Indholdsfortegnelse. IOT 3E1 Gruppe 6 side 1/54

Transkript

1 Inholsfortegnelse IOT 3E Gruppe 6 sie /54 Inholsfortegnelse: Inlening...3. Læsevejlening...3. Målforulering Kravspecifikation Projektafgrænsning...4 Overornet blokiagra Konstruktion af acceleratorforsyning Løsningsforslag til acceleratorforsyning Strøforsyning Konensatorer Valg af acceleratorforsyning Design af acceleratorforsyning Valg af konensatorer Moel af konensator Beregning af salet ækvivalentostan og kapacitans for konensatorerne Design af forsyning til oplaning af konensatorer Brokobling Design af forsyningsstyring Design og iensionering af konensatorstatusvisning Design og iensionering af forsyningsstyring Konklusion på konstruktion af acceleratorforsyning... 4 Konstruktion af accelerator Løsningsforslag til acceleratoren Én lang spole Flere så spoler Overlappene spoler Flere så overlappene spoler Railgun Valg af acceleratorprincip Valg af aterialer Diensionering af spole Valg af spolens længe Opstilling af overornet utryk for agnetfeltet i spolen Opstilling af utryk for strøen i spolen Opstilling af utryk for inuktansen Opstilling af utryk for spolens inre ostan Opstilling af eneligt utryk for agnetfeltet i spolen Design af aflaningskresløb Konklusion på konstruktion af accelerator Konstruktion af styring til accelerator Løsningsforslag til styring af accelerator BJT transistor MOSFET Mekanisk kontakt/relæ Thyristor/konensatortilpasning IGBT Valg af styring af accelerator Design af styring til accelerator Valg af MOSFET er Diensionering af riverkresløb Løsningsforslag til MOSFET-river Diensionering af MOSFET-river Konklusion på acceleratorstyring Valg og konstruktion af projektiler Løsningsforslag til projektil Peranent agnet Bløt jern Bærerprojektil Valg af projektil Valg af peranente agneter Konstruktion af jernprojektiler...7

2 Inholsfortegnelse IOT 3E Gruppe 6 sie / Konklusion på valg og konstruktion af projektiler Konstruktion af hastighesregistrering Løsningsforslag til hastighesregistrering Optisk registrering e to sensorer Optisk registrering e én sensor Inuktiv registrering e to sensorer Inuktiv registrering e én sensor Valg af syste til hastighesregistrering Design og iensionering af hastighesregistrering Design og iensionering af ålespoler Projektilets agnetiske egenskaber Design og iensionering af signalbehanlingskresløb Dioe-claping kresløb Blokiagra over hastighesregistrering Konklusion på hastighessysteet Konstruktion af isplay til hastighesulæsning Løsningsforslag til isplay segent isplay Alfanuerisk LCD isplay e HD44780-controller Valg af isplay Design og iensionering af isplay Diensionering af forostane til 7-segent isplay: Diensionering af forostanen til isplay s otpoint: Diensionering af basisostanene til isplayriverne Konklusion på konstruktion af isplay Prograering af HC er Prograoversigt Såan beregnes projektilets hastighe Enelig iensionering Enelig iensionering af acceleratorspole Enelig iensionering af switch-kresløb Enelig iensionering af aflaningskresløb Konklusion på enelig iensionering...44 Eneligt blokiagra...45 Design af prouktet Konstruktion af spoleholer Konstruktion af kabinet og ontering af acceleratorsysteet Test af et salee syste Besteelse af optial pulslænge Kontrol af saenhæng elle PSpice oel og et enelige syste Test af signaler fra ålespoler Test af signaler fra schittriggerne Test af MOSFET-river Placering af projektil Subjektiv vurering af jernprojektilernes effektivitet Konklusion på test af salet syste Konklusion Perspektivering...54 Bilagsoversigt: Bilag : Konensatortyper og eres egenskaber Bilag : Databla for BC konensator Bilag 3: Elektronikiagraer Bilag 4: Styk- og prisliste Bilag 5: Datablasurag Bilag 6: Måling af agnetprojektilets reelle agnetfelt Bilag 7: Verificering af ny forel for ef Bilag 8: PSpice iagra Bilag 9: Optial placering af projektil i accelerator Bilag 0: Resonansforsøg Bilag : Brugeranual Bilag : Orliste, sybolliste og litteraturliste Bilag 3: Overornet tisplan

3 Inlening IOT 3E Gruppe 6 sie 3/54 Inlening Et fira har stillet opgaven, at er skal konstrueres en agnetisk aktuator e tilhørene elektronik. En aktuator er grunlæggene et syste, er osætter elektrisk energi til ekanisk energi. En agnetisk aktuator gør ette igenne agnetise, for eksepel ve hjælp af en elektroagnet, so tiltrækker et agnetiserbart ateriale. Der er ange uligheer inenfor orået, og i ette projekt vælges er, på baggrun af interesse, blot en enkelt af e ange anvenelsesuligheer, so erefter behanles grunigt.. Læsevejlening For at få størst ubytte af rapporten bør enne læses kronologisk. Hvert afsnit kan og til en vis gra læses iniviuelt. Der vil igenne rapporten være benyttet ecialpunktu, for at opnå overenssteelse e uklip fra iverse anvente prograer.. Målforulering Forålet e projektet er at esigne og frestille en prototype på en agnetisk aktuator e tilhørene elektronik. Den her valgte aktuator skal fungere so accelerator og ere kunne accelerere et agnetiserbart projektil..3 Kravspecifikation Kravene til et praktiske proukt jævnfør projektoplæg: - Der skal esignes og frestilles en agnetisk aktuator e tilhørene elektronik. - Prouktet skal være en prototype, so kan fungere i et laboratorieiljø. - Der skal i så høj gra so uligt anvenes koponenter lagerført på IOT. Deruover ønskes: Aktuatoren skal fungere so accelerator: Accelerationen skal foregå ve hjælp af et kraftigt agnetfelt. En ugangshastighe på inst 5/s ve en accelerationsti på 5s: Denne ugangshastighe svarer til okring 50k/t og repræsenterer båe en hurtig fart satiig e, at et antages ikke at være et proble at få systeet til at reagere i e tisintervaller, er er tale o her (illisekuner). Projektilets ugangshastighe skal åles og vises: For at unersøge o ovenståene krav opnås, skal er laves en hastighesåler. Der ønskes at kunne åle hastigheer ne til /s, så projektilets hastighe staig kan åles, hvis en o forventning skulle blive eget lav. Der skal kunne skyes én gang hvert halve inut: Prouktet å aksiu bruge 30 sekuner på at blive klart til næste sku, af hensyn til brugeren er ikke skal vente for længe. Der skal anvenes en HC ikro-controller til styring af systeet: Dette gør et uligt forholsvis enkelt at styre hele systeet centralt. Hvis et tisæssigt bliver uligt, skal prouktet også have: En ecelerator til bresning af projektilet: Denne skal, ligeso acceleratoren, fungere ve hjælp af et agnetfelt og skal igen kunne virke på båe peranente agneter og projektiler lavet af agnetiserbare aterialer.

4 Inlening IOT 3E Gruppe 6 sie 4/54 Rapporten skal inehole: - En række løsningsforslag. - En grunig teoretisk beskrivelse af en valgte løsning..4 Projektafgrænsning Ifølge kravspecifikationen skal prouktet være på prototypestaiet. Eventuelle spoler og anre ele vil blive frestillet specifikt til projektet. For esuen at få prouktet til at frestå så færigt so uligt vil er blive inbygget strøforsyninger, så er blot skal et enkelt netstik til at rive et. Forsyningerne vil og være præfabrikeree og ikke blive lavet specifikt til projektet. Der vil blant anet blive anvent en PC-forsyning * til at forsyne elektronikken. * Denne leverer blant anet ±5V og ±V

5 Overornet blokiagra IOT 3E Gruppe 6 sie 5/54 Overornet blokiagra På figur.a ses et foreløbigt blokiagra over opbygningen. I e følgene afsnit vil hver enkelt blok blive gennegået i etaljer. S Accelerator Hastighesregistrering Accelerator styring S3 S5 S HC S4 Accelerator forsyning Display Figur.a: Foreløbigt blokiagra over opbygningen af prouktet. Accelerator forsyning: Accelerator styring: Accelerator: Hastighesregistrering: Display: HC: Forsyning, er leverer strøen til acceleratoren. Styring til at styre strøen fra forsyningen og lee en in i acceleratoren. Desuen skal en otage input fra HC eren o affyring. Selve acceleratoren. Sensorer og signalbehanlingskresløb til hastighesberegning. Display og river til uskrivning af hastighe. Mikro-controller til styring af systeet. S: Forsyning til acceleratoren. S: Styret strøpuls til acceleratoren. S3: Digitalt signal ineholene hastigheen. S4: Hastigheen til uskrivning på isplayet. S5: Signal fra HC eren o affyring af projektil.

