Spis treści

Jakiś czas temu zaprezentowaliśmy Państwu wstęp do projektu ProtonShooter, którego opis nadal pozostał nie dokończony bo i pewnych problemów nie udało nam się rozwiązać. W tym eksperymencie postanowiliśmy zająć się tylko generowaniem impulsów udarowych prądu z baterii superkondensatorów oraz ich pomiarami. Jest to kluczowa kwestia w tego typu urządzeniu a zarazem najbardziej newralgiczny jego punkt.

Cóż więc zatem zmajstrowaliśmy ? Ano doszliśmy do wniosku, że zanim zaczniemy generować nasze impulsy dobrze by było w jakiś sposób obserwować co nam powstaje. I tu od razu postanowiliśmy wykorzystać zmyślne urządzenie jakim jest przetwornik pomiarowy prądu, którego działanie opiera się o zjawisko Halla, wyprodukowany przez firmę LEM . Więcej informacji o tego typu przetwornikach znajdziecie Państwo w innym, naszym artykule w tym miejscu. Zastosowany przez nas przetwornik o symbolu LT1000_Si ma zakres pomiarowy +/- 1500A i jest wyjątkowo szybki więc z powodzeniem nadaje się do naszych celów. Na jego temat również zbytnio nie będę się rozpisywał i odeślę Państwa do noty katalogowej dostępnej tutaj.

Do poprawnej pracy wspomnianego przetwornika potrzebujemy praktycznie tylko dwóch rzeczy: symetrycznego źródła napięcia +/- 15 V i rezystora pomiarowego lub kilku rezystorów, jeśli chcemy uzyskać większą precyzję i przełączać je w zależności od tego, jakich prądów się spodziewamy. Zarówno zasilanie jaki i rezystory umieściliśmy na jednej płytce PCB. Jako zasilanie zastosowaliśmy symetryczną przetwornicę zasilaną bezpośrednio z sieci 230V, oczywiście nie kupiliśmy jej specjalnie do tego celu, ale akurat poniewierała się w zasobach.

Na płytce znalazły się dwa zakresy pomiarowe na prąd 1000 i 1500 A oraz gniazdo BNC do wyprowadzenia sygnału pomiarowego 1V/kA lub 5V/kA np. wprost do oscyloskopu bo tylko tam będziemy mogli zaobserwować kształty bardzo krótkich impulsów.

Nasz przetwornik może oczywiście mierzyć prądy stałe i zamiast oscyloskop wystarczy wpiąć w gniazdo najzwyklejszy multimetr. Do naszych celów jednak to nie wystarczy. Na zdjęciu powyżej widzimy pierwsze stanowisko testowe w którym baterię sześciu kondensatorów ładujemy do pewnego napięcia i za pomocą grubych przewodów dokonujemy krótkiego zwarcia szybko zderzając rozpędzone w dłoniach elektrody.

Tutaj nie stosujemy żadnego elektronicznego przerywacza więc takie zwarcie grubych miedzianych przewodów podłączonych do baterii superkondensatorów mogło by się bardzo źle skończyć bo prąd zwarcia takiego kondensatora ze względu na bardzo niską rezystancję wewnętrzną wynosi aż 10 kA i jest to prąd niszczący kondensator. Podstawowe informację o tych kondensatorach zamieściłem we wspomnianym wcześniej artykule. Zachęcam Państwa do przeczytania tego artykułu by wiedzieć z jakim źródłem prądu mamy do czynienia. Artykuł można zobaczyć klikając na ten link.

Maksymalne napięcie baterii to 16V jednak w trakcie prób zwarciowych nie przekroczyliśmy napięcia 8V ze względów bezpieczeństwa. Jak na kolejnych zdjęciach będzie można zobaczyć, że już takie napięcie  powoduje przepływy prądu na poziomie 2000A przy krótkich impulsach i ciekawą eksplozję sypiącą snopem iskier w miejscu zwarcia.

