T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi

Transkript

1 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü LİSANS BİTİRME PROJESİ ELEKTROMANYETİK BOBİN SİLAHI ALİ HARMANKAYA SERHAT ÇELİK Danışman Doç. Dr. H. İbrahim OKUMUŞ Mayıs, 2013 TRABZON I

2 II

3 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü LİSANS BİTİRME PROJESİ ELEKTROMANYETİK BOBİN SİLAHI ALİ HARMANKAYA SERHAT ÇELİK Danışman Doç. Dr. H. İbrahim OKUMUŞ Mayıs, 2013 TRABZON I

4 II

5 LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU Ali HARMANKAYA, Serhat ÇELİK tarafından Doç. Dr. H. İbrahim OKUMUŞ yönetiminde hazırlanan ELEKTROMANYETİK BOBİN SİLAHI başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman : Doç. Dr. H. İbrahim OKUMUŞ Jüri Üyesi : Prof. Dr. A. Sefa AKPINAR Jüri Üyesi : Prof. Dr. İsmail. H. ALTAŞ Bölüm Başkanı : Prof. Dr. İsmail. H. ALTAŞ III

6 IV

7 ÖNSÖZ Bu bitirme projesinin son halini almasında yol gösterici olan kıymetli hocamız Sayın Doç. Dr. H. İbrahim OKUMUŞ a, hazırlanmasında emeği geçen Sayın Öğr. Gör. Dr. Emre ÖZKOP hocamıza Sayın Mesut TÜRKMEN ve Sayın Rahmankul DEVLETHAN kardeşlerimize şükranlarımızı sunmak istiyoruz. Ayrıca bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü ne Mühendislik Fakültesi Dekanlığına ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm Başkanlığına içten teşekkürlerimizi sunarız. Her şeyden öte, eğitimimiz süresince bize her konuda tam destek veren ailelerimize ve bize hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarımıza saygı ve sevgilerimizi sunarız. Ali HARMANKAYA Serhat ÇELİK TRABZON 2013 V

8 VI

9 İÇİNDEKİLER VII Sayfa No LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU... III ÖNSÖZ... V İÇİNDEKİLER... VII ÖZET... IX SEMBOLLER VE KISALTMALAR... XI ŞEKİLLER ÇİZELGESİ... XIII ÇİZELGELER... XV 1. GİRİŞ Bobin Silahının Çalışma Prensibi Literatür Çalışması Çalışma Takvimi TEORİK ALTYAPI Bobinli Fırlatıcı Tasarımına Etki Eden Faktörler Dış Demir Ferromanyetik Rondela ve Boru Manyetik Alan Çizgileri Rondelalar Rondela ve Boruda Relüktans Hesabı Direnç Etkisi Koruyucu Direnç Eklemek Akımı Sınırlayan Direnç Eklemek Sarj Direnci Eklemek Kapasitör Etkisi İndüktans Etkisi Çember Ekseninde Manyetik Alan Bobin Akımının Hesaplanması TASARIM Kullanılan Malzemeler Batarya Batarya Şarj Aleti Kapasitör Tristör Voltmetre Silah Kasası ve 3 Boyutlu Çizim Merminin Tasarımı Bobin Sarımı DC/DC Dönüştürücü Tasarımın Gerçeklenmesi Malzeme ve teçhizat... 20

10 4. DENEYSEL ÇALIŞMA SONUÇLAR YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME KAYNAKLAR EKLER ÖZGEÇMİŞ VIII

11 ÖZET Bu projede Coil Gun olarak adlandırılan elektromanyetik indüksiyonlu bobin silahı, tüm bileşen ve yönleri ile araştırıldı ve irdelendi. Projenin de amacı olan silahımıza yeterli atış kabiliyeti sağlayacak bileşenler tespit edildi. İmkanlar dahilinde temin edilen elemanlar ile gerçeklendi ve deneysel sonuçlar alındı. Bobin silahımız, silahın tabiatına bağlı olarak taşınabilir olması için enerjisini belirli bir güç seviyesine kadar bataryadan, deneylerde daha fazla güç kullanımında ise eklenen devre ile şebekeden alır. Belirlediğimiz bataryadan aldığı enerjiyi yeterli değerlere dönüştürür ve akabinde asıl projenin çıkış noktası olan bobin üzerinden deşarjın yapılması üzere kapasitelere şarj eder. Şarj edilen kapasiteler, anahtarlama devresi yardımı ile bobin üzerinden hızla deşarj edilir. Silah bu aşamada elektromanyetik teori de olduğu gibi bobinlerinden akan akım ile değişen ya da hareket eden güçlü bir elektromanyetik alan oluşturur. Namlu da tespit edilen noktaya konulan mermi, alanı takip ederek hedefe hızla isabet eder. IX

12 X

13 SEMBOLLER VE KISALTMALAR A : Amper V : Volt DC : Doğru Akım AC : Alternatif Akım VDC : Akım Gerilimi VAC : Alternatif Akım Gerilimi F : Kuvvet B : Manyetik İndüksiyon R : Direnç L : Endüktans C : Kapasitans f : Frekans N : Bobin Sarım Sayısı Q : Elektrik Yükü SCR : Tristör F : Farad H : Henry u : Mikro Ω : Ohm t : Zaman (saniye) E b : Batarya ile elde edilen gerilim E ş : Şebekeden elde edilen gerilim T b : Batarya ile dolum süresi T ş : Şebeke ile dolum süresi E m : Mermi kinetik enerjisi XI

