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Fucile elettromagnetico

ATTENZIONE: Alcuni dispositivi descritti in questo articolo possono presentare PERICOLOSITA' che possono rivelarsi anche MORTALI se non si opera in modo opportuno. L'autore non si assume alcuna responsabilità per danni a cose o a persone!

In questo articolo voglio presentarvi un’interessante esperimento che vi porterà alla costruzione di un curioso dispositivo chiamato fucile elettromagnetico.

Questo dispositivo è in grado di lanciare materiali ferrosi come chiodi o viti come un fucile classico.
Ovviamente questo progetto che vi presento non è in grado di lanciare oggetti come un vero fucile poiché io l’ho fatto a scopo didattico e non bellico (se vi interessa costruirne uno più pericoloso cercate in google), questo comunque è in grado di lanciare chiodi o viti per 5 o 6 di metri con una velocità abbastanza elevata e senza rumore di sparo!
Il funzionamento è abbastanza elementare e si basa sull’ elettromagnetismo e specificatamente al campo magnetico generato da una corrente che scorre in una bobina, questa se fosse costante e elevata farebbe attirare semplicemente la vite contro la bobina, per questo dobbiamo avere un generatore in grado di fornire un impulso di corrente molto elevata (e quindi con bassa resistenza interna) che duri un istante, cioè il tempo necessario per attirare la vite contro il solenoide, in pratica quando essa è dentro al solenoide il campo magnetico deve interrompersi per permettere alla vite di proseguire il proprio moto per inerzia.
Il dispositivo che presenta meglio le caratteristiche richieste è il condensatore che quando viene caricato accumula una carica elettrica che dipende dalla sua capacità.
Una volta caricato basterà attaccare il condensatore alla bobina già pronta con il proiettile per vedere la vite sparata senza alcun rumore di sparo.

REALIZZAZIONE

Per prima cosa dobbiamo decidere i valori dei condensatori (attenzione: sicuramente saranno elettrolitici e quindi attenti alla polarità pena la loro distruzione) come la capacità e la tensione di lavoro, tenendo conto che la potenza dello sparo cresce linearmente con la capacità e cresce quadraticamente aumentando la tensione quindi:

E = 0.5 * C * V²

Dove:
E = Energia accumulata
C = Capacità totale condensatori
V = Tensione

L’energia accumulata cresce linearmente con la capacità e cresce quadraticamente con la tensione quindi raddoppiando la capacità raddoppia l’energia, invece raddoppiando la tensione l’energia quadruplica!!!

Nel mio caso ho usato 10 condensatori da 4.700uF quindi con una capacità totale di 47 mF con una tensione di lavoro massima di 50V(in realtà poi li carico al massimo a 35 V). Per sommare la capacità i condensatori vanno attaccati tutti in parallelo creando di fatto una batteria di condensatori.

NB:nel mio caso i condensatori non sono pericolosi data la bassa tensione con cui sono caricati, se però userete dei condensatori con tensioni più elevate nell’ ordine dei 60V o più evitate di maneggiare i condensatori carichi poiché loro ci mettono un attimo a fulminarvi!!!

Ora passiamo alla creazione del circuito che governerà il nostro fucile, facciamo attenzione soprattutto all’interruttore che dovrà attaccare la bobina ai condensatori poiché avrà un buon peso nella resa del fucile.
Si può scegliere dal semplice relè all’uso di teleruttori fino ad arrivare all’uso di componenti elettronici come SCR che garantiscono prestazioni migliori rispetto ai componenti elettromeccanici.
Nel mio caso, data la semplicità e l’esigua potenza, ho deciso di utilizzare il classico relè e la logica di funzionamento che ho deciso di utilizzare è la seguente:
Abbiamo un bottone che è collegato in serie al relè; il relè ha collegato al comune il condensatore, al normalmente aperto l’alimentatore e al normalmente chiuso la bobina, quando lo premo il relè si eccita e mi va a caricare la batteria di condensatori, quindi terrò premuto il pulsante fino a carica avvenuta, ed a questo punto quando rilascio il pulsante il relè stacca il condensatore dall’alimentazione e lo attacca alla bobina ed a questo punto il proiettile parte come già descritto sopra.

Possiamo migliorare il tutto con l’aggiunta di un pulsante di scarica con una resistenza che ci scarica la batteria di condensatori nel caso che li abbiamo caricati con la bobina staccata e anche un voltmetro che ci indicherà visivamente quando la carica dei condensatori è completata.
Ora passiamo all’alimentazione dei vari componenti: nel mio progetto ho previsto un circuito composto da un trasformatore con primario a 230V e doppio secondario a 12V.
I circuiti di alimentazione sono 2; il primo alimenta il relè ed è composto da un diodo collegato al terminale 0V e 12V che fa passare solo le semionde positive e un condensatore che le livella, mentre il secondo è un ponte di diodi collegato allo 0V e al 24V del trasformatore con un condensatore e una resistenza che limita la carica della batteria di condensatori. Questa resistenza ha il compito di non sovraccaricare l’alimentatore e di fornire un effetto scenico della carica dei condensatori attraverso il voltmetro analogico a lancetta (che ha sempre il suo fascino).

