Lançar uma cápsula de canhão a distâncias de muitos metros usando a energia armazenada em um capacitor e convertida em um campo magnético é o objetivo deste projeto.
Nota: Esta versão do artigo que aparece também no site como Canhão por Descarga Capacitiva (MEC136) além de outras, é a tradução do meu próprio artigo que saiu no livro Mechatronics for the Evil Genius (TAB 2006) que no fundo é uma adaptação do artigo original em português indicado acima. Algumas modificações foram introduzidas, assim como ideias adicionais segundo a estrutura pedida pela editora da série Evil Genius.
O canhão eletrônico pode ser adicionado ao seu robô de combate como uma arma eficiente para destruir os inimigos em uma guerra de robôs ou pode fazer parte do seu exército de soldados de papelão ou plástico estacionários. Participe de uma guerra envolvendo dois exércitos, um comandado por você e o outro comandado por um amigo, como sugere a Figura 1.
Obviamente, o projétil não é pesado o suficiente para ferir alguém. É um pequeno pedaço de madeira, plástico ou mesmo uma ervilha. A eficiência do canhão e a distância em que disparará depende apenas da habilidade do montador em montar o canhão.
Na versão básica, mostrada na Figura 2, o canhão tem potência suficiente para lançar um pequeno projétil a distâncias de alguns metros e pode ser usado como brinquedo, em demonstrações e até mesmo em aulas de ensino de balística, física ou mecânica.
O circuito pode ser construído de várias maneiras, de acordo com o grau de dificuldade que o leitor deseja para o projeto.
Objetivos
• Mostre como funciona um solenoide.
• Estude a conversão de energia e como a energia pode ser armazenada em um capacitor.
• Realize experimentos com balística.
• Realize combate ou guerra entre exércitos usando canhões como armas (o vencedor será aquele que calçar mais soldados inimigos).
• Projete uma competição em que o desafio seja construir o canhão que pode lançar o projétil a maior distância.
Como funciona
Quando uma corrente elétrica flui por um fio, um campo magnético é criado. Exploramos essa ideia em nosso eletroímã no Projeto 6. O campo magnético pode ser reforçado se o fio formar uma bobina, como mostra a Figura 3.
Se um pedaço de qualquer metal magnético for colocado perto da bobina, uma força magnética atrairá o pedaço de metal quando a corrente fluir através da bobina. Este é o princípio de operação de um solenoide, conforme mostrado na Figura 4.
Os solenoides são usados para abrir portas, para mover peças mecânicas de muitos aparelhos, como CD players e DVDs, e para abrir e fechar válvulas de água em roupas e máquinas de lavar louça.
Se o solenoide for forte o suficiente para puxar um pequeno pedaço de metal através do núcleo, ele pode lançar um objeto a uma boa distância, conforme mostrado na Figura 5.
Este é o princípio por trás de nosso canhão magnético. Um pequeno solenoide recebe corrente suficiente para puxar o núcleo de metal muito rápido e com força suficiente para lançar a cápsula do canhão. Como a potência do canhão depende da quantidade de corrente aplicada à bobina, um circuito especial é usado. O objetivo deste circuito é gerar um poderoso pulso de corrente usando a energia armazenada em um capacitor.
Este circuito é formado por um pequeno transformador que gera uma baixa tensão CA. Esta tensão CA é retificada por diodos e usada para carregar um grande capacitor.
Quanto maior for o capacitor, mais energia pode ser armazenada. Usando capacitores na faixa de 10.000 e 30.000 uF, muito mais energia pode ser armazenada do que pode ser gerada por pequenas células ou outras fontes elétricas. Isso é verdade especialmente considerando que a energia deve ser fornecida muito rapidamente. A principal limitação do uso de capacitores como fonte de energia é que eles podem gerar grandes quantidades de energia, mas apenas em velocidades muito lentas.
Nota: quando este artigo foi escrito ainda não existiam os supercapacitores. Que tal aumentar o desempenho de seu canhão com este tipo de componente?
