Как сделать гаусс пушку
Портативная пушка Гаусса за 1к
1000р. Схема проста на столько, что ее сможет собрать не разбирающийся. Корпус в свою очередь можно скачать в виде 3D модели.
Принцип работы Пушки Гаусса
Схема портативной Пушки Гаусса
Схема, изображена в виде фотографий компонентов, которые соединены разноцветными проводами для наглядности.
Компоненты схемы, подобраны максимально дешевые, что бы уложится в 1000р. Некоторые компоненты можно купить в магазинах города, но все так же можно заказать на Aliexpress.
Принцип работы
Сначала, происходит зарядка конденсатора через преобразователь. Для этого, переключатель переводится в положение 1 и замыкает батарейки и преобразователь, а цепь батареек тиристора наоборот размыкается, что бы нельзя было выстрелить во время зарядки конденсатора. Таким образом, ток с батареек поступает на преобразователь, а тот, в свою очередь, заряжает конденсатор до 390 В.
После зарядки конденсатора, переключатель переводится в положение 2, размыкает батарейки от преобразователя и замыкает цепь батареек и тиристора. Остается только нажать кнопку спуск. При нажатии на кнопку спуск, происходит замыкание батареек с управляющий электродом тиристора через резистор (резистор нужен, так как для открытия тиристора требуется
В принципе это все по части ускорителя. Что бы доится оптимальных результатов, катушки для Пушки Гаусса обычно рассчитывают в программе Femm.
В текстовом документе приложенному к скрипту, нужно указать параметры своего ускорителя. После чего запустить симуляцию.
После окончания симуляции, в папке с программой появится текстовый файл с результатами, зайдя в который, мы увидим КПД и приращение энергии пули. А так же промежуточные данные, такие как время, позиция снаряда, и ток во время этой позиции. Проанализировав результаты, можно пробовать следующую попытку, пока не добьемся оптимального результата.
Обычно результаты симуляции Femm расходятся с реальными, но без симуляции выйдет все еще хуже. После намотки катушки, возможно, просто понадобится немного подогнать параметры вручную, если хотите выжать максимум.
Для более подробного объяснения, имеется видео. Для наглядности, провода в видео используются тех же цветов, что и в схеме на картинке. Видео поделено на несколько частей поэтапной сборки, так, что сможет собрать даже новичок в электронике.
Корпус для Пушки Гаусса
После сборки ускоряющей части, можно сделать корпус. Корпус обычно каждый делает в меру своих возможностей. Как наиболее подходящий для большинства способ, была спроектирована 3D модель, которую можно распечатать на принтере.
Корпус спроектирован в виде двух половинок, для удобства печати на 3D принтере. В данном случае использовался PLA пластик.
Схему и Модель корпуса можно скачать с гугл диска по ссылке — Download
Процесс изготовления корпуса и испытания изделия, можно посмотреть на видео ниже.
Сказ о том, как сделать Гаусс пушку за семь дней
Когда я учился в университете на втором курсе, мне пришел весьма необычный заказ — трехступенчатая Гаусс пушка. Сроки на ее создание были очень короткими: на все про все была лишь неделя. Кроме того, пушка была с физически нереализуемой изюминкой: переполюсовкой магнитного поля катушек, что должно было, по мнению автора пушки, повысить ее КПД. Тем не менее, поскольку я любил Гаусс пушки и мечтал начать зарабатывать деньги любимым делом, я согласился на выполнение заказа.
На каникулах ничто не предвещало.
Ознакомившись со схемой пушки, я просто выпал, ведь это был совершенно секретный чертеж из НИИ времен СССР. К сожалению, схема была сожжена инквизицией не сохранилась, по памяти помню лишь то, что автор хотел заряжать неполярные конденсаторы переменным током. В общем, заказчик не имел ни малейшего понятия о том, как работают Гаусс пушки и электроника в целом, раз даже не знал, что переменным током конденсаторы не заряжают. Поэтому все пришлось делать самому.
Еще один неприятный сюрприз был в том, что корпус для пушки уже был готов. Поэтому расположение катушек менять было нельзя, да и их размер был ограничен по длине.
Что же касается переполюсовки катушек… Я попытался объяснить, что энергия на катушке не может «исчезнуть в никуда», тем не менее, это было важным условием, хотя благодаря моему преложению реализация переполюсовки магнитного поля стала нужна лишь на первой ступени, а остальные три работали, как в обычных Гаусс пушках.
