Замыкание контактов с использованием канальных полевых (униполярных) МОП-транзисторов.
Введение:
Одно из ключевых инновационных решений в производстве электропневматического оружия (Automatic Electric Gun\AEG) – применение электронного спускового механизма – одновременно решает две задачи: повышение реализма и снижение стоимости airsoft оружия для конечных потребителей. Хотя использование электричества, как источника энергии, безусловно, шаг вперед в развитии AEG, Tokyo Marui тем не менее, сохранили полностью механический способ замыкания контактов в спусковом механизме и предохранителе \ переключателе режимов огня.
Хотя такое решение и снижает себестоимость производства, существуют и некоторые неудобства такой конструкции, особенно при использовании источников тока повышенного напряжения. В этой статье мы представим решение проблемы замыкания контактов при помощи канальных полевых униполярных МОП-транзисторов (metal-oxide semiconductor field effect transistors MOSFET), и продемонстрируем результаты замеров скорострельности, возникающей в процессе модификации.
В чем проблема с контактами?
Открытые переключатели контактов – простой и дешевый механизм. Но он имеет несколько недостатков, особенно при высоком напряжении с индукционной нагрузкой. Замыкание контактов при высоком напряжении может привести к образованию дуги, что влечет за собой точечную коррозию и ускоренный износ поверхности контактов.
Кроме того, когда индуктивная нагрузка от мотора AEG обесточивается при размыкании контакта, дальнейшее образование дуги может произойти из-за обратной ЭДС (Электродвижущая сила), произведенной катушкой. Комбинация этих факторов вносит свой вклад в износ поверхностей контакта, уменьшая их проводимость и, следовательно, препятствуя оптимальной работе АЕГ. Эту неприятность, именуемую в просторечии «сжиганием контактов» можно сравнительно легко устранить, применив МОП-тразисторы.
МОП-тразисторы?
Униполярный (полевой) транзистор представляет собой полупроводниковый трёхэлектродный прибор, в котором управление током, создаваемым
направленным движением носителей заряда одного знака между двумя
электродами, достигается с помощью напряжения (электрического поля),
приложенного к третьему электроду. Электроды, между которыми протекает
рабочиё ток, носят названия истока (Source, далее S)и стока (Drain, далее D), причём истоком считается тот
электрод, через которые носители втекают в прибор. Третий электрод
называется затвором (Gate, далее G). Изменение величины рабочего тока в униполярном транзисторе осуществляется путём изменения эффективного сопротивления токопроводящего участка, полупроводникового материала между истоком и стоками называемого каналом.
Полевой транзистор характеризует то, что управление рабочим током
осуществляется электрическим полем (напряжением), а не электрическим током,
как это имеет место в биполярном транзисторе. Когда положительный заряд накапливается на затворе, устройство позволяет току проходить между истоком и стоком. В противном случае, затвор превращает устройство в мощный резистор, не позволяющий току протекать между электродами.
Таким образом, МОП-транзистор действует, как электронный переключатель, замыкая или размыкая цепь, в зависимости от напряжения на затворе. Применение МОП-транзисторов в AEG изолирует контакты от основной цепи, позволяя току приходить непосредственно на двигатель, не сталкиваясь с избыточным сопротивлением контактов.
Соответственно, как сказано выше, такой подход позволяет избежать перспективы выгорания контактов спуска и переключения режимов огня от высокого напряжения.
Плюсы внедрения МОП-транзисторов давно оценены японским airsoft сообществом, мы же постараемся самостоятельно исследовать этот вопрос на испытательной платформе G3 SG1 и документировать полученные результаты.
Какой именно транзистор?
Выбор правильного транзистора для использования в предлагаемой схеме критически важен. Спецификации конкретного транзистора должны соответствовать ожидаемым режимам эксплуатации в AEG. Нас интересуют следующие характеристики полевых транзисторов:
1. Напряжение отсечки (Maximum Voltage Drain to Source (Vds)):
Транзисторы чрезвычайно чувствительны к напряжению, поэтому максимумы Vds нельзя превышать. Так как источники питания AEG редко превышают 15В даже при полной зарядке, следует выбирать транзисторы с Vds>15В.
2. Потребление постоянного тока (Maximum Continuous Current Drain (Id)):
Потребление тока в AEG колеблется от 20 до 40А в зависимости от степени тюнинга. Выбирая транзистор с нужными характеристиками лучше ошибиться в сторону увеличения Id. Следует так же помнить, что нас интересуют показатели постоянного тока, а не переменного, у которого соответствующий показатель (Idm) обычно гораздо выше.
3. Мощность (Maximum Power Dissipation (Pd)):
Чтобы избежать неприятностей, связанных с перегревом транзисторов нужно обратить внимание на максимальный показатель Pd – мощность, на которую он рассчитан, чтобы нормально функционировать. Обычно этот показатель непосредственно связан с размерами транзистора (чем больше, тем больше). Японские эксперты сходятся во мнении, что Pd по крайней мере должно быть не ниже 80W. Со скидкой на тесноту пространства внутри AEG можно сказать, что выбирать нужно как можно более крупные размеры транзистора, что позволит ему справляться с высокой температурой.