Na tym zdjęciu widzimy efekt zwarcia przy napięciu ok. 8V, rozbłysk jest potężny a i efekt dźwiękowy niczego sobie. Przy tego typu próbach trzeba bardzo uważać by nie prowadzić takiego zwarcia zbyt długo. Najlepszym rozwiązaniem jest rozpędzenie przewodu w dłoni u uderzenie nim o drugi. W taki sposób można w mierę bezpiecznie uzyskać krótki impuls.

A tu powyżej możemy zobaczyć przebieg prądu zwarcia (pomarańczowy) i napięcie na baterii kondensatorów (niebieski). Wartość prądu szczytowego impulsu wyniosła 1900 A, bardzo mocno zastanawiałem się nad tym, co dzieje się po zaniku prądu i tą dolną częścią oscylogramu. Wydawało nam się, że być może dzięki jakiejś indukcyjności przewodów powstało napięcie wsteczne podtrzymywane przez wyładowanie iskrowe jednak doszliśmy do wniosku, że przekroczony został zakres pomiarowy przetwornika i doszło do nasycenia rdzenia ferrytowego, który się tam znajduje. Zgromadzona w nim energia przekłamuje wynik pomiaru, ale tylko jeśli chodzi o prąd płynący w drugą stronę.

Jak się będzie można przekonać w drugiej części artykułu, gdzie będziemy mieli do czynienia ze znacznie niższymi wartościami prądów zjawisko nie występuje nawet pomimo dużo dłuższych przewodów, których indukcyjność na pewno jest większa.

A tymczasem poniżej zamieszczam jeszcze kilka efektownych zwarć. W przypadku tego typu wyładowań przebiegi prądów nie zawsze mają charakter pojedynczego impulsu. Czasem wyładowanie składa się z wielu mniejszych impulsów. Wszystko też zależy od rodzaju materiału przewodnika. Górne wyładowania to stal a poniżej obie elektrody były miedziane.

Widzimy niebieską poświatę oraz zupełnie inne iskry - miedź stapia się w małe kuleczki, które nie iskrzą jak w przypadku stali. Przebieg prądu też wygląda trochę inaczej.

Teraz dla odmiany dwa wyładowania wykonane starym kluczem. Są na pewno stalowe ale skład tych stali już na pewno był inny bo i barwa i charakter wyładowania się zmienił.

Ale nie mieliśmy się przecież zajmować iskrzeniem, w tej części chciałem sprawdzić mój układ pomiarowy, który spisuje się całkiem nieźle, pomimo pewnych przekłamań polegających na pokazywaniu prądu płynącego w drugą stronę podczas gdy wcale takie zjawisko nie występuje. Już na ostatnim oscylogramie przedstawionym powyżej, gdzie wartość prądu nie przekroczyła 1,5 kA zjawisko co prawda występuje. ale tylko nieznacznie. Cały układ został skalibrowany na spawarce łukowej i boczniku prądowym, Okazało się, że do płytki trzeba wstawić jeszcze potencjometr w szereg z rezystorem pomiarowym by dokładnie skalibrować wskazania bo pomimo zastosowania rezystora takiego jak podaje nota katalogowa układ nie wskazywał dokładnie tego, co powinien. Na kolejnej stronie podjąłem próbę elektronicznego formowania impulsu wysokoprądowego.


Sposobów formowania impulsu o tak dużym natężeniu prądu jest co najmniej kilka. W wielu przypadkach stosuje się mechaniczne układy zwierające, jednak nie zapewniają one zbyt wielkiej precyzji i bardzo szybko się zużywają - dają jednak możliwość zarówno włączenia przepływu prądu jak i jego przerwania. Można też zastosować duże tyrystory, które są w stanie załączyć bardzo wysokie prądy lecz mają dużą wadę polegającą na tym, że prąd będzie płynął aż do momentu rozładowania baterii kondensatorów. Takie rozwiązanie zastosowaliśmy w innym projekcie, który być może również opublikujemy a związany jest z produkcją a właściwie magnesowaniem "neodymów". W naszym projekcie potrzebujemy generować precyzyjnie impuls bądź impulsy o bardzo krótkich czasach trwania na poziomie milisekund.