Начало разработки. Мостовая схема управления катушкой
Вышло так, что в команде только я разбирался в электронике на достаточно высоком уровне. Возможно, поэтому разработка шла круглосуточно в течение недели с перерывами на небольшой сон, хотя нас, «Слав», было три человека. («Слав», потому что имена всех троих заканчивались на «слав»).
Первым делом надо был прикинуть, что будет происходить в мостовой схеме включения ключей при попытке подать на катушку напряжение в противоположном направлении после того, как через нее уже начал течь ток. Для этих целей я использовал симулятор LTSpice с необходимыми библиотеками элементов (которые взял вроде как тут и тут). В качестве ключей решил использовать параллельно включенные IGBT транзисторы. Поиск по Гуглу показал, что параллельное включение IGBT транзисторов в Гаусс пушке будет корректно работать, если у каждого транзистора будет небольшое добавочное сопротивление (по памяти вроде 0.1 — 0.5 Ом). Без добавочных резисторов транзисторы скорее всего будут гореть один за другим. Также для защиты от самоиндукции у каждого транзистора должен быть защитный диод. В качестве конденсаторов, конечно же, использовались обычные электролиты емкостью 330 — 470 мкф и напряжением 450 вольт. Значение индуктивности катушки для симулятора было получено из расчетов катушек в программе FEММ. IGBT транзисторы управлялись через специализированные для этих целей оптодрайверы, так как была необходима гальваническая развязка.
В итоге выяснилось, что в мостовой схеме во время переподключения катушки у транзисторов возникали мощные выбросы обратного тока, несовместимые с жизнью кремния. Данную проблему не решало абсолютно ничто, и варистор тоже не спасал. С другой стороны, если по одной диагонали убрать транзисторы и оставить там диоды, получалась схема рекуперации энергии. В случае с рекуперацией остаточная энергия катушки после прохождения через нее снаряда возвращалась обратно на конденсатор.
Эти две новости я сообщил заказчику. Однако заказчик сказал, что переполюсовка должна быть реализована обязательно, даже если придется жертвовать КПД (хотя изначально целью было повысить КПД.). В итоге я просто включил катушку последовательно с добавочным резистором, значение которого подобрал исходя из допустимых значений обратного тока транзисторов.
Пожалуй, именно столкнувшись с расчетами катушек для Гаусс пушки, я впервые узнал о том, что что-то может рассчитываться компьютером часами, если не целыми днями. Как уже писал ранее, расчет проводился с мощью специального скрипта в программе FEMM. Один знакомый дал мне «правдивый» скрипт для расчета. Кому интересно, можете поискать в интернете «coilgun_cu.lua» или скачать тут, пока ссылка работает. Также есть два ресурса (тут и тут), где я читал и про те же IGBT транзисторы, и про FEMM и многое другое.
После завершения расчетов с оптимизацией были получены значения скорости снаряда, КПД пушки, количество витков и т. д. На самом деле, нельзя эти значения назвать единственно оптимальными, при выборе параметров оптимизации приходится руководствоваться технической интуицией, так что нет гарантий, что данные значения будут наилучшими. Скорее всего они будут наилучшими лишь в некоторой области параметров катушек.
Так как пушка трехступенчатая, возникает вопрос, как катушки переключать. Для того, чтобы определить наличие снаряда перед катушкой, было решено использовать стандартное решение в виде оптических датчиков (советую покупать для этих целей импортные ИК светодиоды, так как старые отечественные потребляют очень много энергии). Сигналы от датчиков было решено определять с помощью внешних прерываний микроконтроллера серии AVR. Микроконтроллер также делал замер напряжения на конденсаторах и издавал соответствующие звуки при двух уровнях заряда: когда конденсаторы заряжены полностью, и когда они близки к полной зарядке (80-90% от максимума).
Чтобы зарядить от аккумулятора на 12 вольт конденсаторы суммарной емкостью почти 2000 мкф до напряжения 450 вольт, нужен был достаточно мощный преобразователь. Мне было лень делать преобразователь с нуля, и потому я попросту снял его со своей собственной Гаусс пушки. Кому интересно, это был преобразователь Вальдемара.