Nel mio progetto ho diviso in 2 le parti: una scheda si occupa dell’alimentazione e l’altra del controllo che contiene anche la batteria di condensatori. Il tutto l’ho montato dentro una scatola a da cui escono 2 boccole per collegare la il fucile vero e proprio. Per quanto riguarda la bobina L1 potete scegliere quello che preferite basta che seguiate il concetto fondamentale. Io per la mia ho spappolato un pennarello di quelli sottili tenendo solo la canna a cui ho avvolto la bobina ad una estremità (solo da un parte) con un filo smaltato da 0.9 mm di diametro avvolgendo circa 100 spire (provate a variare le spire e la posizione della bobina e vedrete i risultati cambiare). La bobina va collegata con la parte più vicina al proiettile al meno dei condensatori e l’altra estremità al relè (come da schema) poiché gli elettroni vanno dal – verso il +. Per caricare il fucile dovete inserire il chiodo o la vite nella parte dove non è presente la bobina e direzionare la canna considerando che il proiettile uscirà dalla parte della bobina. A questo punto basta premere il pulsante come descritto sopra, aspettare che la carica sia completa attraverso il voltmetro collegato ai capi del condensatore e rilasciare il pulsante; se avete fatto tutto nel modo giusto dovreste vedere il proiettile che esce dalla canna come se fosse sparato, ma senza rumore di sparo.
Vista la semplicità dei circuiti non ho fatto circuiti stampati ed ho montato tutto su basette millefori.

SCHEMI E LISTA COMPONENTI

Lista Componenti
R1= 100 Ohm 2W
R2= 2 Kohm 1/4W
C1= 470uF elett.
C2= 10uF elett.
C3-C13= 4.700uF
D1=1N4004
BR1= Ponte di diodi 50V 2A
TR1= trasformatore 230/12V con doppio secondario 12VA
RL1= Relè 12V DC 1 Scambio
L1= VEDI TESTO

IMMAGINI REALIZZAZIONE

VIDEO

NUOVA VERSIONE FUCILE ELETTROMAGNETICO

Qui di seguito troverete alcune modifiche che ho effettuato al fucile elettromagnetico per renderlo più pratico nel suo utilizzo.

Dopo il primo montaggio del fucile elettromagnetico ho deciso di rendere più comodo il suo utilizzo applicandogli un circuito governato da un microcontrollore PIC 12F508.
I miglioramenti introdotti si sarebbero potuti introdurre anche con un normale circuito a logica digitale, però la scelta è ricaduta sul microcontrollore per alcuni motivi:

possibilità di modificare in maniera semplice ed economica la logica di funzionamento del circuito (eventualmente aggiungendo anche altre funzioni)
l’intero circuito logico che gestisce tutte le funzioni è racchiuso in un package PDIP a 8 piedini rendendo il circuito stampato finale di dimensioni più contenute rispetto ad altre soluzioni (ottimo per inserire il circuito nel già zeppo contenitore del fucile)
resistenza maggiore ai disturbi generati dalla scintillazione del relè, durante il lancio del proiettile, che avrebbero potuto disturbare i sensibili circuiti ad integrati digitali classici
consumo estremamente ridotto rispetto ad un circuito digitale tradizionale
minor costo

Il microcontrollore nel circuito si occupa di mantenere attiva la carica dopo che uno ha rilasciato il pulsante, quindi rende inutile tenere premuto tutto il tempo della carica dei condensatori il pulsante carica. La stessa funzione è stata prevista per il pulsante scarica, dove però si è reso necessario l’uso di un circuito che rendesse la scarica dei condensatori rapida e governabile dal microcontrollore stesso.
Per effettuare il lancio del proiettile, una volta caricato il fucile premendo il pulsante carica, è sufficiente premere una seconda volta il pulsante carica.
Il pulsante scarica (che effettua la scarica dei condensatori) viene automaticamente disattivato quando la carica dei condensatori è in corso e la funzione di scarica si disattiva automaticamente se dopo una scarica si effettua la carica.
Per aumentare la sicurezza e lo spazio nel contenitore, nonché alimentare la nuova scheda, ho deciso di modificare radicalmente il circuito di alimentazione.
Con questo circuito l’utente è libero di decidere l’uso di un trasformatore interno sulla scheda o esterno inscatolato: io ho optato per il trasformatore in scatola esterno per rendere il fucile meno pesante e più sicuro.