14 XII

15 ŞEKİLLER ÇİZELGESİ Sayfa No Şekil 1. Ferromanyetik Rondela ve Boru... 4 Şekil 2. Manyetik Akı... 5 Şekil 3. Bobin Üzerinde Relüktans... 6 Şekil 4. Koruyucu Direnç... 6 Şekil 5. Akım Sınırlayıcı Direnç... 7 Şekil 6. Şarj Direnci... 8 Şekil 7. Yük-Gerilim Eğrisi... 8 Şekil 8. Kapasitör Grubu Şekil 9. Tristör Görünümü Şekil 10. Üç Boyutlu Çizim Şekil 11. Üç Boyutlu Çizim Şekil 12. Mermiler Şekil 13. Bobin Şekil 14. DA/DA dönüştürücü Şekil 15. Elektriksel Devre Şeması Şekil 16. Elektriksel Devre Şeması(şebeke akımı için) Şekil 17. Silah iç görünümü ve elamanların konumu Şekil 18. Silahın son hali (soldan görünüm) Şekil 19. Silahın son hali (sağdan görünüm) XIII

16 XIV

17 ÇİZELGELER Sayfa No Çizelge 1. Çalışma takvimi... 3 Çizelge 2. Malzeme Listesi XV

18 XVI

19 1. GİRİŞ Günümüzde askeri alanda teknolojinin gelişimiyle paralel olarak silah üretimi de farklı bir boyut almış ve bu boyutta hızla ilerlemektedir. Silah sistemleri ilkel jenerasyon olan ok ve kılıçtan nasıl barutlu jenerasyona geçti ise şimdi de baruttan, yanma ve patlamanın olmadığı elektromanyetik fırlatıcılı sistemlere geçmektedir. Elektromanyetik dalgalar günümüze kadar iletişim alanında karşımıza çıkmakta iken günümüzde teknolojinin getirileri ile farklı uygulama alanlarında da karşımıza çıkmaya devam edecektir. Bu uygulama alanlarından biride elektromanyetik fırlatıcılardır. Elektromanyetik fırlatıcılar günümüz de üzerinde amatör ve profesyonel olarak çalışmaların yoğun bir şekilde yapıldığı, uçak gemilerinde uçakların ilk hareketinin sağlanması, deniz altılarda torpidoların fırlatılması gibi örnekleri olan dikkat çekici teknolojilerdendir. Elektromanyetik fırlatıcıların çalışmasının temel ilkesi, elektromanyetik teoriye dayanır. Tasarladığımız elektromanyetik silah da değişen ya da hareket eden güçlü bir elektromanyetik alan meydana getirerek, hareket ettirmeye çalıştığımız manyetik iletken malzemenin(merminin) elektromanyetik alanı takip etmesini sağlamaktır. Elektromanyetik bobin silâhında, mermiyi hareket ettiren güç, manyetik alandır. Bobin teli üzerinden çok kısa süreli akan akım, manyetik yalıtkan özelliğine sahip olan namlunun üzerine sarılı bobin çevresinde bir manyetik alan ve akı oluşturur. Bu oluşan manyetik alanın oluşturduğu F kuvveti, namlu içerisine yerleştirdiğimiz manyetik iletkenliği yüksek olarak seçilmiş mermimizi fırlatır Bobin Silahının Çalışma Prensibi Batarya ile silaha enerji sağlanmıştır. Dönüştürücü ile 12V doğru gerilimi 150 V doğru gerilim e yükseltilir ve kapasite grubu bu gerilim seviyesine şarj edilir. Tetikleme devresi olarak SCR li yapı kullanılmıştır, kapasitenin üzerindeki yükün bobinlere aktarılması sağlanılır. Bu yük bobin üzerinden anlık bir yüksek akım akmasına yol açar. Akan akım, bobinin içerisinde oluşturduğu manyetik alan ile namludaki mermiye bir F kuvvet uygular. Uygulanan bu kuvvet durgun halde olan merminin belirli bir hız ile hareket etmesini sağlar. 1

20 Daha yüksek gerilim ve gücün şebekeden çekimi için silaha tam dalga köprü doğrultucu eklenmiştir. Bu işlem 12V batarya ve gerilim dönüştürücünün kapasite doldurma görevini gerçekleştirir Literatür Çalışması Elektromanyetik fırlatıcılar üzerine birçok çalışma yapılmış popüler bir alan olmakla beraber henüz istenilen seviyede kullanımı yoktur. Aşağı da benzer çalışmalar olan Ömür AKYAZI nın Elektromanyetik Fırlatıcılar ve Yusuf KILIÇ ın Bobin Silahı kısaca ele alınmıştır. Elektromanyetik Fırlatıcılar çalışmasında şebekeden alınan 220V, 12V a indirilerek kullanılmıştır. Bu çalışmada elektromanyetik fırlatıcıların çeşitlerinden olan birden fazla sargının senkronize kullanılarak oluşturulan modeli gerçeklenmiştir. Bu sistem fazla bobine sahip olmasının avantajıyla beraber bobinlerinin belirli sıra ve zamanlamayla enerjilendirilmesinin zorluğu ve hassasiyetinin dezavantajını taşımaktadır. Bobin Silahı çalışmasında ise bizim yaptığımız çalışmada olduğu gibi tek bobin kullanılmıştır. Önceki çalışmada da olduğu gibi bir kutu içine yerleştirilmiştir. Bu çalışmada şebeke kaynak olarak kullanılmış ve 0-220V gerilim kademesi köprü doğrultucu ile doğrultularak kullanılmıştır. Bu çalışmada istenilen atış kabiliyeti kazanılamamıştır. Bu çalışmalar bizim projemize ilham kaynağı olmuştur ki şöyle özetlenebir; iki çalışma farklı gerilimler, bobin sayısı, bobin veya mermi çapında çalışmışlardır ve bir takım kazanımlar sunmuşlardır. Bizde bu kazanımlardan yola çıkarak yüksek gerilim seviyeleri, küçük çaplı bobin ve mermi, az et kalınlığına sahip namlu, bobin akımını sınırlamak için kullanılan ekstra direncin kullanılmaması, taşınabilir olması için batarya ve dönüştürücü kullanarak silah kasasına yerleştirmek gibi tercihleri birleştirdik. 2