Для питания затворов IGBT транзисторов верхней части моста нужно было гальванически развязанное напряжение, которое я решил получать с помощью обычного блокинг генератора. В итоге в пушке добавился еще один преобразователь напряжения.
Создание печатных плат
На тот момент для создания печатных плат я пользовался Sprint-Layout. Данная программа весьма проста в освоении и использовании, для небольших проектов самое то.
Нарисовав все схемы, я распечатал их на глянцевой бумаге и затем утюжком перенес рисунки на подготовленный лист стеклотекстолита с медным односторонним покрытием. Дальше оставалось платы вытравить, залудить, потом запаять детали… И так со всеми 5-тью платами.
Залуженные платы 
Плата с переполюсовкой 
Сборка и тестирование
Собрав все воедино, я получил что-то воде этого: 
Во всяком случае, рекуперация энергии работала, и она была заметна (хотя бы один плюс от использования мостовой схемы для катушек).
Заказчик остался вполне доволен результатом. Деньги мы получили (надо сказать, сейчас я понимаю что это было мало за такую работу) и поделили по заслугам поровну между собой в неравной пропорции.
Позже я обнаружил свое детище в одном бизнес-инкубаторе, где она лежала для красоты. Также ее показывали на одном фестивале, правда, на тот момент она была уже в нерабочем состоянии.
Пушка Гаусса
Хомяки приветствуют обитателей третьей от солнца планеты.
Классическая Пушка Гаусса состоит из пяти основных блоков. Пойдём по порядку: источник питания, в нашем случае аккумулятор запитывает преобразователь, который в свою очередь заряжает высоковольтную сборку из электролитических конденсаторов. Дальнейшая задача, разрядить весь накопленный заряд в катушку через мощный ключ. В результате, созданное магнитное поле, передаст железной пуле определенное ускорение.
Скорострельность такого устройства зависит от мощности преобразователя. Чем он будет мощней, тем быстрей сможет заряжать сборку конденсаторов.
Сердцем преобразователя служит трансформатор с Ш-образным ферритовым сердечником. Мотать катушку будем медным 0,35 миллиметровым проводом. Вначале мотаем вторичную обмотку двойным проводом, это нужно для увеличения выходного тока. Количество витков примерно 60. Каждый намотанный слой изолируем полиэстеровой изолентой.
Первичную обмотку мотаем тем же 0,35 миллиметровым проводом только в 6 жил. Чтобы они не распутывались, закручиваем их в скрутку. Так мы увеличили площадь сечения провода. В общем, на шпильку катушки вместилось ровно 9 витков. Это означает, что соотношение витков первичной и вторичной обмоток получилось примерно 1:6.
Важная деталь, чтобы трансформатор сохранял свои характеристики, его нужно пропитать эпоксидом, после этого он не будет издавать свистов и писков во время работы.
Однотактный трансформатор готов, управлять им будет такой же однотактный инвертор на микросхеме uc3845. Дальнейшая работа заключается в разводке платы под все комплектующие схемы. Своя плата всегда технологичней, по крайней мере хочется в это верить.
Если все сделано правильно, то такая схема будет потреблять около 3.7 А при напряжении питания 12 V. Перемножив первое на второе, получим 44 Вт потребляемой мощности. Сигнал при этом будет в виде меандра с заполнением 50 процентов, именно так работает драйвер uc3845. При правильной настройке радиатор на транзисторе будет практически холодным. Единственное что будет греться это резистор снаббера по выходу схемы.
Также в схеме есть ограничение заряда по напряжению, что защищает конденсатор от перезаряда, который может привести к взрыву или деградации ёмкости. Выставляется этот порог с помощью подстроечного резистора обратной связи схемы. Значение может варьироваться от 200 и до 500 вольт. Нам так много не нужно, потому выставим значение 397 вольт, 3 вольта дадим запаса.
Теперь переходим непосредственно к конденсаторам. Как и говорил, ёмкость тут немного выше, 1000 uF. В нашей пушке будет задействовано 10 таких банок, включены они будут параллельно для увеличения общей емкости. Для удобства установки конденсаторов была сделана небольшая плата с достаточно толстыми дорожками. В конечном результате сборка вышла компактной и увесистой. Измерения показали общую емкость банок в 8950 uF, что нормально, учитывая разбросы ёмкостей, и всем давно понятно, что разбросы не в нашу сторону…
При попытке разрядить заряженные ёмкости через лампочку, вместо того чтобы дотронуться проводом к массивному контакту, рука промахнулась и дотронулась к дорожке. Это моментально привело к громкому взрыву, который спровоцировал перестрелку между бандами соседних районов. Дорожка за считанные секунды куда-то испарилась.
