuenta de que unos capacitores de alto voltaje y alta capacidad, estamos hablando de 450V y más de 4500uF exceden bestialmente mi poder financiero como estudiante. Estaríamos hablando de tres condensadores con un precio por unidad de entre 70-90€.

 

Tristemente llegó el momento de cancelar el proyecto, se canceló y se guardó todas las simulaciones, cálculos, listas de materiales, etc... para un "más adelante".

2015 "Relanzamiento Proyecto EMAG gracias a UPCT Makers"

Todo ocurrió cuando un amigo y miembro presidencial JD de nuestra asociación "UPCT Makers" subió fotos a nuestro grupo de Whatsapp de un condensador de 6300uF y 450V diciendo "Los voy a tirar, ¿alguien los quiere de pisapapeles?".

Efectivamente, me lanzé directamente al cuello y me pedí el condensador, que al final acabaron siendo ocho. Desmontados de un sistema de alimentacion ininterrumpida industrial.

De un día para otro en medio de la época de exámenes me ví bajando el campus de mi universidad con una mochilla llena de ocho condensadores que en total pesarían mas de 10Kg.

Era momento de reabrir viejos hilos, de quitarle el polvo a todo el material.

Mediados de enero 2015

Nos encontramos a mediados de enero de 2015, como mencionado en plena época de exámenes.

De momento se trata exclusivamente de desarrollar el booster converter antes que nada y garantizar su funcionamiento. Pasando a hacer una placa PCB propia y soldándole los componentes.

Mientras tanto ya he ido a una tienda de electrónica en Cartagena a comprar los componentes necesarios. Entre los mas importantes se encuentran el IGBT IRG4PC30U, el diodo rectificador rápido DSEI30-10A IXYS, el NE555 y el transistor 2N3904 que envía la señal de reset al oscilador para detener la carga cuando se llegue al nivel configurado.

Viendo que el IGBT y el FRED son bastante caros me plantee comprarlos en china, pero debido al tiempo de transporte decidí volver a la tienda de aquí y comprarlos.

Esa misma noche monté el circuito en mi protoboard y lo probé.

Me ví ante graves problemas:

-El IGBT se calentaba en exceso hasta tal punto de derretir parte de la protoboard, el pequeño disipador que le puse casi ardía.

-El inductor se calentaba en exceso hasta el punto de empezar a echar humo, lo hice casero con instrucciones del proyecto y lo fijé con Loctite, que efectivamente humeaba.

-El circuito consumía un alto amperaje de unos 15A que calentaba en exceso la protoboard, y eso que el circuito estaba pensado para una PCB de pista fina.

-Lentitud en la carga del capacitor.

 

Finales de enero – Principios de febrero 2015

Un par de días después entre noches en vela por el asunto y exámenes se me ocurrió la idea de ponerle un disipador de CPU al IGBT. Al día siguiente me acerqué al informático a conseguir un poco de pasta térmica y le atornille el disipador al IGBT. Le puse su ventilador correspondiente y en teoría se solucionó el calentamiento del IGBT.

Y digo en teoría porque eso no era una solución válida, las pérdidas en calor no eran normales.

Acepté el calor perdido en la protoboard a sabiendas de que la PCB definitiva sería de pista ancha por lo que eso no me preocupaba, pero si la carga lenta y las pérdidas de calor en el IGBT y el inductor. Cabe destacar que el rectificador funciona a día de hoy de forma perfecta.

Conseguí mis primera cargas completas de un solo condensador sumergiendo la bobina en un cacharro con agua. El agua acababa caliente.

 

19 de Febrero de 2015
A día de hoy tras informarme mucho más acerca del funcionamiento de cada una de las partes y componentes del circuto tengo algunas teorías e ideas respecto a mejoras del circuito para solucionar los problemas presentes.

-Modificar la frecuencia del oscilador para variar la rampa de abertura del IGBT

-Usar un inductor comprado con la inductancia especificada por el fabricante, dado que estoy dudando del valor real de la que hice manualmente y no dispongo ni de osciloscopio ni de medidor LCR.

-Usar un inductor de mayor sección para soportar un mayor amperaje. No me importa que el circuito tire de un gran amperaje si los componentes están diseñados para tal corriente y siempre y cuando esto se refleje en un aumento de la velocidad de carga del capacitor.

 

 

Aparte quiero sutituir la parte del transistor que se ocupa de detener el oscilador por un amplificador operacional LM311 configurado en comparador, construyendome una referencia y un valor comparado con dos divisores de tensión. En caso de superar el voltaje configurado dicho LM311 emite un valor alto, un 1 lógico que detiene el NE555.