21 1.3. Çalışma Takvimi Yapılmış olan işin zamana göre dağılımı Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 1. Çalışma takvimi PROJE ADIMLARI Proje de iş ve görev paylaşımlarının yapılması Süre 1 Hafta Mart Nisan Mayıs Malzeme tedariki Literatür çalışması Boost konvertır yapımı Fly back konvertır yapımı Namlu ve bobin seçimi, sarımı Silahın toplanması Silah kasasının yapımı Deneysel çalışmalar Tezin yazımı 8 Hafta 3 Hafta 2 Hafta 1 Hafta 4 Hafta 3 Hafta 2 Hafta 7 Hafta 4 Hafta 3

22 2. TEORİK ALTYAPI 2.1. Bobinli Fırlatıcı Tasarımına Etki Eden Faktörler Dış Demir Ferromanyetik Rondela ve Boru Bobinin çevresindeki akı yoluna demir eklemek, toplam manyetik akıyı artırır. Ayrıca demir, akının namluya yoğunlaşmasını sağlar. Burada sadece iki uca düz rondela ve bobini demir bir boru ile sarmamız yeterli olacaktır. Şekil 1 de ferromanyetik rondela ve boru ile sarılmış bobinin kesiti verilmiştir. Şekil 1. Ferromanyetik Rondela ve Boru Manyetik Alan Çizgileri Manyetik akının büyük kısmı rondela ve borular üzerinden taşınmaktadır. Şekil 2 de görüldüğü gibi dış alan iç alana göre oldukça zayıftır. 4

23 Şekil 2. Manyetik Akı [1] Şekil 2 demir boru tarafından sarılmış bir bobinin enine kesitidir. Bobin içerisinde koyu renkte görünen mermi bulunmaktadır. Dıştaki koyu çizgiler ise demir boru ve rondela aksamını göstermektedir. Merminin uç kısımları incelendiğinde mekanik gerilme görülecektir ki hareketi sağlayanda budur Rondelalar Bobinin sağ ve sol uçlarındaki, bobini çevreleyen ferromanyetik malzemeyi akı yolu oluşturacak şekilde tamamlayan kısımlara rondela denir. Çalışmamızda kullandığımız rondelamız ferromanyetik özelliktedir. Hava boşluğu kaybı yaşanmaması için rondelaların boruya boşluksuz sıkıca temas etmesi gerekmektedir Rondela ve Boruda Relüktans Hesabı Bobin ve çevresinde boru ve rondelalar manyetik devre olarak gösterilebilir. Elektrik devresi ve manyetik devre Şekil 3 de görüldüğü gibi birbirine benzerdir. Relüktansı direnç, akıyı akım, mmk (manyeto motor kuvveti)yı voltaj olarak ifade edebiliriz. 5

24 Şekil 3. Bobin Üzerinde Relüktans Direnç Etkisi Koruyucu Direnç Eklemek Tetiklemenin gerçekleşmemesi durumunda kapasitemizin boşalabilmesi için şekil 4 de de gösterildiği gibi paralel yüksek değerli bir direnç eklememiz gerekmektedir. Eğer küçük değerli bir direnç eklersek kapasitemiz kısa zamanda koruyucu olarak koyduğumuz direnç üzerinden boşalır. Kapasiteler, bizim kontrolümüz dışında hızlı bir şekilde boşalmamalı. Şekil 4. Koruyucu Direnç Akımı Sınırlayan Direnç Eklemek kapasiteden boşalan akımın tristör anlık akım değeri üzerine çıkması, yapılan hesaplarda öngörüşmüşse sınırlayabilmek için küçük değerli bir direnç gerekmektedir. 6