4. Сопротивление (Resistance Drain to Source On (Rds(on)):
В отношении показателя сопротивления можно сказать, что чем он меньше – тем лучше, т.к. сопротивление в нашем случае прямо пропорционально температуре.
Существует множество МОП-транзисторов, удовлетворяющих нашим критериям, однако мы решили начать с того, который уже был протестирован нашими филиппинскими друзьями с Filairsoft.com. Наш выбор пал на транзистор с международным кодом IRF3707.
Показатель |
Значение |
Vds |
30V |
Id |
62A |
Pd |
87W |
Rds(on) |
12.5 мОм. |
IRF3707 может справиться с Vds=30 вольт, что значительно превышает необходимый нам минимум. Номинальный Id в 62 ампер также – оставляет значительное пространство для манёвра, а номинальная мощность в 87W как раз соответствует рамкам минимума. И, наконец, 12.5 мОм – довольно низкое сопротивление, и отлично подходит для наших задач.
Прочие комплектующие и оборудование:
- Резистор 10-30 кОм.
- Резистор 100 Ом
- Провод в оплётке (20 gauge по AWG). Рекомендуется именно провод в оплётке, из-за его гибкости. Американский стандарт калибров проводов
- Провод с оплёткой (24 или меньше gauge по AWG) для коммутации затвора. Меньшее сечение провода не повлияет на работу, т.к. ток на затворе заметно меньше, и при этом облегчит размещение проводки в боксе.
- Термоусаживаемая изоляция соответствующих размеров, для изолирования соединений.
- Часть платы PC для размещения компонентов.
- Паяльник и припой
- Коннекторы для проводов
- Мультиметр. Может понадобиться для диагностирования косяков.
Исходная схема проводки
Проводка AEG имеет одну токопроводящую дорожку. Ток проходит от «плюса» батареи к контактам по красному проводу, затем к селектору, оттуда к мотору и, наконец, назад по чёрному проводу.
Мы можем представить проводку в виде простой схемы:
Схема коммутации транзистора:
Транзистор должен быть подключен таким образом, что когда контакты замкнуты, напряжение приходит на затвор (G). Электроды «сток» (D) и «исток» (S) подключаются последовательно с мотором, проводя (или препятствуя этому) ток с батареи на мотор.
Затвор управляет ёмкостью, в то время как сток и исток – индукцией. Отсюда проистекают некоторые проблемы, которые необходимо разрешить, для нормального функционирования AEG.
Проблема 1: Емкостное сопротивление затвора.
Затвор транзистора действует по принципу маленького конденсатора, сохраняя положительный заряд. Это означает, что как только мы включаем транзистор, он останется включенным до тех, пор, пока не будет принудительным образом разряжен затвор. Простое размыкание контактов не позволит этого достичь. Необходимо соединить проводом затвор и «минус» аккумулятора. В это соединение нужно включить резистор, чтобы предотвратить короткие замыкания на транзисторе.
Проблема 2: Колебания
В цепи конденсатор-катушка при определённых условиях могут возникнуть осцилляции, что также касается нашего случая. Колебания могут быть предотвращены введением в систему демпфера в виде низкоомного резистора, последовательно подсоединенного к затвору. Резистор замедляет зарядку\разрядку затвора, предотвращая возможные колебания. Сопротивление резистора должно быть низким, в противном случае возникает риск перегрева и снижения эффективности работы МОП-транзистора.
Итак, после выполнения всех этих условий, можно представить схему правильного подсоединения МОП-транзистора.
Как видите, по сравнению с базовой схемой – добавился новый (зелёный) провод. Оригинальный красный провод, идущий к спусковому контакту, был удалён и припаян к красному проводу, подключенному к контакту селектора. К спусковому контакту теперь припаян зелёный провод, идущий от затвора транзистора.
Когда контакты спускового механизма и селектора замыкаются – ток с батареи течёт по красному проводу, через контакты, на зелёный провод, подсоединённый к затвору. Положительный заряд образуется на затворе и включает транзистор. Т.к. провод (чёрный) ведущий к мотору, теперь прерван транзистором, ток попадёт к мотору только в том случае, если МОП-транзистор будет включен, что, в свою очередь, может произойти только тогда, когда замкнуты контакты спуска и селектора (т.е. нажат спусковой крючок и оружие снято с предохранителя). Путь разряда с 30 кОм резистором был установлен между истоком и затвором, и 100 Ом резистор – соединен последовательно между контактом и затвором. Теперь, когда контакты на спуске или селекторе разомкнуты, затвор разряжается через резистор, переводя МПО в положение «выключено» и размыкая цепь.
