ЕМ-5 ("школьная" пушка Гаусса)

Этот простой койлган я сделал для своего сынишки 3-классника, у которого в школе в школе проходила олимпиада по техническим наукам. Проект послужил хорошей разгрузкой от создания более сложной гауссовки ЕМ-4. Благодаря тому, что были использованы наработки от предыдущих моделей ускорителей, разработка не заняла много времени.

За основу была взят проект ЕМ-2, который я изрядно упростил. Кроме того, для демонстрационных целей необходим был прозрачный корпус. В результате использована простейшая одноступенчатая схема с коммутацией мощным МОП-транзистором, зарядное устройство на микросхеме LM78S40 (отечественный аналог КР1156ЕУ1) и конденсаторная батарея напряжением 63 В, что позволило обеспечить достаточный уровень безопасности при работе с гауссовкой (все-таки, проект предназначался для развлечения детишек). Принципиальная схема ЕМ-5 показана на рисунке ниже.

Рис.1. Принципиальная схема "школьного" койлгана ЕМ-5.

Использование запираемого ключа позволило избавиться от цепей дополнительной блокировки зарядного устройства на время выстрела, а также мощного диода, который обычно "навешивается" на силовые емкости для их защиты от переполюсовки. Как видно, схема включает в себя только один элемент индикации (светодиод D1, сигнализирующий о готовности конденсаторов к выстрелу). Питание схемы осуществляется от Li-Po аккумуляторной батарейки напряжением 7,4 В (в принципе подойдет любая другая с габаритами, соответствующими рукоятке, напряжением от 5 до 16 В и допустимым током разряда 1-2 А ) через тумблер с двумя контактными группами (подойдет любой рабочим напряжением 12 В). К выводу RESET таймера подключена цепочка R7-С7, причем резистор зашунтирован внутренним диодом микросхемы U2 - это позволяет мгновенно заземлять выход таймера при выключении питания, а при включении, наоборот, разрешать его запуск с некоторой задержкой, что исключает возможность случайных выстрелов.

В качестве накопительной емкости использованы 6 конденсаторов емкостью 2200 мкФ и напряжением 63 В, соединенных параллельно.

Все компоненты размещены на двухсторонней плате размером 50х70 мм (pcb-файлы можно скачать здесь), ее внешний вид после монтажа показан на рис. 2.

Рис. 2.  Управляющая  плата после монтажа компонентов.

Настройка схемы после сборки сводится к регулированию длительности ускоряющего импульса с помощью подстроечного резистора R6. Эта длительность может варьироваться для различных длин снарядов.

Ускоряющая катушка намотана медным эмалированным проводом диаметром 0,6 мм, ее длина 14 мм, внутренний диаметр 7 мм, наружный –  15 мм. В таких габаритах уложилось 112 витков провода общим сопротивлением около 240 мОм. Геометрические и временные параметры схемы предварительно обсчитаны в программе FEMM, как это делается можно посмотреть здесь. Сама же процедура намотки описана в этой статье. В качестве ствола использована пластиковая трубка наружным диаметром 7 мм и внутренним - чуть больше 5 мм.

Внешний вид катушки показан на рис. 3. Катушка закреплена внутри корпуса с помощью специального монтажного пластика - "полиморфуса", о котором я писал здесь. 

Рис. 3. Ускоряющая катушка.

На рис. 4. показан результат моделирования форм тока и напряжения при выстреле. Как видно, пиковое значение тока не превышает 180 А, что вполне допустимо для использованного силового ключа IRLB4030. 

Рис. 4. Формы тока (голубой цвет) и напряжения на конденсаторе (красный) при выстреле из ЕМ-5.

Для изготовления корпуса были использованы детали из фанеры и оргстекла, изготовленные при помощи лазерной резки. Их комплект показан на рис. 5. Перед сборкой фанерные части были окрашены черной акриловой краской, а рукоятка дополнительно покрыта черной жидкой резиной.

Рис. 5. Комплект деталей для изготовления корпуса.

Процесс изготовления рукоятки подробно показан на рис. 6. Как видно, внутри нее достаточно места для размещения аккумулятора с зарядным разъемом (он закрыт металлической крышечкой, которая удерживается двумя магнитиками). Силовой разъем выведен наверх вместе с проводками от кнопки выстрела, которая закреплена при помощи обычного термоклея. Для крепления к корпусу использованы два небольших металлических уголка, немного "утопленных" в боковины рукояти, чтобы избежать лишних зазоров.

Рис. 6. Делаем рукоятку.

Последовательность сборки корпуса показана на рис. 7. В его составе был использован единственный силовой элемент в виде стального уголка, соединяющего верхнюю и нижнюю крышки. В результате масса койлгана в сборе составила всего около 620 г, причем на материал корпуса ушло 420 г.

Рис. 7. Собираем гауссовку.

Койлган был снабжен простейшим прицелом из лазерной указки. Для этого указку пришлось вскрыть, удалить батарейки и лишнюю часть корпуса, а также обеспечить дополнительным резистором 200 Ом, предохраняющим ее при работе с повышенным напряжением (штатное напряжение составляет 4,5 В от трех маленьких таблеточных батареек). Дальше получившаяся конструкция была с помощью металлического уголка и небольшого количества "полиморфуса" закреплена рядом с ускоряющей катушкой и соответствующим образом сориентирована, чтобы обеспечить попадание снаряда в лазерную метку на расстоянии приблизительно в 3 метра.

Рис. 8. Делаем лазерный прицел.

Снарядами для ЕМ-5 служат обычные обрезки 5 мм гвоздей длиной около 14 мм (для изготовления удобнее всего использовать болгарку с последующей обработкой надфилем для удаления заусенцев). Масса такого снаряда составляет около 2,2 грамм. При выстреле они приобретают скорость 18 м/с, что, с одной стороны, достаточно для детской  развлекательной стрельбы (рукой снарядик с такой скоростью уже не бросить) , а, с другой стороны, вполне травмобезопасно. КПД ускорения составляет около 2,7 %, при этом на выстрел тратится приблизительно половина энергии, запасенной в конденсаторах.

Рис. 9. Делаем и взвешиваем снаряды.

Время перезарядки конденсаторов между выстрелами - около 5 секунд.

Как итог, получился небольшой симпатичный койлган с неограниченным боекомплектом (ну, пока гвозди в строительных магазинах не кончатся). Сын остался доволен! Да и я сам  иногда постреливаю для удовольствия :)

На коротком видео ниже показано измерение скорости снаряда ЕМ-5 (получилось 18,1 м/с), а также тестовая стрельба по пластмассовым бутылочкам на природе.

Больше фото об изготовлении EM-5 можно посмотреть в соответствующем фотоальбоме.

Новые видео будут выкладываться здесь.

Всем успехов в творчестве, Eugen

P.S. автор благодарит Мелешкевича Д.Е. и Громова П.Ю. за помощь при работе над проектом.