25 Seçilen direncin büyük olması kapasitenin anlık değil de yavaş boşalmasına sebep olacaktır. Akımı sınırlayacak direnç Şekil 5 de gösterildiği gibi devreye seri bağlanacaktır. Seçilen direnç değeri ile tristör üzerinden akacak maksimun akım değeri dikkate alınmalıdır. Bobin üzerinden akacak akımın, manyetik alanın değerini belirleyeceğini ve bu manyetik alan ile oluşacak F kuvvetinin mermiye hız kazandıracağını unutmamalıyız. Bobinin üzerinden çok yüksek akım geçeceğinden kısa süreli bile olsa direnç ısınır. Direnç büyüklüğü ile birlikte bu direncin gücü de önemlidir. Devrede direnç küçülürse kapasitör yükünü hızlı bir şekilde bobin üzerinden boşaltır. Fakat direnç aşırı küçülürse farklı problemler ortaya çıkabilir. Böyle bir durumda devre ossilasyona girer ve enerji kapasitör ve bobin arasında gidip gelir. Ossilasyon olayı bizi fazla etkilemeyecektir, çünkü fırlatılacak mermi bobin enerjisinin çoğunu absorbe ederek ossilasyonu oluştura enerjiyi ihmal edilecek bir seviyeye düşürür. Şekil 5. Akım Sınırlayıcı Direnç Bobin akımı çok kısa süreli olduğunda mermi akımdan önce hareket eder. Böyle bir durumda hareket zamanında bobinden akım akmayacaktır, çünkü aynı anda mermi bobin boyunca hareket eder. Bobin akımımız çok uzun süreli olursa mermi bobinin orta noktasını geçtikten sonra tekrar geri çekilir. Yani mermi-bobin kombinasyonu için doğru zamanlama bizim için çok önemli ve yapılması gereklidir Şarj Direnci Eklemek Kullanacağımız kapasite dolumu esnasında dönüştürücü kontrolsüz aşırı bir akım çekecektir. Kapasitenin çekeceği aşırı akımı dönüştürücümüzden karşılayamayacağından araya eklenen direnç yardımıyla akım kontrol altına alınacaktır. Eklenen direnç bizim akımı sınırlamamızın yanında kapasitenin dolum süresini de kontrol etmemize yardımcı 7

26 Yük ( Coulomb ) olacaktır. Eklenen direnç, dönüştürücünün verebileceği akımı geçmemizi engellemeli ve kapasite dolum süresinin minimum değerde tutulmasını sağlamalıdır. Şarj direncinin kullanımı Şekil 6 da gösterilmiştir. Şekil 6. Şarj Direnci Kapasitör Etkisi Kapasitörde gerilim ile kapasite arasındaki bağıntı: Q=C U dir. Yük-gerilim değişimi Şekil 7 de gösterilmiştir. Gerilim ( Volt ) Şekil 7. Yük-Gerilim Eğrisi Q: Elektrik yükü (Coloumb) C: Kapasite (Farad) U: Voltaj (Volt) 8

27 Kapasite seçerken dikkat edeceğimiz husus yüksek gerilim değerlerine uygun seçilmesi, (çok yüksek gerilim değerlerinde manyetik doyuma girileceği akıldan çıkarılmamalıdır.) ayrıca LC devrelerinde rezonans frekansına dikkat edilmelidir İndüktans Etkisi (2.1) Bu eşitlikten yararlanarak enerji aktarım hızı hesaplaması yapılabilir. C veya L den birini veya her ikisini de büyülterek rezonans frekansını azaltabiliriz. Bu eşitliği LC devreleri için kullanırız. Bobin silahında L indüktansı sabittir ama merminin yerleştiği konuma göre değişir. Merminin konumu manyetik alanın yönü üzerinde etkilidir. Bobinin sarım sayısı N yi artırmamızda, bobini sarmış olduğumuz telin kesitini artırdığımızda, sarılan bobinin sarımlarının sık, daha kısa bir makara üzerinde daha kalın et kalınlığı oluşturulması durumunda (sarımlar üst üste gelirse), bobinin endüktans L değeri artar. Bobin telin üzerindeki nüve manyetik özellikte olmaması durumunda manyetik alan daha fazla olur Çember Ekseninde Manyetik Alan Z eksenindeki alanı Biot-Savart kurallarını kullanarak elde edelim.bunun için sadece db nin z bileşenini bulmak bizim için yeterli olacaktır. Çünkü bu eksendeki toplam alan z yönünde bir noktada olmalıdır. cos = dir. (2.2) b:sargının yarıçapı Yarıçap boyunca db nin integrali alınarak toplam alan B bulunur. = cos = (2.3) 9

28 İntegral bölümü çemberdeki telin halka uzunluğunu göstermektedir. Herhangi bir noktada eksen üzerindeki alan ise; burada ( r nin b ve Z nin fonksiyonudur) B= dir. (2.4) Burada; r, Z den çembere olan uzaklıktır. Pisagor teoremini hatırlayın. yazılabilir. Sonuç olarak B alanı için aşağıdaki eşitlik (2.5) Bu eşitlik z eksenindeki herhangi bir noktadan b yarıçapındaki çembere doğru olan manyetik alanı verir. Eğer çember içine demir gibi herhangi bir cisim sokulacak olursa bu alanın değişeceği de unutulmamalıdır [1] Bobin Akımının Hesaplanması Mermiye gerekli hızı kazandırmak için bobin üzerinden akıtacağımız akım değerini RLC devrelerinde kritik sönüm akımı hesabıyla yapabiliriz. Burada hesaplayacağımız akım değeri (ka)lar seviyesinde olup (ms)ler seviyesinde ki bir sürede akacaktır. Genel olarak, kapasitörün boşalma için zamanın bir fonksiyonu olarak geçerli olduğu: I(t) t (2.6) Bir kritik-sönümlü RLC devresi için belirli bir direnç kullanılarak basitleştirilmiştir. Direncimiz R : (2.7) R=2 (2.8) Biz bu değeri kullanarak α yı kolaylaştırabiliriz: 10