6 Konstruktion af acceleratorforsyning IOT 3E Gruppe 6 sie 6/54 3 Konstruktion af acceleratorforsyning Til at rive acceleratoren skal er være en forsyning. Da acceleratoren skal fungere ve hjælp af agnetfelter, er et ønskeligt, at enne forsyning skal kunne levere en stor strø, a størrelsen af inuceree agnetfelter noralt er proportionale e strøen. 3. Løsningsforslag til acceleratorforsyning Heruner følger en række forslag til konstruktion af en forsyning til acceleratoren. 3.. Strøforsyning Det neeste vil være blot at benytte en stanar laboratoriestrøforsyning. En såan vil kunne levere en konstant strø ve en konstant spæning. Probleet er, at e tilgængelige forsyninger kun kan levere strøe på nogle få apere. Det vil erfor kræve et relativt effektivt syste, hvis er skal opnås kraftige agnetfelter. 3.. Konensatorer Ve at anvene en konensator, er et uligt at opnå en eget stor strø, en og kun i et kort tisru. Dette bør ikke være noget proble, a affyringen af projektilet også skal ske hurtigt. Konensatoren kan blot iensioneres, så ens aflaningsforløb er eget længere en projektilets accelerationsti. Konensatorerne vil og skulle oplaes e en strøforsyning, so erfor også skal konstrueres. Der stilles og langt inre krav til enne forsyning en forsyningen nævnt i afsnit 3.., a en forsyning til oplaning af konensatorer blot skal kunne levere en spæning høj nok til oplaningen, hvilket ikke bør være noget proble. 3. Valg af acceleratorforsyning Da e tilgængelige strøforsyninger ikke kan levere særlig store strøe, og a begrænsningen i en konensators aflaningsti ikke har nogen betyning her, vælges et at bruge en konensator til at forsyne acceleratoren e strø. 3.3 Design af acceleratorforsyning For at opnå en så høj strø so uligt i spolen ønskes konensatorerne i acceleratorforsyningen esignet, så e har en høj kapacitans og en lav ækvivalentostan. Desuen skal e kunne klare en forholsvis høj spæning for at ungå for eget tab i leninger og lignene. Uover ette skal er bruges en forsyning til at lae konensatorerne op. Til oplaning af konensatorerne vil blive anvent to IBM 04F503 transforatorer, so var tilgængelige fra et tiligere projekt. Disse transforatorer har inbygget tæn/sluk-kontakt og sikring, og leverer 3,5V RMS på sekunærsien, e 30V på priærsien. Da en høj spæning over konensatorerne vil betye inre tab, kobles isse i serie, så er opnås en spæning på: U = 3.5V = 63V U total, RMS total, PEAK = U total, RMS RMS RMS = 63V RMS V Da et ikke er uligt at lae konensatorer op ve AC, er et esuen nøvenigt e en brokobling elle forsyninger og konensatorer til ensretning af strøen. Der kan nu opstilles et iagra over oplaningskresløbet, se figur 3.3.a. PEAK (f.3.3.a)

7 Konstruktion af acceleratorforsyning IOT 3E Gruppe 6 sie 7/54 R VAC V AC R VAC Brokobling R C V AC C Figur 3.3.a: Diagra over oplaningskresløb til konensator Valg af konensatorer For at fine en type konensatorer er kan opfyle kravene til kapacitans, ækvivalentostan og aksial spæning, er er blevet uført en nærere unersøgelse, so kan ses i bilag. På grunlag af enne unersøgelse, vælges et at bruge aluinius elektrolytter, a isse opfyler kravene i tilfresstillene gra, og satiig fines på lagerlisten i ugaver e høj kapacitans. De største konensatorer herfra er 0F, 63V aluinius elektrolytkonensatorer. Da isse kun kan klare 63V, hvilket er inre en oplaningskresløbet giver, kobles to af isse konensatorer i serie. Dette halverer kapacitansen, en forobler satiig en aksiale spæning. For at opnå en høj kapacitans kan flere af isse seriekoblinger kobles parallelt. Jo flere konensatorer er benyttes, jo ere strøstærk vil acceleratorforsyningen altså blive, en for at hole prouktet på et praktisk hånterbart niveau, blev er i første ogang valgt at bruge ti konensatorer. Senere tests viste og at ti konensatorer var for eget til at kunne operere prouktet på et pålieligt og stabilt niveau, hvorfor er i steet blev valgt 6 konensatorer. Det er ette antal, er vil blive brugt i e efterfølgene beregninger. Et kresløbsiagra over konensatorerne kan ses i bilag Moel af konensator Da PSpice so stanar kun ineholer en oel af en ieel konensator, er et nøvenigt at uvie enne oel, for at få et resultat, er ligger så tæt på virkeligheen so uligt. Her benyttes en oel, er er beskrevet i C-hånbogen *, se resue i bilag. Moellen kan ses i figur 3.3..a. R s C L s R R læk Figur 3.3..a: Moel af reel konensator. De tre ostane i oellen, kan sales til én ostan, koblet i serie e konensatoren. Denne kales også for ESR, og kan aflæses u fra konensatorens atabla, se bilag. Denne afhænger af en frekvens konensatoren arbejer ve. Regnes e en ønskee accelerationsti på 5s, fås frekvensen til: f = = = Hz T 5s 00 (f.3.3..a) Ufra ette, kan konensatorens ESR aflæses til 37?. Spolens inuktans kan, på bilag, aflæses til 3,9nH. Ve 00Hz vil enne og have en eget ringe betyning og uelaes erfor fra oellen. Den salee oel bliver altså en ostan på 37? i serie e en konensator på 0F. Senere tests har og vist at enne væri resulterer i forkerte resultater. I et forsøg på at forbere oellen, er er blevet insat forskellige værier for ækvivalentostanen, og et har vist sig at en ækvivalentostan på 80? får oellen til at passe e virkeligheen. Denne væri bruges erfor freover. * Se litteraturlisten