Решением было нарастить толщину дорожек с помощью двойного медного провода с сечением в 3 квадрата каждый. Его будет трудно паять, в связи с большой теплоемкостью. Но если у вас в хозяйстве есть газовая горелка, то это будет нипочем.
Настало время проверить насколько быстро инвертор способен зарядить подобную сборку. Таймер запущен. Ждем срабатывания ограничителя по заряду и останавливаем таймер. Время от начала процесса и до конца заняло 36 секунд. Пулемёт конечно из такой пушки не получить, но чем богаты, тому и рады. Едем дальше.
Теперь всю накопленную энергию нужно разрядить в катушку. Катушка должна быть из толстого провода, в этом примере использована медь диаметром 1.7 мм. Форма, количество витков и слоев были взяты с потолка. Перед испытанием были намотаны несколько образцов, чтобы проверить эффективность полей, влияющих на металлический образец находящийся внутри. Каждый образец придавал железной пуле разное ускорение. Лучше всего показала себя катушка №1, намотанная в 200 витков и имеющая 5 слоев.
Сила в ней что надо, но при разряде, каждый виток с появлением магнитного поля пытается оттолкнуться от своего соседа, что при выстреле давало незначительную деформацию с хорошим хлопком. Избавиться от такого эффекта можно с помощью эпоксидной смолы, она пропитает слои и скрепит их намертво.
Мы забыли упомянуть одну важную деталь. А именно элемент, который коммутирует всю накопленную энергию в конденсаторах на катушку. В качестве ключа для таких целей используют мощные тиристоры. Они бывают разных конструкций, всё зависит от их характеристик и направления использования.
В дальнейших экспериментах приходилось палить тиристор за тиристором, дабы понять какой из них окажется самым крепким. Т143-800 оказался самым мощным, а цифра 800 означает максимально допустимый ток.
Подобные современные тиристоры стоят целые состояния, потому ищем советские. Единственная проблема такого корпуса в том, что у него нет контактов крепления, кроме управляющего электрода конечно. Такие экземпляры крепятся специальными прижимными механизмами, у которых большая площадь соприкосновения, чтоб увеличить пропускную способность больших токов. Нужно сделать что-то похожее из подручных средств.
Для этого был найден стальной лист из нержавейки толщиной в 3 мм. Резать его было одно удовольствие. Чтобы пропилить 25 см этой породы, понадобилось около часа и 3 ножовочных полотна. В итоге получился такой бутерброд.
Очень важно изолировать крепежные шурупы, которые будут соединять пластины, надев термоусадку со стороны шляпки. В общем, нужно полностью исключить контакт с железом с одной стороны, иначе будет короткое замыкание анода и катода на тиристоре.
Схема готова к работе, но прежде чем произвести выстрел, нужно знать какое напряжение накопилось на конденсаторах.Для этих целей вполне можно использовать копеечный вольт-амперметр, но у него есть один недостаток. Предел измеряемого напряжения у него ограничивается планкой в сто вольт. Но у нас планка в 4 раза выше, что делать?!
Всё просто, необходим делитель напряжения. Сделать его можно из двух резисторов, первый будет на 100 кОм, второй на 10 кОм, в средней точке между ними получим напряжение в 10 раз меньше того, которое нужно измерить. Обычно резистор с меньшим сопротивлением делают переменным, это дает возможность более точной настройки. Теперь вольтметр способен показывать значение постоянного напряжения до 1000 V. Когда на индикаторе показывает 20.0 V, это означает 200 V, а по желанию можно вообще отключить точку разделяющую цифры, чтобы не запутаться.
Поначалу снаряды будут длиной 30 мм. Края металлической болванки тоже нужно обработать, они должны быть максимально гладкими, чтобы как по маслу скользить в канале ствола.
Любопытно, какая же сила воздействует на этот кусок металла?! Для начала посмотрим на форму сигнала импульса тока в катушке. Для этих целей лучше всего подходит цифровой осциллограф, так как он способен записать сигнал в момент его появления. Производим выстрел и сигнал тока записан.