Quando o capacitor é conectado à bobina, a descarga dura apenas alguns milissegundos, mas uma corrente intensa fluirá, produzindo um forte campo magnético. Esse campo é suficiente para puxar o núcleo de metal com tal força para lançar uma bala, como mostra a Figura 6.
Calculando a potência
É fácil calcular quanta energia o capacitor pode fornecer quando conectado ao canhão. A quantidade de energia armazenada em um capacitor é dada pela seguinte fórmula:
E = C x V²
Onde:
E = energia armazenada em joules (J)
C = a capacitância em farads (F)
V = a tensão através do capacitor (V)
Para 10.000 µF (10.000 x 10-6 F = 0,01 F) carregado com 30 volts, a energia é
E = 1/2 x 0,01 x 30 x 30
E = 0,01 x 225 = 22,5 joules
Se a energia é fornecida pelo canhão em 0,1 segundos, o poder instantâneo da arma é
P = 22,5 / 0,1 = 225 watts (ou cerca de 1/3 CV)
lembre-se de que a potência é a energia liberada por unidade de tempo, portanto, a potência em watts também pode ser expressa em joules por segundo (J / s).
Claro, o tempo de descarga é muito curto, mas ao longo de um tempo finito, pois os fios usados na bobina têm alguma resistência. Imagine como esses pequenos canhões podem ser poderosos!
Manuseando Grandes Correntes
Um problema a ser considerado é como lidar com as correntes muito altas durante a descarga do capacitor usando componentes comuns. Primeiro, para ter uma descarga tão rápida do capacitor, a bobina deve ter uma resistência muito baixa.
Em nosso circuito, o capacitor carrega com uma tensão de cerca de 36 volts (pico de 24 VAC), e a bobina do canhão tem apenas 0,8 ohms de resistência, conforme mostrado pelas medidas tomadas com um multímetro digital mostrado na Figura 7.
Se considerarmos apenas a resistência em ohms e não a indutância, quando o capacitor é conectado na bobina, a corrente pode chegar a um pico de 40 amperes ou mais. Os interruptores comuns não conseguem lidar com esse nível de corrente sem superaquecer (e queimar os contatos) em apenas alguns usos.
Assim, a solução adotada para controlar a descarga do capacitor é a utilização de um retificador controlado de silício (SCR). Os SCRs comuns, como o TIC106, operam como chaves eletrônicas e podem controlar correntes contínuas de até 4 amperes e podem suportar picos muito curtos, como os produzidos pelo nosso circuito, de 100 amperes.
Portanto, a ideia neste projeto, conforme mostrado na Figura 8, é usar um SCR como a chave para acionar o canhão. Isso torna o uso de interruptores de baixa potência e até mesmo sensores (como resistores dependentes de luz [LDRs]) para acionar o canhão adequado. Você pode usar uma lanterna como controle remoto para acionar seu canhão.
Outro problema a ser considerado no projeto é que, uma vez disparado, o SCR permanece no estado ligado, mesmo depois que o pulso de disparo desaparece. Para desligar o SCR, é necessário fazer com que a tensão no circuito caia para zero por um instante. Para fazer isso, você precisa desconectar a energia. Mesmo depois que o capacitor descarrega, a tensão não cai para zero por conta própria, devido à presença do circuito de carga. Portanto, é necessário desconectar este circuito antes de cada utilização do canhão. Um interruptor é adicionado para manter o circuito conectado durante o tempo em que o capacitor está carregando.
Como construir
A versão básica do canhão eletrônico é uma arma poderosa que pode lançar projéteis a distâncias de até vários metros, dependendo das habilidades do montador. Uma versão de baixa potência alimentada por células também será explorada. Como não são necessárias peças eletrônicas para a versão de baixa potência, é recomendado para leitores que não estão tão familiarizados com as tecnologias mecatrônicas usadas na versão básica.