29 = (2.9) Zincir kuralıyla I(t) nin ilk türevini bularak başlayalım [f * g] '= f'g + fg': I (t)= [ t( (- )] (2.10) Şimdi t yi bulmak için I(t) nin ilk türevini sıfıra eşitleyelim : 0= [ -ct ] (2.11) 0= [1-ct] (2.12) 0=1-c*t (2.13) t= = = (2.14) I Max = ( ) (2.15) I Max =Vo (2.16) I Max = (2.17) [2] 11

30 3. TASARIM 3.1. Kullanılan Malzemeler Batarya Bobin silahımız da enerji, silahın taşınabilirliği için küçük ebatlara sahip kolayca taşınabilen ve kolayca sökülüp takılabilen bir bataryadan sağlanılacaktır. Benzer çalışmalarda enerji, şebekeden çekilen AC akıma doğrultma işlemi uygulayarak sağlandığı da vardır fakat biz bu yöntemi kullanmayı yukarıda bahsi geçen yerlerde belirttiğimiz üzere tercih etmedik. Bataryamız, Airsoft oyunun da kullanılan elektrik aksamı ve basınçlı hava kullanımı ile boya boncuğu ( paintball ) fırlatan Airsoft Gun bataryası olma özelliğine sahiptir. Özellikleri: Yüksek kapasiteli 12V 5000mAh Nikel Metal Hidrit (NIMH) Batarya Paketi Tamamen deşarj gerek kalmadan her zaman şarj edilebilir. Özellikle güç yoğunluğu ve uzun bir çalışma süresi için Airsoft silahlar için tasarlanmıştır. Hızlı Şarj Teknik Özellikleri: Voltaj : 12V Maksimum Deşarj Hızı : 40 A Boyutlar: En 48 mm; Kalınlık 25 mm; Uzunluk 225 mm Ağırlık: 721g Batarya Şarj Aleti Silah için seçtiğimiz bataryayı şebekeden şarj edebilmek için kullanılmıştır. 12

31 Kapasitör Yalıtkan malzemenin iki metal tabaka arasına koyularak temel elektrik ve elektronik devre elemanıdır. Günümüzde kapasite, sığa gibi isimlerle anılırlar. AC/DC arasında dönüşüm yaparken, tüm entegre elektronik devrelerinde çoğunlukla kullanılır ayrıca bilgi kaybını engellemede kullanılırlar. Kondansatörlerin karakteristiklerini belirlenirken yalıtkanın cinsi, çalışma ve dayanma gerilimleri ve depolayabildikleri yük miktarlarına bakılarak uygun kondansatör seçilir. Tasarımda dört adet 2200 µf lık kondansatör kullanılmıştır. Kapasiteler seri bağlanmştır. Kullanılan kapasiteler Şekil 8 de görülmektedir. Şekil 8. Kapasitör Grubu Tristör Anot, Katot, Gate adı verilen üç ayaklı, iç yapısında (P-N-P-N) olarak dört yarı iletken tabakadan oluşmaktadır. Hem DC hem AC gerilimde çalışırlar. SCR olarak da isimlendirilirler. Gate tetikleme akımı uygulanmadığında anot-katot arası direnç çok yüksek olduğundan anot-katot arasından yük akımı geçemez. Bu olay bize tristörün yalıtkan olduğunu gösterir. 13

32 Gate tetikleme akımı uygulandığında anot-katot arası direnç çok düşük olduğundan anotkatot arasından yük akımı geçer. Bu olay bize tristörün iletken olduğunu gösterir. Yüksek güçlü tristörlerde anotun geniş taban üzerine monte edilmesinin sebebi tristörün hem kolay soğutulmasını hem de kolay monte edilmesini sağlamaktır. Katot ucunda çok yüksek akım aktığından kalın bir kablo ile kaplayıp gate ucu ise küçük akımdan dolayı ince bükülebilir kablo kullanılır. Tristörler iletken olduğu zaman besleme voltajı devam ederse sürekli iletimde kalır. Bu çalışmada anlık yüksek akımlar akıtılacak olduğundan Şekil 9 da görülmekte olan kordon tipi transistör kullanılmıştır. Tristörün nominal akım ve gerilim değerleri ile tetikleme değerlerini bulabileceğimiz bilgi sayfası EK 2 de verilmiştir.. Şekil 9. Tristör Görünümü Voltmetre Silahımızda kapasite 400 V a kadar doldurulabilmektedir. Kapasitelerin dolumunu da V skalalı silaha monte edilmiş Slim DC voltmetre ile gözlemliyoruz. Voltmetremiz basit sadece kapasitelerdeki voltaj artışını görmek amaçlıdır. Voltmetrenin çalışma gerilimi 9 V dir. 14

33 Silah Kasası ve 3 Boyutlu Çizim Projede yüksek akım ve yüksek gerilim kullandığımızdan dolayı güvenlik açısından yalıtkan bir kasa kullanılmıştı. Şekil 10 ve Şekil 11 de silah kasası için tasarlanmış üç boyutlu çizimleri verilmiştir. Şekil 10. Üç Boyutlu Çizim1 Şekil 11. Üç Boyutlu Çizim2 15