Шаг 1: демонтируйте бокс и извлеките контактную группу.
Контактная группа крепится одним винтом. Как только он удалён – всё легко разбирается.
Шаг 2: Перепаивание провода спускового механизма.
Как только контактная группа демонтирована, нужно отпаять провод спуска (trigger wire), и припаять его к проводу селектора (selector wire). Рекомендуем использовать теплоотвод, либо извлечь контакты из корпуса до припаивания, чтобы не расплавить корпус.
Шаг 3: Провод к затвору.
Возьмите длинный провод 24 gauge и припаяйте один конец к контакту спуска, откуда был удалён провод в Шаге 2. Этот провод должен быть проложен в боксе и выведен сзади.
Шаг 4: Установка МОП-транзистора и резистора.
Установите МОП на плате, проведя электроды через отверстия в ней. Расположите на плате и припаяйте одним концом к затвору резистор (100 Ом).
Шаг 5: Установка резистора разрядки.
Выберите положение поближе к затвору и установите и припаяйте 30 кОм резистор – одним концом к затвору, другим к истоку. Оставьте достаточно места на электроде «исток» (S) для припаивания провода в следующем шаге.
Шаг 6: Припаивание проводов
Припаяйте провод к свободному электроду резистора на 100 Ом. Обрежьте минусовой (черный) провод от контакта батареи и припаяйте его к стоку (D). Соедините «минус» батареи и исток (S) ещё одним проводом. Если длинны проводов недостаточно – используйте 20 gauge.
Примерно так:
Шаг 7: Проверка:
Выставьте Мультиметр на измерение постоянного тока, и подключите электроды к моторным контактам (красный – плюс, черный – минус). Затем подсоедините батарею. Мультиметр должен показать минимальное или нулевое напряжение. Передвиньте рычаг селектора в положение одиночного или автоматического огня и потяните спуск. Мультиметр должен показать максимальное напряжение вашей батареи. Теперь отпустите спуск. Стрелка мультиметра должна вернуться в исходное положение.
Если всё происходящее соответствует описанному выше – вы готовы протестировать работу бокса. Рекомендуем изолировать плату при помощи ленты или полимерного клея, чтобы защитить от воздействий внешней среды.
Результаты тестов
Используя аудио-метод, мы замеряем скорострельность бокса до и после установки МОП –транзистора. Теоретически, скорострельность должна вырасти, т.к. контакты больше не являются частью основной схемы, и не повышают общее сопротивление. Разница должна быть особенно заметна при использовании высокоемкостных аккумуляторов.
Тестовая платформа:
Чтобы измерить результаты наших усовершенствований, мы использовали испытательную платформу G3SG1 со следующими характеристиками:
Systema M120 spring |
Systema aluminum piston |
Systema polycarb piston head |
Systema spring guide with bearing |
Prometheus high-speed gears |
Systema metal bushings |
Все замеры произведены с использованием батареи 8.4v 1800mah при полной зарядке.
|
Battery Voltage |
Средняя скорострельность |
Изменение % |
Stock |
9.84v |
960.85 |
|
IRF3707 |
9.78v |
1048.54 |
9.1% |
STD50NH02 |
9.78v |
1097.56 |
14.2% |
Конфигурация бокса с пружиной М120 и шестернями high-speed, требует значительного крутящего момента мотора (см. Gearbox Science I), который, в свою очередь требует большой силы тока. Использование МОП-транзистора в системе показало увеличение скорострельности на 9.1%, что довольно существенно. Во время теста транзистор значительно нагревался, но сохранял работоспособность.
В качестве эксперимента, нами был испробован другой транзистор, производства ST microelectronics. STD50NH02 показал ещё большую скорострельность, но из-за небольших размеров и максимальной мощности в 60W не выдержал перегрева.
Заключение:
Испытания показали, что есть измеряемое увеличение скорострельности при использовании МОП-транзисторов в боксе. Однако такой тест не в состоянии показать основной выгоды использования транзисторов – решения проблемы коррозии контактов. В AEG, использующих аккумуляторы высокой емкости рекомендуется всегда использовать транзисторы.
В наших тестах мы использовали транзистор IRF3707. Хотя он и справился со своими функциями, нагрев был достаточно заметен, поэтому мы рекомендуем подобрать транзистор с большими показателями максимальной мощности. Особенно, если используется аккумулятор более мощный, чем в нашей испытательной платформе.
Дополнение:
Наш читатель johnyew из Гонг Конга предположил, что из-за опечатки, мы использовали неверный транзистор. Возможно имелся в виду IRF3703, который значительно мощнее (230 W). Он также предложил использовать IRL1404 , который дешевле и показывает мощность в 200W.
И ещё по теме:
Перевод статьи Advanced Gearbox Tech II с сайта airsoftmechanics.com
Специально для Black Wolf Custom
Опубликовано с любезного разрешения редактора сайта Jay
Домой