O canhão pode ser montado de várias maneiras. Em nossa versão básica, usamos um tubo de PVC ou alumínio (1 cm de diâmetro x 12 cm de comprimento) montado em uma base de papelão com as dimensões mostradas na Figura 9.
As rodas foram tiradas de um brinquedo. Porém, dependendo da aplicação, o canhão pode ser consertado (evitando a necessidade de rodas). Lembre-se de que uma inclinação de cerca de 15 graus é necessária para mover o núcleo do solenoide de volta para a posição de tiro.
A bala para esta versão pode ser pequenas bolas de plástico ou madeira ou grãos de feijão seco, como lentilhas ou ervilhas. O circuito eletrônico para acionar o canhão é mostrado na Figura 10.
Qualquer transformador pequeno com para tensões de 9 e 12 volts, com uma derivação central (CT) e para correntes na faixa de 300 e 800 mA é adequado para esta aplicação. A bobina primária deve ser de acordo com a linha de alimentação local.
Ao montar, observe a polaridade do diodo e do capacitor. O valor do capacitor determinará a potência do canhão. Recomendamos capacitores grandes, como o encontrado nas fontes de alimentação dos computadores, que variam de 10.000 a 22.000 µF. O capacitor deve ser classificado para tensões entre 35 e 50 volts.
Os pequenos componentes do circuito, como resistores, diodos e SCR, podem ser soldados a uma tira de terminais. O projeto final do circuito é mostrado na Figura 11. Os fios para o capacitor devem ser os mais curtos possíveis, pois a resistência causada por linhas mais longas pode resultar em perdas de energia. A colocação dos componentes em uma régua de terminais e as conexões com o transformador e o canhão são mostradas na Figura 12.
O leitor deve ter cuidado especial com o cabo de alimentação e o circuito primário do transformador, pois ele é conectado diretamente à rede de alimentação CA.
Parte Mecânica
A bobina é calculada para apresentar baixa resistência dentro de certos limites. Isso manterá o pico da corrente de descarga dentro dos limites aceitáveis pelo SCR (TIC106 ou TIC116). Em nosso protótipo, usamos 200 voltas de fio esmaltado 28 AWG em um tubo de PVC, conforme mostrado na Figura 13. Isso resulta em uma resistência de cerca de 0,8 ohms.
É fácil calcular quantas voltas (ou o comprimento) de um fio ao redor de um tubo são necessárias para manter uma resistência específica. Como o construtor é livre para alterar as características do projeto de acordo com os componentes que possui, não recomendamos seguir exatamente as nossas instruções. A imaginação do montador deve trabalhar aqui para criar um projeto com o melhor desempenho. Ao projetar sua bobina, considere a seguinte tabela de resistências AWG.
Fio AWG = Ohms por Quilômetro
14 = 8.17
15 =10.3
16 =12.9
17 =16.34
18 =20.73
19 =26.15
20 =32.69
21 =41.46
22 =51.5
23 =56.4
24 =85.0
25 =106.2
26 =130.7
27 =170.0
28 =212.5
O tamanho do canhão, o comprimento e o diâmetro do núcleo e o número de voltas e fio usado para a bobina dependem de muitos fatores. As dimensões fornecidas no texto são apenas para referência. O leitor é livre e incentivado a fazer alterações.
O canhão deve ser montado em uma base de papelão ou plástico inclinada 30 graus para permitir que o núcleo deslize de volta à posição original após cada tiro. Rodas foram adicionadas para dar a aparência de um canhão real. Cabe ao leitor decidir a aparência final do canhão, de acordo com o uso. O leitor também pode usar sua imaginação de gênio do mal para adicionar um mecanismo que insere uma nova cápsula após cada tiro.