8 Konstruktion af acceleratorforsyning IOT 3E Gruppe 6 sie 8/ Beregning af salet ækvivalentostan og kapacitans for konensatorerne For at kunne regne på konensatorerne, skal en salee kapacitans og ækvivalentostan fines. Me seks konensatorer kan en salee kapacitans fines so: C C 0F Csalet = N parallelforbinelser = 3 = 5F (f a) C + C 0F So vist i afsnit 3.3., er én konensators ækvivalensostan, R eq, bestet til 0,80?. Me en anvente saenkobling, kan en salee ækvivalensostan, R eq, total, fines so: Req total = = = 0Ω (f b), N parallelforbinelser 3 R N 0,80Ω eq serieforbinelser 3.4 Design af forsyning til oplaning af konensatorer Der unersøges her o e valgte transforatorer kan klare kravet til at kunne lae konensatorerne op på 30 sekuner, so beskrevet i kravspecifikationen. Desuen vil kravene til transforatoren blive unersøgt, i tilfæle af, at er ønskes at bruge en anen transforatortype en en her anvente. De her valgte transforatorer er ustyret e en sikring på.5a på priærsien, hvor e kobles til 30V. Hvis et antages at faseforskellen elle strø og spæning er 0, og at båe strø og spæning er sinusforee, fås for hver enkelt transforator en ieleffekt på: I PEAK P = I RMS VRMS = VRMS (f.3.4.a).5a P = 30V 03.9W Da er er to transforatorer, kan er i teorien leveres to gange enne effekt. Der er og tab i transforatorerne (blant anet på grun af hysteresetab, hvirvelstrøstab og lignene), på typisk 5% til 0%. Hver transforator vil altså kunne levere en ieleffekt på okring 80W til 90W, så en salee ieleffekt bliver okring 360W til 380W. Den nøvenige effekt for at lae konensatorerne op fines nu. Først bestees energiinholet i konensatorerne, når isse er fult oplate: w = C v 3 w = 5 0 F (89.0V ) 59.54J Da enne energi skal leveres på 30 sekuner bliver en nøvenige effekt: w P = (f.3.4.c) t 59.54J P =.9847W 30s De valgte transforatorer har altså ingen probleer e at levere effekt nok. En anen faktor er kan skabe probleer for oplaningstien er transforatorens inre ostan. Denne ligger typisk elle 0 og O. Me e anvente konensatorer fås så en aksial tiskonstant på: τ = ( R + R ) C (f.3.4.) transforator eq, total (f.3.4.b) 3 τ = (Ω + 0.0Ω) 5 0 F = 6.8s Denne faktor ugør altså heller ikke noget proble. De valgte transforatorer bør erfor ikke have probleer e at lae konensatorerne op på e i kravspecifikationen specificeree 30 sekuner. Ønskes i steet at bruge anre transforatorer, for eksepel e en højere ugangsspæning for bere unyttelse af konensatorerne, skal isse blot opfyle ovenståene krav, for at kunne bruges. Desuen bør ugangsspæningen fra en eventuel anen transforator ikke ligge over 0V, a konensatorerne ikke har got af at blive laet helt op til eres aksialt tillaelige spæning.

9 Konstruktion af acceleratorforsyning IOT 3E Gruppe 6 sie 9/ Brokobling Da konensatorerne ikke kan laes op e AC, skal strøen fra forsyningen ensrettes. Dette gøres ve hjælp af en brokobling, opbygget so et ses på figur 3.5.a. V AC D D V AC D3 D4 Figur 3.5.a: Diagra over brokobling. Til brug i kresløbet vælges BYW9-00 ioer, so fines på lagerlisten, og er klassificeret so Ultra fast recovery rectifier ioe. Disse kan klare op til 8A kontinuerlig strø, og op til 80A i 0s. I starten af konensatorernes oplaningsforløb vil isse trække store strøe, en et antages, at e valgte ioer kan klare isse. Spæningsfalet over en BYW9-00 ioe er cirka 0.85V, hvorfor aksiuspæningen på ugangen af brokoblingen, faler e okring.7v i forhol til aksiuspæningen på ingangen. Diagraet for brokoblingen kan ses i bilag Design af forsyningsstyring Me forsyningen esignet, ønskes nu et kresløb til visning af konensatorernes oplaningsstatus, sat til til- og frakobling af oplaningsforsyningen til konensatorerne. Oplaningsforsyningen ønskes frakoblet, før er skal skyes for at ungå, at acceleratoren trækker strø irekte fra forsyningerne. Sker ette, risikeres at sikringerne i isse springer. Der er erfor opbygget en forsyningsstyring e en række statusioer. Et iagra over en enelige opbygning af enne kan ses i bilag Design og iensionering af konensatorstatusvisning Til visning af spæningen over konensatorerne er er på et anvente print onteret 8 statuslysioer. Systeet fungerer sålees, at statusioerne tæner i takt e, at spæningen over konensatorerne stiger. Når konensatorerne er laet helt op, vil en siste røe ioe blinke for at inikere, at systeet er klar til at skye. Dette er realiseret ve hjælp af en flerleet spæningseler, en række koparatorer og en astabil ultivibrator (se figur 3.6..a). Spæningseleren skaber en række referencespæninger, so konensatorspæningen saenlignes e ve hjælp af koparatorerne. Da koparatorerne ikke kan klare en fule konensatorspæning på over 80V på eres ingang, neeles konensatorspæningen e 0. Dette gør et også lettere at skabe e nøvenige referencespæninger. So koparatorer er her anvent to LM34 ere, so hver især ineholer 4 operationsforstærkere. Disse operationsforstærkere er alle koblet uen feeback og fungerer erfor so koparatorer. Til at få en siste statusioe til at blinke er anvent en NE555 astabil ultivibrator (se atabla på CD- ROM en).

10 Konstruktion af acceleratorforsyning IOT 3E Gruppe 6 sie 0/54 +V 0kΩ 4.9Ω 75Ω 00Ω 475Ω 34Ω kω kω 4.4kΩ V Konensator 0 O O O3 O4 O5 O6 O7 O8 kω kω kω kω kω kω kω Rø LED Gul LED Gul LED Gul LED Grøn LED Grøn LED Grøn LED.5µF 34kΩ + 00nF NE555 RST THR TRIG CVOLT GND V+ DISC OUT +V kω 34kΩ Rø LED Figur 3.6..a. Systeet e statusioer er viser, hvor eget konensatorerne er laet op. O-8 er LM34 koperatorerne. V spæningen eler sig over e 9 ostane til venstre og bliver sent in på et negative ben på koparatorerne. Spæningen over konensatorerne, V Konensator, eles e 0 (se figur 3.6..a) og senes in på operationsforstærkernes ikke-inverterene ingang. Spæningen eles ve hjælp af en spæningseling e tre ostane på henholsvis 95.3kΩ, kω og 0.7kΩ. Me isse er et uligt at få en præcis neeling e 0: 0.7kΩ VKonensator V OUT = VKonensator = 0. VKonensator = 95.3kΩ + kω + 0.7kΩ 0 Når V Konensator stiger, vil statusioerne tæne i takt e, at V Konensator overstiger en spæning, er senes in på en inverterene ingang i koparatorerne. Statusioerne er iensioneret efter at skulle have.6v over sig ve 0A. Ugangsspæningen fra koparatorerne antaget til V. Spæningen er i realiteten en sule inre, en et bør ikke få nogen betyning, a ette blot vil give en lit inre strø til lysioen. Forostanene til ioerne fås så til: V.6V R = = 040Ω 0A For nehes skyl vælges et at bruge ostane på kω. Oprineligt blev spæningselingen iensioneret efter en aksial V Konensator på 83V og e en 3.4kΩ ostan i steet for en variable ostan øverst til venstre på figur 3.6..a. Dette tænte statusioerne ve en konensatorspæning på henholsvis 49V, 60V, 7V, 75V, 80V, 8V, 8V og 8.3V. Spæningerne ligger tættere i en siste ene af skalaen, a oplaningen af konensatorerne vil gå langsoere, jo højere spæningen koer op. Senere tests viste og, at forsyningsspæningen, og ere en aksiale konensatorspæning, varierer elle okring 79V og 8V. Desuen er forsyningen til spæningselingen reelt ikke helt V, hvilket også giver en afvigelse. Den førotalte 3.4kΩ ostan blev erfor uskiftet e et ultiturn-poteter på 0kΩ, så et er uligt at instille systeet alt efter forsyningernes teperaent. På ugangen af O er er esuen koblet et kresløb, so sener et signal til HC eren, når konensatorerne er laet op. Iet koparatorerne sener okring V u, og HC eren højst å få 5V på ingangene, skal e V reguleres ne til 5V. Dette kan klares e kresløbet i figur 3.6..b.