34 Merminin Tasarımı Mermi, bobin boyunda ve farklı boylarda olmalıdır. Çapı ise namlunun içinde sürtünmenin minimumda kalma şartıyla en geniş çapta seçilmiştir. Mermi ferromanyetik malzeme olan çelikten yapılmıştır. Bu çalışmada Şekil 12 de gösterilmiş olan altı farklı mermi ile atış yapılmıştır. D, E ve F mermilerinde istenilen atışlar yapılmış fakat diğer mermilerde ağırlığın artışıyla ciddi derece de hız düşüşü olmuştur. Şekil 12. Mermiler Bobin Sarımı Bobin 4mm 2 kesitli emaye tel ile dört kat ve her katta 13 sarım olacak şekilde sarılmıştır. Çapı ve sarım sayısı, farklı bobinler sarılmış ve denenmiştir. Son olarak Şekil 13 de verilen bobinin kullanılmasına karar kılınmıştır. 16

35 Şekil 13. Bobin DC/DC Dönüştürücü Batarya gerilimi yeterli olmadığı için 12V gerilimi V a çeviren 40W gücünde DC/DC dönüştürücü yapılmıştır. Dönüştürücü olarak boost konvertır kullanılmıştır. Fly back konvertır çalışması da yapılmıştır ancak sürenin yetersizliğinden istenilen sonuca ulaşılamadan çalışması bitirilmiştir. Çalışmada kullanılan dönüştürücü Şekil 14 de verilmiştir. Şekil 14. DA/DA dönüştürücü 17

36 3.2. Tasarımın Gerçeklenmesi Silaha gerekli olan enerji, taşınabilir küçük ebattaki 12V gerilimli bataryadan alınır. Silah yüksek gerilim ve yüksek akımda çalışacağı için düşük gerilime sahip batarya gerilim seviyesi olarak yetersizdir. Batayanın gerilimi 150V seviyelerine çıkarılmak için gerilim dönüştürücüye bağlanmıştır. Dönüştürücümüz 150V 40W değerlerine sahiptir. 300V seviyelerinde çalışma için ise şebekeden yararlanılmıştır. Çalışmada 4 adet 2200uF lık kapasiteler kullanılmıştır. Kapasiteler paralel bağlanarak C (yük) değeri arttırılmış, dolayısıyla, Q=CV (3.1) Denkleminden Q yükü de arttırılmıştır. C=4X2200uF, C=8800uF Q=1.32 cloumb Kapasite dolum süresi: E=V(1-e -t/rc ) (3.2) E b =150 Volt, V b =160 Volt T b =25-30sn E ş =300 Volt, V ş =310 Volt T ş =10-15sn Kapasite enerjisi: E k :Kapasite enerji E k =(1/2)CV 2 (3.3) E k,b =99 joule E k,ş =396 joule Doldurulan kapasite çok kısa süre içinde bobin üzerinden boşalır. Boşaltımda ki akım manyetik alanımızı oluşturup mermiye hız kazandırır. Bobin maksimum akımı: 18

37 I max (3.4) L=16uH, R=100mohm Imax=1.15kA (150V) Imax=2.3kA (300V) Bobin boşalma süresi: (3.5) T=2.36m sn Silahta oluşan manyetik alan gerek mermi konumundan gerekse bobin sarımından etkileneceği için burada manyetik alan hesabı yapılmamıştır. Hedeflenen mermi hızı tümden gelinerek aşağıda hesaplanmıştır. Hesap yapılırken amacımız olan verim değerleri göz önüne alınmıştır. Yapılan araştırmalarda benzer özelliklere sahip silahların verimleri %1-3 arasında olduğu tespit edilmiştir. Silahta %2 ve üstü verim hedeflenmiştir. Buradan: E m : mermi kinetik enerjisi E m =(1/2)mV 2 (3.6) Verim=%3 E m =(%3)E k m=10gram V: mermi hızı E m,b =3joule, E m,ş =33joule, V b =24.5m/sn Vş=49m/sn Burada bataryadan ve şebekeden olmak üzere her iki kaynağın kullanımı ele alınmıştır. Aşağıda Şekil 15 ve Şekil 16 da verilen devreler kullanılan her iki kaynağın bağlantılarını göstermektedir. İki devre silah da mevcuttur ve gerekli anahtarlamalarla da birbirinden izole edilmiştir. 19

38 Şekil 15. Elektriksel Devre Şeması Şekil 16. Elektriksel Devre Şeması(şebeke akımı için) 3.3. Malzeme ve teçhizat Malzeme ve fiyat analizi sonucunda Çizelge 2 deki malzeme fiyat listesi çıkarılmıştır. Bu malzemeler tedarik edilirken optimum maliyet esasına göre hareket edilmiştir. * ile belirtilen malzemeler Karadeniz Teknik Üniversitesi, elek-elektronik müh bölümü laboratuar envanterinden geri iade edilmek üzere temin edilmiştir. 20

39 Çizelge 2. Malzeme Listesi Sıra No Malzeme adı Miktarı ve birimi Toplam tutarı (TL) 1 Capasitör 4 * 2 Batarya 1 * 3 SCR 1 * 4 Pil Anahtar Gövde yapım malzemesi Mermi 5 * 8 Bağlantı elemanları * 9 Bobin teli 2(5m) DC-DC Converter malzemesi Voltmetre Batarya şarj aleti 1 30 Toplam