Заранее хочу отметить, что такую операцию желательно производить с развязкой по цепи, иначе можно спалить дорогостоящий прибор. Развязать цепь можно обычным ферритовым кольцом, надетым на силовую линию. На кольцо наматываем один виток провода, и шунтируем его небольшим резистором, скажем в 10 Ом. А уже с него снимаем возникший в цепи сигнал.
Замеры показали, что средняя длительность импульса порядка 6 мкс. Для примера в одной секунде миллион микросекунд. Это означает, что конденсаторы способны отдать всю свою накопленную энергию за очень короткое время.
На данном этапе всю эту кучу железа трудно назвать Пушкой Гаусса. Для правильного восприятия и устрашения, на листе бумаги были сделаны первые эскизы будущего корпуса, который состоял из кусков ДСП.
Дальше переносим туда размеры и начинаем работу по дереву…
Самый грязный процесс позади, переходим к следующему этапу. В качестве источника питания будем использовать высокотоковые аккумуляторы формата 18650. Фирма LG, маркировка LGDBHG 21865. Ёмкость у такого 3 А*ч. Максимальный ток, который способен выдавать элемент 20 А. Лучшие аккумуляторы на сегодняшний день по цене — качеству.
Итак, что у нас вышло. Сбоку находится кнопка предохранитель, заряжающая конденсаторы, для работы её нужно постоянно держать. Для удобства можно использовать прищепку. После заряда убираем зажималку с кнопки и производим выстрел.
Так как Gauss Gun электромагнитная пушка, хорошо бы это подчеркнуть, значком с магнитом и уникальным знаком, который предупреждает о том, что рядом падают коровы.
Проведя пару примитивных расчётов, нам удалось выяснить начальную скорость пули, её энергию запасенную в конденсаторах и КПД устройства в целом. Как мы это узнали, всё просто, с помощью классического баллистического маятника, который пользовался своей популярностью еще много веков назад.
Для начала расчетов нужно узнать массу пули, в нашем случае это 2.6 грамма, массу маятника 391.9 грамма, длину подвеса, которая в нашем случае ровно 70 см. Так же нужно знать расстояние отклонения маятника при попадании в него пули. С обратной стороны разместим линейку и небольшой кусок пенопласта, который отодвинется на нужное нам расстояние. По этим цифрам и будем вести расчёт.
Посмотрим, что у нас получилось по результатам голосования. Сравнение двух пушек проводились в одинаковых условиях и с соблюдением всех мер безопасности.
Результаты расчетов получились следующими: пуля Гаусса имела начальную скорость 42 м/С, в то время как пневмат выдал скорость в 3.5 раза больше, 152 м/С. То же самое касалось энергии пули, для своей массы и скорости, пуля от пневматического пистолета имеет энергию в 3.2 джоуля, в то время как Гаусс показал это значение на единицу меньше.
Ещё рассчитали общий заряд конденсаторов, и энергию, которую они способны накопить.
Дальше мы ударились в религию, и решили посмотреть, что нам покажет программа, которая специально создана для расчетов Пушки Гаусса. Вводим туда все необходимые параметры, включая толщину провода катушки, ёмкость конденсаторов и прочие заранее известные параметры. Итак, с пулей длиной 45 мм максимальный КПД, который удалось выжать из программы 0.46 процента.
Теперь проверим это на практике. Отрезаем кусок от гвоздя длиной 45 мм и взвешиваем, масса пули 4.14 грамма, все остальные параметры нам уже известны. Производим выстрел. Результаты измерения программы и баллистического маятника оказались близки друг к другу, 0.46 % против 0.44 %. Что это означает, а то что, 99.5 процентов энергии накопленной в конденсаторах, всего на 0.44 процента переходит в пулю через энергию магнитного поля, которое возникает в катушке. По большей части мощный импульс просто рассеивается в воздухе, не выполняя никакого полезного действия. Вот поэтому КПД Пушек Гаусса редко превышают 2%.
Важный момент при настройке! Когда намотан трансформатор, важно подключить его правильной полярностью, грубо говоря, если вы запустили схему, ток потребления бешеный, а лампочка еле горит, значит нужно поменять местами один из концов обмоток.