NUOVO CIRCUITO DI ALIMENTAZIONE

Innanzitutto si nota come sia stato aggiunto un fusibile (lo potete inserire per sicurezza se come me deciderete di mettere il trasformatore esterno), altrimenti prima del ponte di diodi si potrà installare un trasformatore 230/12V.
Rispetto al precedente circuito il voltaggio è stato ridotto per permettere al fucile di lavorare senza eccessivi stress per il relè, potrete comunque portare in ingresso una tensione alternata fino a 24V (come in origine).
La tensione alternata va sul ponte di diodi BR1 che provvede a raddrizzarla, mentre C1 la livella nel suo valore massimo, infatti ricordo che in uscita dal condensatore avremo una tensione pari a (nel caso di alimentazione con tensione 12Vac)

12*1,41 = 16,92V

Questa tensione viene direttamente applicata al morsetto di ingresso della tensione di carica dei condensatori. La stessa tensione viene posta in ingresso al regolatore 7812 che provvede a stabilizzare la tensione in uscita a 12V. Questo integrato tollera in ingresso tensioni fino a 35V, per cui funziona tranquillamente con il fucile alimentato a 12V o 24Vac. La necessità o meno del dissipatore dipende dalla corrente assorbita dai circuiti a valle e essenzialmente dal relè a 12V che userete poiché il PIC consuma una corrente irrisoria rispetto al relè (nel mio caso il relè assorbiva 60mA e non era necessario un dissipatore). L'integrato è comunque protetto dai surriscaldamenti.
La tensione stabilizzata in uscita a 12V dall'integrato alimenta sia il relè pre-esistente nella scheda dei condensatori, sia il circuito di controllo a microcontrollore.

La scheda permette di montare un trasformatore (come nel vecchio modello del fucile), oppure uno zoccolo per fusibile permettendo l'uso di un trasformatore esterno.

Per realizzare la scheda potete far affidamento ai file di FidoCAD allegati nel file zip, dove potrete anche cambiare la posizione del trasformatore per adattare la scheda al tipo utilizzato.

SCHEDA DI CONTROLLO

Il circuito come potete osservare nell’immagine è molto semplice dato che molte delle funzioni le svolge internamente il PIC.
Le resistenze di pull-up necessarie nei pulsati per avere sempre uno stato logico definito sono state attivate via software internamente nel pic: questo permette di risparmiare le due resistenze altrimenti necessarie.
La tensione in ingresso viene prelevata dall’ uscita a 12V del circuito precedente (“nuovo circuito di alimentazione”) e questa tensione viene portata come alimentazione del relè di lancio, mentre da un altro ramo la tensione va ad alimentare l’integrato stabilizzatore 7805 che fornisce in uscita una tensione di 5V stabilizzata necessaria per alimentare il PIC.
Il pic ha in ingresso i due pulsati Pcarica e Pscarica con resistenze di pull-up attivate via software ed ha in uscita un led che segnala lo stato di carica dei condensatori (si attiva quando i condensatori sono in carica), il transistor, con relativa resistenza, che attiva il relè di carica e il circuito di scarica.
Questo circuito è stato pensato per funzionare al posto del pulsante precedente che richiedeva una pressione continua durante la scarica, con questo circuito la scarica avviene in pochissimi secondi e in modo completamente automatico.
Il tutto è composto da un mosfet MF1 IRF540 con resistenza da 1K di sicurezza (durante il normale funzionamento del mosfet non serve perché la corrente consumata è pari a zero) e da 2 resistenze in parallelo da 68 Ohm e 10W ciascuna. L’elevata potenza complessiva (20W) serve a scaricare velocemente la carica acquisita dai condensatori qualora il lancio venisse effettuato senza aver preventivamente attaccato la bobina: in questo caso i condensatori riuscirebbero a scaricarsi solo collegando la bobina, operazione molto rischiosa per via delle elevate correnti in gioco. Ecco quindi che il circuito di scarica risulta utilissimo per poter scaricare i condensatori e attaccare, una volta scarichi, la bobina di lancio in tutta sicurezza.
Per attivare il circuito è necessari premere una volta il pulsante Scarica. Va ricordato che tale pulsante durante la carica è disabilitato, mentre se il circuito di scarica viene attivato dopo la carica esso si disinserisce autonomamente durante la successiva carica dei condensatori: comodo no?
La scheda, per motivi di spazio, ho deciso di montarla in verticale nel bordo sinistro della scatola.

PROGRAMMAZIONE PIC

Non mi soffermo in modo dettagliato sulla programmazione del PIC poiché si trovano tantissime guide su internet. Il programma è scritto in assembler, nel file allegato trovate sia il file HEX da dare in pasto al software del programmatore che userete per programmare il pic e il file ASM contenete i sorgenti in assembler in modo che qualora lo vogliate potete modificare in ogni parte il funzionamento del programma.
Durante la programmazione del PIC ricordatevi di togliere il segno di spunta dal flag "MCLR pin function" (o simile) poiché questo pin nel programma non è utilizzato (quindi non collegato).

MONTAGGIO SCHEDE

Il disegno qui sotto rappresenta i collegamenti da effettuare.