11 Konstruktion af acceleratorforsyning IOT 3E Gruppe 6 sie /54 V fra koparator 487Ω V out til HC Z Figur 3.6..b: Diagra over kresløb til neregulering af V til 5V. Dette kresløb bruger en BZX79C4V7 zenerioe til at skabe en spæning på 4.7V (se atabla på CD-ROM en). I Z skal iniu være 5A for at ioen har e ønskee 4.7V over sig. Denne sættes og til 5A for at være på en sikre sie. Forostanen skal have V-4.7V=7.3V over sig, så ostanen fås så til: VR 7.3V R = = = Ω I Z 5A Næreste ostan i E96-rækken er 487Ω Design og iensionering af forsyningsstyring For at kunne til- og frakoble oplaningsforsyningen til konensatorerne bruges et Zettler AZ 696- C-5DE relæ. Dette kan klare 50V AC ve 8A, og er, i angel af oplysninger på atablaet, ålt til at trække cirka 46.5A ve 5V. Dette er og en eget større strø en HC eren kan levere, og et er erfor nøvenigt e et riverkresløb. Hele kresløbet kan ses på figur 3.6..a. +V FSNG N448 Relæ Konensatorer Signal fra HC R b 6kΩ R C 30Ω Sikring 95.3kΩ BC57 kω 0 0.7kΩ V Konensator Figur 3.6..a: Kresløbet til styring af oplaningsforsyningen (FSNG) til konensatorerne. Drivertrinet til relæet er lavet e en BC57, so er en arlingtonkoblet transistor. Forelen ve arlingtonkoblee transistorer er, at e har en eget høj strøforstærkning (iniu gange for en BC57), og satiig er billige (kr,). Datablasurag for BC57 kan ses i bilag 5.. Spæningen over relæet skal være V RELÆ =5V. Saturationsspæningen for en BC57 er V CE,SAT =V, og a forsyningsspæningen er V skal er erfor ligge 6V over kollektorostanen. Relæet trækker cirka 46.5A, altså fås I C =46.5A. Kollektorostanen fås så til: VRC 6V RC = = = 9. 03Ω I C 46.5A Den næreste ostan i E96-rækken er 30Ω, hvilket giver en strø på 46.5A, so staig er nok til at trække relæet.

12 Konstruktion af acceleratorforsyning IOT 3E Gruppe 6 sie /54 For at være sikre på at transistoren går i ætning, regnes er e en overrive faktor på 0 ve beregning af basisostanen. Da strøforstærkningen iniu er β=30000 fås β OVERDRIVE =3000. Basisstrøen skal så være: I C 46.5A I B = = = 5.38µ A (f.3.6..a) βoverdrive 3000 Da V BE,SAT =.5V, og a HC eren sener 5V u, fås V RB =3.5V. Basisostanen vil så være: VRB 3.5V RB = = = 7. 5kΩ I 5.38µ A B Den næreste ostan i E96-rækken er 6kΩ, hvilket giver en basisstrø på 5.49µA og ere en overrivefaktor på Sikringen er sat in, a er er elektrisk forbinelse elle højspæning og elektronikken. Skulle er pluselig opstå en fejl i for eksepel elektronikken, er gør, at er trækkes for eget strø, vil sikringen bræne over, og ere ungås at elektronikken risikerer at bræne af. Desuen er er onteret en N448 ioe over relæspolen, a enne inucerer en strø, når spæningen over en fjernes. Hvis spolen ikke kan aflae enne strø, vil er koe en eget høj spæning over R C og transistoren, hvilket sansynligvis vil bræne transistoren af. Dette ungås herve, a ioen giver spolen en ulighe for at aflae strøen. 3.7 Konklusion på konstruktion af acceleratorforsyning Acceleratorforsyningen vil blive lavet ve hjælp af en række konensatorer. Disse laes op ve hjælp af to AC-transforatorer, hvis strø ensrettes e en brokobling. Oplaningen kan til- og frakobles ve hjælp af et relæ, er igen styres af HC eren. Desuen er er konstrueret et syste til visning af konensatorspæningen ve hjælp af en række statuslysioer.

13 Konstruktion af accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie 3/54 4 Konstruktion af accelerator En accelerator kan sipelt beskrives so et syste, er kan tilføre et objekt kinetisk energi og ere give objektet en hastighe. Energitilførslen vil her foregå ve hjælp af et agnetfelt, er påvirker et objekt. Der er ange åer at skabe ette agnetfelt på. I ette kapitel vil er blive gennegået en række løsningsforslag, hvoraf et af isse vælges og gennegås grunigt. 4. Løsningsforslag til acceleratoren Magnetfeltet kan for eksepel skabes ve hjælp af en spole, hvor er senes en strø igenne. Det skabte agnetfelt vil være størst it i spolen. Hvis er for eksepel placeres en jernkerne i spolen, vil enne blive påvirket af en kraft rettet o iten, hvor en potentielle energi er lavest. For at ungå en opbresning af kernen i en siste halvel af spolen, slukkes strøen, når kernen passerer iten. Kernen vil så fortsætte u af spolen e en opnåee hastighe. En accelerator baseret på en spole, vil kun kunne accelerere peranente agneter og objekter lavet af agnetiserbare aterialer. Forslag til opbygning af en spolebaseret accelerator kan ses i afsnit Acceleratoren kan også laves so en såkalt Railgun, hvilket vil blive beskrevet i afsnit Hvert enkelt forslag behanles e hensyn til en nøvenige elektronik, effektafsættelse og et skabte agnetfelt. 4.. Én lang spole Den est siple uforning er blot at bruge én lang spole, se figur 4...a. Denne vil kunne accelerere projektilet på strækningen L/, altså halvelen af spolens længe. Da et her er én spole, so skal stå for hele accelerationen, skal er på kort ti afsættes en forholsvis stor energi i spolen. Størrelsen af enne energi afhænger af, hvor stor en hastighe er skal opnås. Forsyningen til systeet skal kunne levere en tilsvarene stor strø. Desuen vil en stor spole have en højere inuktans en en lille, og ens op- og aflaningsti vil erfor være langsoere, så en ikke kan reagere så hurtigt. Styringselektronikken vil erio være relativt sipel, a er blot skal leveres én enkelt puls. L Figur 4...a: Løsningsforslag e én spole. 4.. Flere så spoler Ve at benytte flere så spoler placeret i forlængelse af hinanen, kan er ieelt set opnås sae acceleration so i afsnit 4.. e inre effektafsættelse i hver enkelt spole (se figur 4...a). Af en grun behøver forsyningen ikke at kunne levere så eget strø, en til gengæl skal en gøre et flere gange i træk. Da hver enkelt spole skal tænes i et øjeblik, hvor projektilet er lige u for spolen, vil er være behov for ere kopliceret styringselektronik. Spolerne kan tænes i en fastlagt sekvens eller ve hjælp af sensorer ine i spolen, er registrerer, o projektilet er i en rette position. De forholsvis så spoler vil esuen reagere hurtigere en én stor, a e hver især vil have en lavere inuktans. Den salee længe, so projektilet accelereres over, vil igen være L/ - her og spret u i intervaller over hele rørets længe. L Figur 4...a: Løsningsforslag e flere så spoler.

14 Konstruktion af accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie 4/ Overlappene spoler Dette forslag benytter igen flere spoler. En stor spole e længen L ækker hele røret og vil kunne accelerere projektilet over strækningen L/. For også at kunne opnå en acceleration over et siste stykke, er er placeret en række spoler er overlapper hinanen. Disse vil e en viste placering kunne accelerere projektilet jævnt i et este af rørets længe (se figur 4..3.a). Dog vil enne løsning kræve nogle store spoler, so erfor også vil have en stor inuktans, hvilket giver lange opog aflaningsforløb. Hvis er hurtigt skal kunne opbygges et stort agnetfelt, vil et altså kræve en eget stærk forsyning. Da spolerne hver især skal aktiveres når projektilet er u for en pågælene spole, vil er også her være brug for avanceret styringselektronik. L L / L / 4 Figur 4..3.a: Løsningsforslag e overlappene spoler Flere så overlappene spoler For at ungå probleerne e e store spoler i afsnit 4..3, en staigvæk opnå en jævn acceleration over hele rørets længe, kan opstillingen i figur 4..4.a benyttes. Denne består af en række så spoler, er overlapper hinanen. De så spoler insker kravene til forsyningens strøkapacitet. Her vil er igen være behov for avanceret styringselektronik, a spolerne skal aktiveres på præcise tispunkter. L Figur 4..4.a: Løsningsforslag e flere så overlappene spoler Railgun I steet for at bruge en spole, kan er laves en såkalt railgun. Denne består af to lange, askilte skinner frestillet af et elektrisk leene ateriale. Projektilet, so også er elektrisk leene, placeres nu, så et berører begge skinner. Sættes så en kraftig strøkile på systeet, så strøen går in i en ene skinne, igenne projektilet, og u a en anen skinne, vil er blive annet et kraftigt agnetfelt. Dette agnetfelt vil så påvirke laningsbærerne i projektilet, so erve bliver accelereret langs e skinnerne (se figur 4..5.a). B I F Figur 4..5.a: Princippet i en railgun. Principielt er ette en neeste løsning, a er ikke kræves nogen styring overhoveet, strøen skal blot tænes, når an ønsker at skye. Der kan og opstå probleer e, at projektil og skinner

