Time Expander

Kanonstøperiet – del 8 (Elektronikk for åttende klasse)

Jeg er i prinsippet motstander av å skrive tutorials, da mye av det som allerede finnes der ute er av en kvalitet som virker fordummende på leseren. Som forfatter, så risikerer en å bli satt i en bås overbefolket av mennesker som bedriver sin tid med avskrift og misforståelser. Faren for å bli ydmyket av av lesere som har fulgt med i timen er overhengende.

Likevel har jeg bestemt meg for å gjøre et unntak.

Under følger en beskrivelse av triggerkretsen for en akselleratormodul. Til tross for sitt enkle design har kretsen gitt meg en grundig innføring i smerten en amatør kan påføres av selv de enkleste komponenters iboende faenskap.

Av frykt for eget liv og helse, samt brannvesenets harme, så har jeg valgt et helt lukket design. Ingen mekaniske brytere. Ingen eksterne kontaktflater. Vanntette skott over hele linja. Rollen som offer for vådeskudd kan jeg leve med. Rollen som ekstern last for uhyrlige mengder oomph vil jeg helst styre unna. Ulempen er at vi trenger brytere av det litt mer avanserte slaget. Delvis på grunn av de funksjonelle kravene til triggermekanismen, delvis på grunn av mengden elektroner som vil stå i kø når det braker løs.

Tanken er at prosjektilet på sin vei gjennom akselleratoren bryter en infrarød lysstråle ved inngangen til hver akselleratormodul. Dette skal til slutt resultere i at kondensatorbanken kortsluttes gjennom akselleratorspolen, slik at et relativt heftig magnetfelt drar prosjektilet videre. Ideelt sett, så burde vi også ha en forsinkelse som var en funksjon av allerede oppnådd hastighet, men dette har jeg foreløpig skrevet på task-lista for versjon 2.0. Uten en slik kompensasjon, så vil en risikere en bremseeffekt litt ut i rekka av moduler.

Trinn 1. La det bli lys.

Denne er rimelig enkel, men selv her vil den glade amatør kunne produsere blårøyk. Dropper du seriemotstanden, så kortslutter du effektivt spenningskilden din, og lysdioden vil kunne generere noe som ligner et gammaglimt. Sjekk databladet for å finne ut hvor mye strøm det kan gå gjennom lysdioden før du tar livet av den. De jeg har liggende flest av i skuffen er TSAL7200, og de tåler 100mA kontinuerlig.

Når du skal beregne seriemotstanden, så allierer du deg med gode gamle ohms lov. På bildet under, så er spenningsfallet over motstanden i serie med dioden 5V. Spenningsfallet over dioden er 1.35V. Du har da 3.65V over motstanden. Hvis vi løser ohms lov for R, så får vi R=U/I = 5V/0.1A = 50 ohm. Vi runder av til nærmeste standarverdi, som er 47 ohm.

Selv om du har gjort alt riktig, så vil det fremdeles kunne resultere i blårøyk hvis du ikke benytter en motstand med riktig effektrating. I dette tilfellet må motstanden være dimensjonert for 5V * 0,106 A = ca 0,5W for ikke å bli varm.

Trinn 2. La det bli transistor-logikk.

For å verifisere at kretsen virker og at IR-dioden lyser, så kan du se på den gjennom et digitalkamera. De fleste digitalkameraene har IR-filter som lekker litt, så du vil se det infrarøde lyset som synlig lys i displayet.

Men kretsen må også kunne detektere om det infrarøde lyset er blokkert av prosjektilet eller ikke. Vi trenger en sensor som kan detektere lys med en bølgelengde på 940 nm, og samtidig kan fungere som en bryter, eller kunne gi signal til en bryter. Fotodioder er kjappere enn fotoresistorer, men fotoresistorer er mer følsomme. Også her ble valget influert av utvalget i skuffen. Jeg valgte derfor en LTR3208E fototransistor. Denne transistoren har kun to tilkoblinger. Strømmen gjennom baseregionen er styrt av intensiteten på lyset som treffer den.

For å bruke denne som bryter istedet som forsterker, så kobler vi til denne i en “common emitter” konfigurasjon. I praksis, så setter vi inn en serieresistor på collectorsiden og jorder emitteren. Outputsignalet henter vi ved collectoren. Når lyset er på, så treffer fotoner baseregionen, og fototransistoren leder strøm. Vi har da en logisk 0 (nær 0V spenning) ved collectoren iom at den er kortsluttet til jord. Hvis lysstrålen er brutt, så leder ikke fototransistoren strøm og spenningen ved collectoren er lik spenningen over resistoren.

Seriemotstanden må velges med omhu, da du ønsker å bruke fototransistoren som en bryter og ikke som en forsterker. I en common emitter-konfigurasjon, så vil dette si at spenninga ved collector må være mindre enn produktet av seriemotstanden og strømmen gjennom fototransistoren ved forventet lysmengde (I dette tilfellet ca 50 mA). Vi ser at 5V < 1000 ohm x 0,05A, og fototransistoren vil derfor fungere i switch mode istedet for som forsterker.

Selv om vi har valgt en “treg” fotoresistor, så har den en typisk rise-time på 10 us, hvilket vi antar er kjapp nok respons for vårt formål…

For å teste, så slår du på strømmen og måler spenninga ved collectoren. Denne vil være 0V. Idet du bryter strålen, så vil den umiddelbart øke til noe i nærheten av 5V (avhengig av verdien på serieresistoren din).

Trinn 3. la oss drive noe vettugt.

Bryteren med stor “B” i denne kretsen er en SCR, og den har vi ikke tegnet inn enda. SCR er en forkortelse for Silicon-Controlled Rectifier. Det er i praksis en diode du kan slå på. Den krever dog litt juice gjennom gaten sin før den går “all in”. I dette tilfellet har jeg valgt 50RIA120 som tåler korte ikke-repeterende strømstøt på vanvittige 1200 A. Den trenger minimum 2.5V ved gaten for å fyre, samt minimum 100 mA gjennom gaten. Vi har mer enn 2.5V, men 100 mA klarer vi ikke å levere. Vi kunne selvfølgeligvis tafset på serieresistoren til fototransistoren får å få klemt mer strøm gjennom, men det er like enkelt å hekte på en småsignalresistor som drives av outputsignalet.

Serieresistoren til fototranssitoren vil nå også fungere som baseresistor for en 2N3904. ved kortslutnnig av strålen, så vil vi kunne få 5 mA gjennom denne resistoren, og det er nok til å få 2N3904 til å lede nok strøm gjennom seg til å ttrigge SCR-gaten.

Når lysstrålen brytes, så vil da LTR3208 generere ca 5V ved collector. Strømmen går så via 1K resistoren inn i basen til 2N3904 og får denne til å lede strøm gjennom sin collector til emitter. Collectoren til denne kobler vi til 5V og emitteren kobler vi til gaten på SCRen.

Anoden på SCRen kobler vi til den positive terminalen på kondensatorbanken vår, og katoden kobler vi til jord.

Når lysstrålen brytes vil dette resultere i at kondensatorbanken dumper all sin energi gjennom akselleratorcoilen. Dette vil (hvis jeg har regnet riktig resultere i et strømstøt som peaker på ca 670 A etter ca 4 ms. Hele pulsen er over på under 10 ms, hvilket er innenfor surge-spesifikasjonen til SCRen.

Det _burde_ kunne gå bra…

I hope…

This entry was posted on Friday, May 4th, 2012 at 22:58. It is filed under Mad Science. You can follow any responses to this entry through the RSS 2.0 feed.