40 4. DENEYSEL ÇALIŞMA Silahın gücünü test etmek için farklı çapta bobinler sarılarak denendi. Büyük çapta mermi atmak için hazırlanan bobinler ile kullanılan enerjinin istenilen atışı gerçekleştiremediği, küçük çaptaki mermi için sarılan bobinlerle silahın gücünün yeterli olduğu görüldü. Gerilim seviyelerinin değiştirilmesiyle yapılan atışlarda gerilim artışının akımı ve manyetik alanı arttıracağından da beklendiği üzere mermi hızı artmıştır. Mermi tasarımı başlığı altında belirtilen çeşitli boylarda ki mermiler ile deneyler yapılmıştır. Mermi boyunun artmasıyla ağırlığın arttığı ve buna bağlı olarak hızın azaldığı gözlemlenmiştir. Yapılan deneylerde merminin namlu içerisindeki konumunun önemli olduğu tesbit edilmiştir. Mermi bobinin içerisine tam olarak girmemeli, bir kısmının atış yönünün tersine bobin dışında olmalıdır. Gerilim dönüştürücü yapımında ise çekilen akımın kısa devre akımı mertebelerinde olmasına bağlı sıkıntılar gözlemlenmiştir. Bunlar akım çekilen bataryanın o akım değerine cevap verip verememesidir. Bataryanın yetersiz olması durumunda giriş geriliminin düştüğü ve buna bağlı olarak devrenin ya istenileni veremediği yada çalışmadığıdır. Batarya yeterli olması durumun da ise devrede kullanılan elemanların, devre akım ve gerilim değerlerine uygun olup olmadığı önemlidir. Yetersizlik durumunda ise elemanlar da aşırı ısınma ve yanma gözlemlenmiştir. Elemanlar dikkatli seçilmediğinde veya fazla yüklenmede soğutma işlemi yapılmalıdır. 22

41 5. SONUÇLAR Bu çalışma, taşınılabilir ve silah şekli verilmiş yeterli atış kabiliyetine sahip elektromanyetik bobin silahı üretmek için yapılmıştır. Projenin sonunda ise alınması planlanan ama alınamayan DC/DC dönüştürücünün düşük değerlere sahip benzerinin yapılması ile daha alt gerilim seviyelerinde batarya ile çalışan, yüksek seviyeler için şebekeden aldığını doğrultup kullanan bir elektromanyetik silah üretilmişti. Silah, her iki devreyi bünyesinde barındırmaktadır. İki devre gerekli anahtarlamalar ile birbirinden izole edilmiştir. Silah enerjisini bataryadan da alsa şebekeden de alsa direnç değerleri ile belirlenmiş süre içerisinde kapasitelerini doldurur. Doldurulan kapasitelerin anlık gerilim seviyeleri silah üzerine monte edilmiş DA voltmetre ekranından görülebilmektedir. Voltmetre ve tristör tetiği silaha yerleştirilen 9V luk pillerin anahtar üzerinden bağlanmasıyla beslenmektedir. Tristörün tetiklenmesi için bilgi sayfasından alınan değerlere göre push-pull anahtar ile tetik yapılmıştır. Şebeke bağlantısı, batarya bağlantısı, dönüştürücü kapasite bağlantısı, voltmetre besleme ve tetik besleme toggle anahtar ile anahtarlanmıştır. Bobin sıkı sarılmış ve hava boşluğu en aza indirilmeye çalışılmıştır. Ayrıca dış demir ve rondelalar yapılarak kullanılmıştır. Son olarak tasarlanmış olduğu gibi silah kasası yalıtkan malzemeden seçilerek önceden belirlendiği gibi elamanlar ilgili yerlere konarak silah tamamlanmıştır. Silaha ait devre elemanlarının kasa içerisindeki yerleşimi Şekil 17 de görülmektedir. Silahın kasa montajı ve boya işlemlerinden sonra ki hali Şekil 18 ve Şekil 19 da farklı açılarla yer almaktadır. 23

42 Şekil 17. Silah iç görünümü ve elamanların konumu Şekil 18. Silahın son hali (soldan görünüm) 24

43 Şekil 19. Silahın son hali (sağdan görünüm) 25

44 6. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME Daha verimli bir çalışma için; bobin endüktansı, kondansatör kapasitesi, çalışma gerilimi değerleri en uygun değerlerde seçilmelidir. Bobin devresinde akım değerinin zarar verecek değerlere ulaşmaması durumu göz önünde bulundurularak akım sınırlayan direncin kullanılmaması yada minimum değeri seçilmeli. Direnç değerleriyle güç değerleri de önemlidir, az olması durumunda ısınma ve yanma problemleri oluşabilecektir. Hava boşluğu, dolayısı ile manyetik relüktans minimuma indirilmeli. Namlu sürtünmesi az ve et kalınlığı az olan ferromanyetik malzemeden seçilmeli. Bobin ferromanyetik boru ve rondela ile hava boşluğu minimum seviyede tutularak sarılmalı. Bobin düzgün ve sıkı sarılmalıdır. Kullanılacak kondansatörün gerilim değeri, güvenlik amaçlı, beslemeyi düşündüğümüz maksimum DC geriliminden yüksek olması gereklidir. Tristör seçimi yapılırken farklı gerilim değerlerinde oluşacak anlık akım değerleri dikkate alınmalı ve bilgi sayfasından kontrol edilmelidir. Konvertır yapımında elemanların seçimi akım değerleri dikkate alınarak seçilmelidir. Isınmalar ve elemanların ısınmaya bağlı bozulmaları olacaktır. 26