15 Konstruktion af accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie 5/54 selter saen, hvis strøen bliver for stor. For at ungå ette, kan er anvenes specielle aterialer heriblant visse forer for kulstof-koposit-aterialer. 4. Valg af acceleratorprincip Selvo railgun-princippet åske er enkelt, a er ikke kræves nogen styring overhoveet, vil kravet til aterialerne gøre ette unøvenigt kopliceret. Der ses erfor nærere på forslagene e spoler. Det est effektive vil uielbart være forslaget i afsnit 4..4, a an her kan opnå en næsten konstant acceleration i hele spolens længe. Da er iilerti kun er begrænset ti til råighe for enne opgave, og a én enkelt spole illustrerer princippet i acceleratoren lige så got so e anre forslag, vælges i steet forslaget i afsnit 4... I e følgene afsnit vil enne blive iensioneret ufra ønsket o at opnå et så stort agnetfelt so uligt på kortere ti en e 5s, er ønskes so aksial accelerationsti. 4.3 Valg af aterialer Spolen vil blive lavet af lakeret kobbertrå, a kobber er en go leer, og a kobbertrå er let tilgængeligt. Til at vikle spolen o er valgt et stykke plasticrør e en yre iaeter på 6 og en inre iaeter på 4. Denne rørtykkelse er en inste, er uielbart er tilgængelig, og gør et satiig uligt at anvene projektiler af en hånterbar størrelse. Til ontering af spolen er er konstrueret enestykker i aluiniu. På grun af en ealine på værksteet, er isse esignet før e enelige iensioner af spolen var kente, og er blev erfor antaget en aksial spoletykkelse på Diensionering af spole Der ønskes en spole, so inenfor 5s kan inucere et kraftigt agnetfelt, og erefter hurtigt aflae igen. Der vil erfor blive opstillet et utryk for agnetfeltet so funktion af spolens iensioner, hvorefter er optieres u fra ette utryk Valg af spolens længe Længen af spolen vælges u fra en ønskee iniushastighe på 5/s, ve en puls på 5s. Sættes accelerationen, a, til at være konstant, fås: v( t) v( t) = a t a = (f.4.4..a) t v(0,005s) 5 s a = = = 3000 s 0,005s 0,005s s( t) = a t s(0,005s) = 3000 s (0,005s) = 0,0375 (f.4.4..b) Skal projektilet opnå en hastighe på 5/s på 5s, skal en altså accelereres over 3,75c. Spolen skal erfor inst være obbelt så lang, a projektilet kun accelereres i en første halvel af spolen. Spolens længe vælges på grunlag af ette til 8c Opstilling af overornet utryk for agnetfeltet i spolen Me spolens længe og inre iaeter fastlagt, skal trå- og spoletykkelsen fines, så er fås et så stort agnetfelt so uligt til en given ti. For at kunne fine isse størrelser, skal er først bruges et utryk for agnetfeltet i spolen. For nehes skyl tilnæres spolen so værene lang. Så giver forel f.4.4..a en væri for agnetfeltet i iten af spolen til tien t: B( t) = µ 0 n I ( t) (f.4.4..a) hvor n er viningstætheen, og I(t) er strøen til tien t. At spolen er lang inebærer, at spolens længe skal være inst 0 gange større en spolens raius. Dette kan ikke nøvenigvis overholes, en utrykket antages staig at gæle tilnærelsesvis. Det ses esuen, at agnetfeltet

16 Konstruktion af accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie 6/54 ikke afhænger irekte af spolens størrelse. Dog vil en større spole give et større antal vininger, og, hvis tråtykkelsen holes konstant, en større intern ostan i spolen. Jo større enne ostan er, jo lavere er en strø, I, er kan opnås i spolen ve en given spæning. Da er uungåeligt vil opstå spil ve vikling af tråen, og a tråens reelle iaeter på grun af lak er forskellig fra en effektive (leene) iaeter, skal er også tages høje for ette. Egne erfaringer har vist, at er kan regnes e 0% spil. Der vælges en iensionering e hensyn til en effektive iaeter, hvorfor trå, når en bruges so fysisk størrelse, vil blive insat so trå /0.9. Altså: = Viningstætheen, n, kan fines so: N l n = = l spole spole trå, effektiv trå, reel ( = trå spole trå lspole Opstilling af utryk for strøen i spolen For at fine strøen, I(t), tegnes først kresløbet og ets Laplace-transforation, se figur a. trå / 0.9 rør ) = ( spole trå / 0.9) rør (f.4.4..b) (f.4.4..c) I(t) V_Konensator/s I(s) V_Konensator C_Konensator L_Spole Z_C_Konensator Z_L_Spole R_Konensator Z_R_Konensator R_Spole Z_R_Spole R_Switch Z_R_Switch Figur a: Det anvente kresløb og laplacetransforationen af ette. Der foretages nu en KVL i et transforeree kresløb, og I(s) isoleres: VKonensator + I( s) ( Z L _ Spole + Z R _ Spole + Z R _ Switch + Z R _ Konensator + Z C _ s VKonensator I ( s) = s ( Z + Z + Z + Z + Z ) L _ Spole R _ Spole R _ Switch R _ Konensator C _ Konensator Konensator ) = 0 VKonensator I ( s) = (f a) s ( s LSpole + RSpole + RSwitch + RKonensator + ) s CKonensator Her er et kun L Spole og R Spole, er kan varieres, a e anre størrelser ikke afhænger af spolen. Der skal erfor opstilles et utryk for begge isse værier so funktion af tråtykkelsen trå og lagtykkelsen r lag Opstilling af utryk for inuktansen Da spolen vikles e flere lag, er et ikke uligt at fine et enkelt utryk for selvinuktansen. I steet benyttes en tilnæret oel taget fra L-Hånbogen *, hvor inuktansen er givet ve: L = N K (f a) Spole D * Se litteraturlisten

17 Konstruktion af accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie 7/54 Her er N antal vininger, og K og D konstanter, so afhænger af spolens iensioner. K aflæses på grafen i figur a ufra konstanterne F og F. Figur a: Graf til besteelse af konstanten K ufra en spoles fysiske iensioner. Taget fra L- hånbogen*. Konstanterne er givet ve: D F = = lspole F = D Først fines et utryk for antallet af vininger, N: ltrå ( ) spole rør N = ( trå / 0.9) Intervallerne, hvori D, F og F vil ligge, fines så ufra følgene krav til spolens iensioner: < < spole spole rør = Miniuværien for spole er her sat til 6, hvilket kun kan opnås e en uenelig tyn trå. Dette er ikke realistisk, en angives alligevel for ikke at uelukke nogen tråtykkelser på forhån. D vil så ligge i intervallet: + < D < + spole,in < D < D rør D spole < rør rør spole,ax rør < (f b) (f c) (f ) (f e) (f f)