Zestawiliśmy więc aparaturę z powyższego zdjęcia, główną rolę gra w niej tranzystor IGBT o symbolu CM600 wyprodukowany przez renomowaną firmę w tej branży POWEREX. Tranzystor jest w stanie przewodzić prąd ciągły na poziomie 600 A i impulsowy nawet do 1,5 kA, jednak jak się niebawem okaże jego wysterowanie nie będzie proste. Jako driver zastosowałem opisaną już w moim portalu płytkę z układem scalonym HCPL316j. Do generowania krótkich impulsów zbudowaliśmy mały generator mikroprocesorowy z poniższego zdjęcia.

Jako, że płytka drivera ma wejście światłowodowe nasz generator generuje impulsy światła, które wysterowują płytkę driwera. Takie parametry jak czas trwania, ilość impulsów, czas przerwy pomiędzy nimi można ustawiać za pomocą przycisków. Oba modułu połączone są ze sobą światłowodem.

A tutaj nasz bohater w którym pokładam nadzieję, że sprawdzi się w swej roli. Teoretycznie powinien być w stanie wytwarzać krótkie impulsy na poziomie 1,5 kA. Do jego zacisków kolektora i emitera podłączyłem sondę oscyloskopu by sprawdzać napięcie na złączu w stanie przewodzenia. Teoretycznie sam driver HCPL316j powinien wyłączyć tranzystor jeśli ta wartość przekroczy 7V. Więcej o driverze można przeczytać w artykule pod tym linkiem.

W pierwszym eksperymencie jako odbiornik generowanej energii mieliśmy zastosować baterię rezystorów mocy by zaplanować maksymalny prąd, jednak doszliśmy do wniosku że taka dodatkowa rezystancja zafałszuje nam obraz szybkości załączenia i wyłączenia tranzystora dlatego na zaciskach "strzałowych" znalazł się cienki drucik. Pierwszy impuls jaki wygenerowaliśmy miał czas trwania 2 ms przy napięciu na baterii 10V.

Po naładowaniu baterii i sprawdzeniu wszystkich elementów obwodu ustawiliśmy oscyloskop w tryb przechwytywania pojedynczego impulsu i nacisnęliśmy przycisk wyzwalania. O dziwo nic nie wybuchło :) z drucika na zaciskach poleciał dymek jednak nie przepalił się. Słychać też było dość głośny dźwięk a zwinięte grube przewody miedziane podskoczyły. Skoro drucik się nie przepalił więc tranzystor prawidłowo się wyłączył i przeżył pierwszy strzał.

Powyżej przedstawiam oscylogram z pierwszego wyładowania, prąd jaki osiągnęliśmy to 408A, widzimy, że wyłączenie tranzystora jest idealne, niestety nie da się tego samego powiedzieć o włączeniu.

Czas załączenia tranzystora to aż  580 us i na obecną chwilę trudno powiedzieć czy jest to wina samego tranzystora czy być może trzeba będzie poprawić sam sterownik. Pojemność bramki użytego tranzystora jest bardzo duża i wynosi 120 nF i potrzeba naprawdę szybko ją naładować by zapewnić odpowiednio szybkie nasycenie złącza. W najbliższej modyfikacji eksperymentu będziemy chcieli zmniejszyć wartości rezystorów użytych w sterowniku przy górnym tranzystorze zapewniającym ładowanie bramki i dodać bardzo szybki kondensator.