45 KAYNAKLAR [1]. ANDREWS J. A. and DEVİNE J. R., Armature Desıgn For Coaxıal Inductıon Launchers, IEEE Magnetics Society, vol. 20, pp , Jan [2]. Kumar K. S. Suresh, Electric Circuits and Networks: For GTU: Rc and RLC circuits in time-domain. India. 27

46 EKLER EK-1 STANDARTLAR ve KISITLAR FORMU Bitirme Projesinin hazırlanmasında Standart ve Kısıtlarla ilgili olarak, aşağıdaki soruları cevaplayınız. 1. Projenizin tasarım boyutu nedir? Açıklayınız. Silahımız, 54 cm boyunda, 20 cm genişliğinde ve 7 cm derinliğindedir. 2. Projenizde bir mühendislik problemini kendiniz formüle edip, çözdünüz mü? Projede ihtiyaç duyulan mühendislik çözümleri başka çalışmalarda yapılmıştır. Bu çalışmalar ihtiyaçlar doğrultusunda gerektiği kadar incelenip çözümler oluşturulmuştur. 3. Önceki derslerde edindiğiniz hangi bilgi ve becerileri kullandınız? Power Electronic Circuits ve Elektromanyetik Alanlar derslerinden manyetik alanlar teorisi, DC/DC kovertır, güç elektroniği devrelerinin anahtarlanması gibi bilgileri kullandık. 4. Kullandığınız veya dikkate aldığınız mühendislik standartları nelerdir? Öncelik silaha atış kabiliyetini vermekti ve bu önceliğimiz göz önünde bulundurularak optimum maliyet ve kaliteye dikkat edildi, ayrıca silahın ergonomik olması önemli. Elektrik çarpmasına karşı TSE nin tarihli ve sayılı TST EN kutular ve muhafazalar standartlarına, IEC in Elektrik çarpmasına karşı koruma ve IEC in Elektrik çarpmasına karşı koruma maddelerine uygun yapılmıştır. Mekanik dayanıklılıkta için IEC in mekanik dayanıklılık ile ilgili maddesi göz önünde bulundurulmuştur. Güç besleme birimlerinin ve bunların birleşiminin güvenliğinde; toz, katı cisimler ve nemin zararlı girişine karşı korumada IEC in Toz, katı cisimler ve nemin zararlı girişine karşı koruma maddesi uygulanmıştır. Bobin sarımında aşırı ısı ve akıma dayanıklı IEC standartlarına uygun Bemterm H tip kablo kullanılmıştır. 1

47 5. Kullandığınız veya dikkate aldığınız gerçekçi kısıtlar nelerdir? a) Ekonomi Projemiz aslında amatör üretimlerin yapıldığı, piyasası olmayan, gelecek vadeden silah çalışmasıdır ve piyasa da emsal teşkil edebilecek bir benzerinin olmaması nedeniyle ondan daha az maliyetle yapalım gayretimiz olmadı. Gayretimiz, kullanacağımız parçaların daha az maliyetli olanlarını seçmek ve elimizde bulunan malzemelerin işimize yarayanları kullanmak olmuştur. b) Sürdürülebilirlik: Proje, daha profesyonel ekipler ile kurum ve kuruluşların ar-ge olanakları ve bütçeleri ile daha verimli hale getirilirse sürdürülebilir. c) Üretilebilirlik: Silah daha etkili hale getirilir ve piyasası oluşturulursa ülkemiz piyasasında var olan malzemeler ile üretilebilir. d) Güvenlik: Tasarlanan proje yüksek gerilim ve akımda çalışmaktadır. Operatör can güvenliğini tehlikeye atmamak için bütün önlemler alınmıştır. Herhangi bir temas veya arıza durumunda sistemin en güvenilir olması için üstün çaba sarfedilmiştir. Projenin Adı Projedeki Öğrencilerin adları Elektromanyetik Bobin Silahı Ali HARMANKAYA, Serhat ÇELİK Tarih ve İmzalar 2

48 EK-2 TRİSTÖRE AİT BİLGİ SAYFASI Tristörün bağlantı şeması Şekil E.2.1 de gösterilmiştir. Şekil E.2.1. Tristörün Bağlantı Şekli Şekil E.2.2. Tristörün Gate Ucunun Karakteristik Eğrisi 3

49 Kullanılan tristörün gate ucu karekteristiği Şekil E.2.2 de bilgi sayfası ise Şekil E.2.3 de verilmiştir. Şekil E.2.3. Tristör Bilgi Sayfası 4

50 ÖZGEÇMİŞ Ali HARMANKAYA 1990 da Ankara da doğdu. İlk ve orta öğrenimini Ankara da Öğretmen Abdullah İlköğretim Okulu nda, lise öğrenimini yine Ankara da Pursaklar Lisesi nde tamamladı yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde Lisans Programı na başladı. Halen lisans eğitimine devam etmektedir. Yabancı dil olarak iyi derecede İngilizce bilmektedir. Serhat ÇELİK tarihinde Gümüşhane de doğdu. İlk ve orta öğrenimini Gümüşhane nin Kelkit ilçesinde M. Maruf Şahin İlköğretim Okulu nda tamamladı. Lise eğitimini Kelkit Lisesi nde tamamladı yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü nde lisans programına başladı. 5