18 Konstruktion af accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie 8/54 F vil ligge i intervallet: spole,in spole,in spole,ax < F < < F < Til sist fines intervallet, so F vil ligge i: lspole lspole < F < D D + rør rør,ax < F < spole,ax < F < < F < (f h) På grun af F s interval ses et nu ufra kurven i figur a, at an alti vil befine sig i et oråe, hvor kurven e go tilnærelse kan beskrives ve en ret linje i et obbelt-logaritisk koorinatsyste, altså en potensfunktion. For at kunne fine enne funktion skal F og enten inklueres i forlen eller holes på en konstant væri. Da et funne interval for F er forholsvis stort, og a K varierer e op til næsten 00% inenfor ette interval, tyer et på, at et beste vil være, at F inklueres i forlen. Men a en iniale tykkelse for spolen er sat urealistisk lavt, unersøges først hvor eget en begrænsning i intervallet for spole vil påvirke intervallet for F. Det antages nu at spolen inst vil få en tykkelse på.5c. Så fås intervallet for F til: spole,in rør spole,ax rør < F < + + spole,in rør < F < < F < (f i) Begrænsningen af spole efører tyeligvis en kraftig afgrænsning af intervallet for F, er og staig varierer betyeligt. F vil erfor blive inklueret i forlen. Me et nye interval vil K blive tilnæret ve hjælp af kurverne for F =0.4 og F =0.8. Det ses esuen, at kurven for F =0.6 tilnærelsesvist ligger it ielle e to førnævnte kurver, hvorfor er vil blive tilnæret en lineær saenhæng kurverne ielle. De brugte værier kan ses i figur b. F K(F =0.4) K(F =0.8) Figur b: En række aflæste værier fra grafen i figur a.,in spole,ax Ve hjælp af PwrReg på Ti-83, fines e potensfunktioner, so best passer til ovenståene værier til: K( F = 0.8) = F ^( ) (f j) K( F = 0.4) = F ^( ) (f k) Me en korrelationskoefficient på henholsvis og og ingen synlig systeatisk afvigelse på resiualplottet å ovenståene funktioner gæle e go tilnærelse. Da saenhængen elle kurverne tilnæres lineært, å e to funktioner kunne sales til én, afhængig af båe F og F. Da et antages at gennesnittet af e to funktioner for F =0.8 og F =0.4 svarer til funktionen for F =0.6, å et salee utryk for K kunne fines, ve at aere eller subtrahere til ette gennesnit, afhængig af F s afvigelse fra 0.6. Resultatet ses i forel f l. + rør rør rør (f g)

19 Konstruktion af accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie 9/ K( F = 0.4) + K( F = 0.8) F = = K( F 0.4) K( F 0.8) K( F, F ) = (f l) F ^( 0.86) F ^( 0.78) 0.6 F 0.55 F ^( 0.86) 0.39 F ^( 0.78) K( F, F ) = 0. Ikke alle ecialer er etaget, en i beregningerne vil alle blive brugt. Insættes utrykkene for F og F i forel f a fås spolens inuktans, L Spole, til: L = N K D L Spole Spole l = trå ( ( spole rør + spole rør trå spole / 0.9) 0.55 rør ) lspole + spole rør 0.55 lspole + spole rør ^( 0.86) 0.39 ^( 0.86) lspole + spole rør lspole + spole rør ^( 0.78) ( Der ultipliceres e 0-6 for at få resultatet i Henry, a resultatet ellers fås i µh. ^( 0.78) spole + rør ) Opstilling af utryk for spolens inre ostan Me utrykket for spolens inuktans, angles nu kun et utryk for en inre ostan i spolen. Denne ostan er givet ve: ltrå ltrå Rspole = ρ trå = ρtrå (f a) Atrå π 4 trå Her er et kun længen af tråen, l trå, er er ubekent. Denne fines ve at suere længen af tråen for hver enkelt vining, over antallet af lag, X, og erefter ultiplicere e antal vininger givet ve længen af spolen ivieret e tråiaeteren. Utrykket er erefter siplificeret ve hjælp af Matheatica: l X spole rør l = + = + trå ( π ( rør ( trå / 0.9) (x )) lspole π X X ( trå / 0.9) x= ( trå / 0.9) Antal lag i spolen, X kan tilnæres e ( spole - rør )/( trå /0.9). Ve hjælp af Ohs lov og forel f a og f b, kan et søgte utryk nu opstilles: ltrå Rspole = ρtrå A R R R spole spole spole = ρ trå = 4ρ = ( trå 4 trå 4 l trå π spole trå ( ρ / 0.8) π l spole trå trå spole ( rør / 0.9) ( l spole ( spole rør X + X / 0.9) trå + 4ρ / 0.9) rør 3 trå rør ) trå l spole ( spole trå rør / 0.9) Opstilling af eneligt utryk for agnetfeltet i spolen Me isse utryk kan ligningen for agnetfeltet opstilles. For at få et utryk afhængigt af trå og lag-tykkelsen, r lag erstattes spole e: = r + (f a) spole lag rør trå 6 (f b) (f c)

20 Konstruktion af accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie 0/54 Så fås: B( t) = µ B( t) = µ rlag 0. n L ( - trå rlag + rør ( I( t)) = µ r lag /0.9) L ( V ( lspole rlag + rør spole trå Konensator /0.9) rør l /( s ( s ( ^( 0.86) 0.39 L - s ( s L spole trå r /0.9) lspole rlag + rør ^( 0.78) ( r ^( 0.86) ) 0 (( ) ) ))) 4 trå lspole rlag rør ρ + rør + RSwitch + RKonensator + ( trå /0.8) (f b) s CKonensator Dette er ganske probleatisk at uregne anuelt, og utrykket insættes erfor i Matheatica. Resultatet er et ennu større utryk, so kan ses på CD-ROM en. Spole lag + R Spole + R 0.55 V Switch lspole rlag + rør lag Konensator + + R rør Konensator s C Konensator lspole rlag + rør = ) ^( 0.78) 4.5 Design af aflaningskresløb Når strøen til spolen kobles fra, vil spolen, ifølge Lenz lov, prøve at oprethole agnetfeltet ve at inucere en strø. Hvis spolen ikke kan aflae enne strø, vil er koe en eget høj spæning over anre koponenter i kresløbet for eksepel kresløbet til styring af acceleratoren. I værste fal vil enne spæning kunne bræne ette kresløb af. For at ungå ette kan er onteres en ioe over spolen. Da en ioe ikke har en særlig høj ostan, når en leer, vil ette give spolen en unøvenig lang aflaningsti, T aflaning, so et ses af forel f.4.5.a. Lspole Taflaning 5τ = 5 (f.4.5.a) R aflaning Derfor sættes en effektostan i serie e ioen for at inske aflaningstien (se figur 4.5.a). Denne ostan vil og øge spæningen og skal erfor vælges e otanke. For at kunne vælge koponenterne, kræves et enviere, at strøen i spolen kenes på et tispunkt, hvor acceleratorforsyningen frakobles, sat at en spæning, so switch-kresløbet kan klare, kenes. Aflaningskresløbet vil erfor først blive iensioneret på et senere tispunkt. D Spole + Spole - R Figur 4.5.a: Diagra over aflaningskresløb, en ioe og en effektostan. 4.6 Konklusion på konstruktion af accelerator Acceleratoren vil blive lavet af én lang spole, viklet af lakeret kobbertrå okring et 6 tykt plasticrør. Ufra en ønskee ugangshastighe for projektilet på 5/s ve en accelerationsti på 5s blev spolens længe funet til 8c. Der blev erefter opstillet en række utryk, er resulteree i ét salet utryk for spolens agnetfelt. Ve at optiere ette utryk, kan spolens optiale iensioner fines. Dette kan og først gøres, når alle e variable, bortset fra trå og r lag er skal optieres e hensyn til, kenes. Da alle variable ennu ikke er bestet, venes tilbage til ette i kapitel 0. Det sae gæler for aflaningskresløbet, er også kræver kenskab til en række variable, er ennu ikke kenes.