Napięcie na złączu maksymalnie osiągnęło 3,2V i dopiero w momencie wyłączenia zaindukowało się dość duże napięcie sięgające ponad 80V. Wyłączenie było naprawdę bardzo gwałtowne więc nieznaczna indukcyjność przewodów podbiła napięcie jednak to nie jest żaden problem bo tranzystor ma dopuszczalne napięcie na złączu 1200V. Dużo większym problemem jest wydzielana na złączu moc w czasie załączania gdy nasycenie osiągane jest bardzo długo. Jednak w czasie eksperymentu nie przejmowaliśmy się tym faktem zbytnio i sprawdzaliśmy jakie efekty uzyskamy na takich impulsach.


Z układu wyleciał cienki miedziany drucik a zwarcia dokonywaliśmy przyciskając na początku lekko przewód do śruby statywu laboratoryjnego. Przy napięciu 10V i czasie trwania 2 ms już można było zaobserwować niewielką iskrę i efekt termiczny w miejscu styku. Okazało się też, że przy takim styku zmniejszył się czas narastania impulsu, co widać na ekranie oscyloskopu w tle. Pocieszeni tym faktem zwiększaliśmy napięcie na baterii i czas trwania impulsu.

Dla 15V i czasie trwania na poziomie 15 - 20 ms było już naprawdę fajnie, na zdjęciu powyżej pierwsza próba zgrzewania materiałów. Jako, że nie było pod ręką próbek blachy trzeba było zniszczyć nożyk. ustawiliśmy go między śrubą i "elektrodą" i pac ... impulsik trwający 17 ms, w miejscu styku pojawia się bardzo jasny rozbłysk lecz przy silnym dociśnięciu nie sypią się iskry. Oddalamy naszą "elektrodę" i ...

Nóż pozostał na swoim miejscu "przyspawany" do śruby. W miejscu przepływu prądu powstała dość mocna spoina i by oderwać nuż trzeba było użyć trochę siły a przygrzaliśmy go tylko w jednym miejscu.

Pierwszy zgrzew wykonaliśmy na cienkim ostrzu noża jednak by sprawdzić efekt drugi spaw wykonaliśmy na drugim nożu na jego grubej części, blacha ma tam grubość ok. 1 mm, nóż jak widać dość mocno się trzyma na tej małej spoinie. Szczytowy prąd tego impulsu to jedynie 616A. Aż strach pomyśleć co będzie po zwiększeniu napięcia i dopracowaniu sterowania.

Zgrzewać można oczywiście nie tylko blachy ale także i dospawywać różne elementy do innych. Powyżej malutki przykład inwencji twórczej autora :). Oczywiście im większy element i większa powierzchnia styku tym potrzebny jest dłuższy czas impulsu generowanego przez układ by zapewnić powstanie odpowiednio mocnej spoiny. Niestety w trakcie eksperymentów zapomnieliśmy trochę, że sterowanie tranzystora nie jest prawidłowe i zwiększaliśmy zarówno napięcie jak i czas trwania impulsów obserwując coraz ładniejsze efekty.

Przy 20V i czasie trwania 30 ms elektrod nie dało się utrzymać tak by nie sypnęło iskrami, pod dłonią czuć było wyraźnie siłę odrzucającą. Prąd w szczycie osiągnął wartość 1,20 kA i niestety obszar narastania wyniósł przy 30 ms całego impulsu aż 1,5 ms. I to niestety był już koniec dla tranzystora, po jednym z takich strzałów zauważyliśmy, że zgasła dioda na driwerze sygnalizujące obecność napięcia polaryzacyjnego -5V.

Po wymontowaniu okazało się, że miernik złowieszczo popiskuje w momencie przykładania elektrod zarówno pomiędzy C i E jak i GC. Dioda zgasła na driwerze bo zrobiło się zwarcie i prąd z -5V wyłączającego tranzystor płynął sobie przez zwartą do emitera strukturę złącza. Zrobiło nam się bardzo przykro bo to bardzo dobry tranzystor był :(

Zobacz nasze oferty na Allegro