21 Konstruktion af styring til accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie /54 5 Konstruktion af styring til accelerator Me acceleratorforsyningen og selve acceleratoren esignet, angler er nu kun én el i selve acceleratorkresløbet. Da et skal være uligt at kontrollere strøen fra acceleratorforsyningen elektronisk, skal er laves et switch-kresløb, so kan otage input fra HC eren, og, i henhol til ette, til- eller frakoble acceleratorforsyningen. Dette switch-kresløb vil heruner blive esignet. 5. Løsningsforslag til styring af accelerator En række løsningsforslag til enne styring ses heruner. 5.. BJT transistor En BJT transistor kan bruges so switch, hvis basisstrøen er stor nok til at rive en i ætning. BJT en har en lav ætningsspæning, og et er uligt at få BJT transistorer, so kan klare store strøe (over 5 apere). Disse er og forholsvist yre, og et kræver en stor basisstrø (okring 5 til 0% af en ønskee strø igenne transistoren) at få e til at gå i ætning. 5.. MOSFET En MOSFET er bere egnet so switch en en BJT, a en ikke har nogen offset-spæning. Desuen er en MOSFET neere at rive, a en strø, er kræves før en går i ætning, stort set er nul (i nanoapere orået). En MOSFET reagerer også hurtigere en en BJT, en til gengæl kan en ikke klare så høj strø og spæning Mekanisk kontakt/relæ Det er uligt at få relæer, er kan klare store strøe og spæninger, en isse er til gengæl forholsvis langsoe (reaktionsti i illisekuner) og vil sansynligvis give probleer e prel. Desuen risikeres, at kontaktflaerne selter saen ve eget store strøe Thyristor/konensatortilpasning Thyristorer er billige og kan klare eget store strøe og spæninger. Desværre er et ikke uielbart uligt at lukke en thyristor igen, når en først er åben. For at kunne bruge en thyristor kræves et altså, at forsyningskonensatorernes aflaningsti er tilpasset nøjagtig til projektilets accelerationsti. Dette er og eget ufleksibelt, a et ikke uielbart er uligt at ænre projektilets accelerationsti uen at ænre i forsyningen. For at ungå ette kan er bruges en såkalt V-kobling * IGBT En IGBT kobinerer et beste fra MOSFET erne e et beste fra BJT-transistorerne. Det betyer, at e kræver eget lit strø for at åbne, og at e satiig fås i ugaver, er kan klare eget store strøe. 5. Valg af styring af accelerator Selvo en IGBT uielbart lyer so et est optiale, vælges et at bruge MOSFET er for at rae inenfor båe pensu og lagerlisten. MOSFET erne er velegnee so switch og båe hurtige og lette at rive. Da er sansynligvis bliver behov for en større strø en en enkelt MOSFET kan klare, vil en række MOSFET er blive parallelkoblet. 5.3 Design af styring til accelerator Me MOSFET erne valgt til brug i switch-kresløbet, skal er nu vælges hvilken type er bruges. Diagraet kan ses i bilag 3.3. * Denne kobling er beskrevet på hjeesien Gauss gun Pskov 00, se litteraturlisten.

22 Konstruktion af styring til accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie / Valg af MOSFET er Til brug i switchkresløbet er valgt IRF-630 MOSFET N-channel enhanceent transistorer. Denne type kan klare en forholsvis stor strø (op til 9A), en spæning på 00V over rain og source, og esuen er en lagerført og billig. I første ogang var valget falet på IRF530, a enne kan klare en større strø (op til 4A). Derio kan en kun klare 00V over rain og source, og senere tests viste, at et ikke var uligt at esigne et aflaningskresløb, så ette blev overholt, satiig e at spolens aflaningsti blev holt på et acceptabelt niveau (inre en oplaningstien). Der kan ses et urag af atablaet for IRF630 i bilag 5.. Det ses herfra, at IRF630 kan klare okring 3.5A i 0 illisekuner og okring A i ét illisekun. Da accelerationstien er sat til aksiu 5 illisekuner, vil en aksialt tillaelige strø altså ligge elle 3.5A og A. Mostanen i én MOSFET, når enne er åben, er typisk 0.35Ω ifølge atablaet. Antallet af MOSFET er kan og ikke bestees, før en aksiale strø kenes. Derfor venes tilbage til ette i kapitel Diensionering af riverkresløb MOSFET erne skal virke so switches og skal erfor operere i cut-off og i trioeorået. For at sikre ette esignes et riverkresløb. For operation i cut-off orået skal gæle: v GS < V t (f.5.4.a) Hvor V t er tærskelspæningen, so for IRF630 er elle V og 4V. For operation i trioe orået skal gæle: v > V GS vds < vgs Vt (f.5.4.c) Hvis ingangskarakteristikken ( Transfer Characteristics, kan ses på atablasuraget for IRF630 i bilag 5.) er parabelforet, kan strøen genne MOSFET en, I D, esuen tilnæres e: I D I [ ( ) ] 0 D = v GS Vt vds vds (f.5.4.) Vt Det ses og tyeligt, at ingangskarakteristikken kun tilnærelsesvist er parabelforet ve eget lave strøe (uner A). Ovenståene forel kan erfor ikke bruges, og eneste ulighe er at bruge atablasopslag og PSpice siuleringer. Signalet til aktivering af MOSFET erne koer fra HC'eren, og a ette erfor vil være på 5V, skal et forstærkes op for at sikre, at forel f.5.4.c og f.5.4.b opfyles og ere operation i trioeorået. For ikke at skulle esigne en separat spæningsforsyning til enne forstærker vælges en højeste spæning, er alleree er i systeet, +V. Ifølge atablaet kan IRF630 klare en aksial V GS -spæning på 0V, så ette ugør ikke et proble. Da MOSFET ernes tærskelspæning kan variere elle V og 4V, er et esuen nøvenigt, at ugangssignalet er så tæt på en firkantpuls so uligt. Dette vil eføre, at spæningen over MOSFET'ernes gates ænres tilnærelsesvist oentant, så e erve, uanset en enkelte MOSFET s tærskelspæning, åbner og lukker satiig Løsningsforslag til MOSFET-river En river MOSFET erne kan laves på flere åer, for eksepel ve at benytte en operationsforstærker koblet so koparator e en forsyningsspæning på GND og V, er så kan forstærke signalet fra HC eren. Der er og nogle probleer e enne løsning; els er en forholsvis yr, og els er en operationsforstærker begrænset af sin slewrate. Da signalet til MOSFET erne skal være så tæt på et firkantsignal so uligt, kan ette got give probleer. En ulig løsning på slewrateprobleet kunne være at koble en schitt-trigger efter operationsforstærkeren, hvilket og vil foryre konstruktionen ennu ere, se figur 5.4..a. Desuen vil signalet blive forvrænget, a schitt-triggeren først reagerer og skifter fra lav til høj, når ugangssignalet fra operationsforstærkeren når en vis størrelse. Det gæler tilsvarene, når er t (f.5.4.b)

23 Konstruktion af styring til accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie 3/54 skal skiftes fra høj til lav. Signalet fra schitt-triggeren vil altså rent tisæssigt blive kortere en et signal, so senes til operationsforstærkeren fra HC eren. HC Output Koparator Schitt trigger Figur 5.4..a: MOSFET-river e koparator og schitt-trigger. En anen løsning vil være at opbygge forstærkningskresløbet rent iskret for eksepel e to transistorer, er begge er koblet, så e fungerer so en inverter, se figur 5.4..b. Der bruges to transistorer, så HC'eren kun skal levere strø til kresløbet, når MOSFET erne skal aktiveres. R R 3 Output Input R T T Figur 5.4..b: Diskret opbygget MOSFET-river e to transistorer. Når spæningen på ingangen er høj, altså 5V, vil T være i ætning. Derve vil kollektor-eitter spæningsfalet på T være ca. 0.V, og T er erfor i cut-off. Når T er i cut-off, vil ens kollektorspæning, og ere outputtet, være lig forsyningsspæningen på V. Når spæningen på ingangen er lav, altså 0V, vil T være i cut-off, og basis-eitter spæningsfalet på T vil ere være lig T s kollektorspæning. T er erfor i ætning, og ens kollektorspæning, og ere outputtet, er så ca. 0.V. Me 5V på ingangen fås altså e ønskee V på ugangen. Me 0V på ingangen fås 0.V på ugangen, hvilket er ere en e ønskee 0V. Da tærskelspæningen for e anvente MOSFET er er inst V, får ette og ingen betyning. Dette kresløb er båe billigere og ere sipelt en kresløbet e operationsforstærker og schitt-trigger. Desuen bør et ikke være noget proble at konstruere et sålees, at reaktionstien kan holes på et ubetyeligt niveau. Det vælges erfor at bruge forslaget e e to transistorer Diensionering af MOSFET-river Der vælges to BC547B transistorer til riveren. Disse er billige general purpose NPN transistorer, so kan anvenes, a isse er hurtige og strøstærke nok til forålet. BC547B kan tåle en konstant kollektorstrø på 00A og har ve enne strø et kollektor-eitter spæningsfal på typisk 0.V, når en er i ætning, se atablasurag for BC547B i bilag 5.3. Hver IRF630 har en ingangskapacitans på typisk 540pF. For at ungå at oplaningen af e inre kapacitanser ikke efører, at ugangssignalet afviger for eget fra et firkantsignal, er et nøvenigt, at riveren kan levere en forholsvis stor strø. Da T skal trække enne strø i en ti, MOSFET'erne ikke er aktiveree, å en ikke overstige BC547B erens aksiale kollektorstrø på 00A. For en sikkerhes skyl vælges kollektorstrøen erfor til 80A.

24 Konstruktion af styring til accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie 4/54 Derve fås en kollektorostan på: VCC VCE V 0,V R3 = = = 47, 5Ω I C 80A Spæningen over ostanen er ca..8 V, når T leer. Den afsatte effekt bliver så: U R3,8 V PR 3 = = = 944W R3 47,5Ω En % MRS5 ostan kan kun klare 700W, hvorfor er bruges en 5% PR37 etalfils effektostan, er kan klare,6w. Denne fås og ikke på 47,5Ω, hvorfor er bruges to parallelkoblee ostane på henholsvis 330Ω og 70Ω. Der fås erfor en ostan på 48,5Ω?, so kan klare 3, W. Oplaningstien, T N, for N antal MOSFET er kan nu fines so: T N = τ = 5 N C R = 5 N 540 pf 48,5Ω = 0, 40µ s N 5 MOSFET 3 (f.5.4..a) Selv e ange MOSFET er, for eksepel 00, vil enne oplaningsti være fult u acceptabel, a MOSFET ernes aktiveringsti varer i flere illisekuner. Strøforstærkningen, β, for BC547B transistoren er på iniu 00 gange. For ikke at rive transistorerne for langt i ætning, hvilket vil øge eres skifteti, iensioneres e kun e en overrivefaktor på 4, altså: β 00 β = = = 50 (f.5.4..b) overrive overrivefaktor 4 Derve skal basisostanen, R, til T være: VCC VBE V 0,7V R = = = 7,065kΩ I β C overrive 80A 50 Næreste væri i E96-rækken er 7,5kΩ. Da T s basisostan er T s kollektorostan, og a er for T også regnes e en overrivefactor på 4, giver ette en basisostan for T på: R VIN VBE 5V 0,7V = = = 30,78kΩ V V V 0,V CC CE R 7,5kΩ C β 50 overrive Næreste væri fra E96-rækken er 30kΩ. De enelige koponentværier bliver så: T: BC547B T: BC547B R : 30kΩ R : 7,5kΩ R 3 : 48,5Ω I bilag 3 forefines et iagra over riveren.

25 Konstruktion af styring til accelerator IOT 3E Gruppe 6 sie 5/ Konklusion på acceleratorstyring Acceleratorstyringen konstrueres ve hjælp af en række MOSFET er, er båe er hurtige, billige, nee at rive og kan klare en forholsvis høj strø. Da e og kræver en højere spæning på gaten for sikker operation i trioeorået en HC eren kan give, er er esuen konstrueret et river-kresløb, til forstærkning af signalet fra HC eren. Efter at have gennegået hele styringen til acceleratoren, resterer er nu kun en enelige besteelse af antallet af MOSFET er. Da ette kræver, at en aksiale strø i kresløbet kenes, kan ette ikke gøres på nuværene tispunkt. Da selve MOSFET-switchen kun vil bestå af en række parallelkoblee MOSFET er, vil enne blive lavet på vero-boar.

26 Valg og konstruktion af projektiler IOT 3E Gruppe 6 sie 6/54 6 Valg og konstruktion af projektiler Der skal vælges og konstrueres en række projektiler til acceleratoren. Dette afsnit vil beskrive en række forskellige forslag til valg af projektil. Dette skal gøres e otanke, a acceleratoren baseres på agnetfelter og erfor kun kan påvirke peranente agneter og agnetiserbare aterialer. 6. Løsningsforslag til projektil Heruner følger en række forslag. 6.. Peranent agnet Uielbart å en peranent agnet være et est optiale, a acceleratoren her ikke skal bruge energi på at agnetisere projektilet først, en i steet kan afsætte alt energien so kinetisk energi. Projektilet skal og venes på en bestet åe, a et ellers vil flyve baglæns u af acceleratoren. Da et ikke uielbart er uligt selv at bearbeje peranente agneter ekanisk, kan er esuen være probleer e at skaffe agneter i en rigtige størrelse. 6.. Bløt jern Et projektil af bløt jern vil også kunne bruges. Acceleratoren vil skulle bruge energi på at agnetisere jernet, en er bør staig være energi til at accelerere projektilet også. Da er kan være forskel på agnetiseringen af projektilerne fra gang til gang, vil er og sansynligvis være forskel i en opnåee hastighe fra gang til gang. Desuen er et tvivlsot, o en eventuel inuktiv hastighesregistrering vil kunne registrere isse projektiler, a eres agnetfelt vil være eget svagere i forhol til en peranent agnet. Ve bløt jern er et uligt selv at bearbeje råateriale til færige projektiler, for eksepel ve spåntagene bearbejning. Det er erfor uligt forholsvist enkelt, at frestille projektiler specifikt til enne accelerator Bærerprojektil Er er brug for at benytte et projektil so ikke kan agnetiseres, kan an benytte en peranent agnet eller et objekt af et agnetiserbart ateriale til at skubbe projektilet e. Forelen ve enne etoe er at er bliver ulighe for at accelerere alle aterialer. Til gengæl vil et kræve en ekanise til hole bærerprojektilet i acceleratoren. Desuen vil ette ikke være så effektivt, a et kun vil være en el af en afsatte energi er tilføres et rigtige projektil. 6. Valg af projektil Da acceleratoren uen probleer vil kunne accelerere båe peranente agneter, og projektiler frestillet af agnetiserbart ateriale, vil begge blive anvent. Da et ikke er essentielt at hastigheen er en sae fra gang til gang, vil er ikke være probleer e jern-projektilernes varierene agnetisering. Iéen e et bærerprojektil vil og ikke blive anvent, for ikke at koplicere et ekaniske esign, og a enne ikke anses for at være ligeså effektiv. 6.3 Valg af peranente agneter Da et anvente accelerator-rør har en iaeter på 4, ønskes en peranent agnet er ufyler ette så got so uligt. Den beste størrelse er uielbart kunne skaffes, var en række så rune stangagneter, e en længe på 8 og en iaeter på 3. Disse er af typen Perax 430, og er frestillet ve sintering af NFeB. Da agneternes accelerationsretning i acceleratoren afhænger af eres polarisering, blev agneternes norpol lakeret e rø farve. Der kan ses et billee af e anvente peranente agneter i figur 6.3.a., ens ens atabla kan ses på CD- ROM en.

27 Valg og konstruktion af projektiler IOT 3E Gruppe 6 sie 7/54 Figur 6.3.a: De anvente peranente agneter. 6.4 Konstruktion af jernprojektiler Til konstruktion af jernprojektiler blev er freskaffet en jernstang e en iaeter på 4. Af enne stang blev er frestillet inre stykker på, 4 og 6c s længe. Da acceleratorens inre iaeter også er 4, var et og nøvenigt at bearbeje e så stykker ne til en lit inre iaeter ve hjælp af spåntagene bearbejning. Ve sae lejlighe blev projektilernes aeroynaiske egenskaber forberet ve at lave e spise. Der kan ses et billee på figur 6.4.a. Figur 6.4.a: De anvente jernprojektiler. 6.5 Konklusion på valg og konstruktion af projektiler Der blev valgt båe at bruge projektiler af peranent agnetisk ateriale og jernprojektiler. Begge isse vil kunne påvirkes af acceleratoren. Dog er er tvivl o, o jernprojektilerne vil kunne opfanges af en eventuel inuktiv hastighesregistrering.