Lista de Peças - Canhão Eletrônico
SCR TIC106 ou TIC116 (B ou D) SCR
D1, D2 1N4002 ou diodo retificador de silício equivalente
LED Díodo emissor de luz comum (LED) de qualquer cor)
T1 Transformador: bobina primária de acordo com a linha de alimentação CA, bobina secundária para CT de 12 volts e 300 mA a 500 mA
R1 47 Ω X resistor de fio enrolado de 2 watts
R2, R3 47 kΩ X resistor de 1/8 watts (amarelo, violeta, laranja)
R4 1,2 kΩ x resistor de 1/8 watts (marrom, vermelho, vermelho)
C1 10.000 a 22.000 µF X 35 volts capacitor eletrolítico
X1 Canhão (solenoide) (ver texto) Chave SPST (liga / desliga)
S1 SPST switch
S2, S3 Botão
F1 1 A fusível e suporte
Faixa de terminais, cabo de alimentação, fio esmaltado, fios, solda, etc.
Material para o canhão: papelão, tubo de PVC, rodas de plástico, núcleo de metal (parafuso), fio esmaltado, etc.
Testando e usando
Conecte o circuito à linha de alimentação. Coloque o canhão na posição de tiro e insira a bala, mantendo o núcleo na posição correta. Ligue S1 para alimentar o circuito. Para carregar o capacitor, pressione S2 até que o LED alcance o brilho máximo. Solte S2 e pressione o botão S3. O núcleo será puxado para dentro do canhão, lançando o projétil.
A preparação para uma nova foto é simples: pressione S2 novamente até que o brilho máximo do LED seja alcançado e, quando estiver pronto para atirar, pressione S3.
Explorando o Projeto
O canhão é mais do que um projeto divertido e curioso. Ele pode ser usado para ensinar teorias por trás da balística ou como uma ferramenta experimental em aulas de física. Pode até ser usado como demonstração em uma aula de história. Os experimentos a seguir ajudarão o leitor a explorar mais o projeto.
Estudando Balística
Esse experimento pode ser realizado como um tema cruzado em cursos de física (currículo de nível médio). Coloque o canhão em ângulos diferentes; atirando e medindo a distância alcançada pelo projétil (ver Figura 14).
Se a massa do projétil for conhecida, o local onde o projétil cai e o ângulo do tiro podem ser usados para calcular a velocidade inicial do projétil (Vo) e a energia cinética. O experimento pode ser realizado após aulas teóricas sobre balística.
Medindo a carga armazenada em um capacitor e a constante de tempo de um circuito
Outro experimento que pode ser realizado usando o circuito de carregamento do canhão é o mostrado na Figura 15. A ideia é carregar o capacitor por uma tensão predeterminada (medida pelo multímetro) e então traçar a curva de descarga quando o capacitor é conectado a um resistor conhecido.
Os gráficos obtidos durante este experimento permitem ao leitor mostrar o cálculo da energia armazenada no capacitor e a constante de tempo de um circuito RC.
Para obter os pontos no gráfico, carregue o capacitor pressionando S2. Em seguida, feche o S3 e meça a tensão em intervalos de tempo constantes (a cada 20 segundos, por exemplo), colocando as medições de tensão em uma tabela. Ao plotar os resultados, você terá a curva de descarga do capacitor.
O resistor pode ser substituído por uma lâmpada de 24 V X 50 mA. Se você pretende usar uma lâmpada de 12 volts, deve adicionar um resistor em série para reduzir a tensão aplicada. Lembre-se de que o capacitor é carregado com cerca de 35 volts neste circuito. A lei de Ohm pode ser usada para calcular o resistor em série.
Outra possibilidade é usar um LED em série com um resistor de 22 kΩ X 1/4 W como circuito de descarga. Lembre-se de que o LED não é uma carga linear quando a tensão cai acima de 2 volts. Observe que o LED que indica uma carga completa é colocado antes de S2 em série. Isso é necessário porque, após a liberação de S2, se o LED for colocado após a chave, como no canhão, o capacitor irá descarregar lentamente através do LED.
Lista de peças - Medindo a carga
D1 1N4004 ou diodo retificador de silício equivalente
LED LED comum (qualquer cor)
R1 2,2 kΩ x resistor de 1 watt (vermelho, vermelho, vermelho)
R2 47 kΩ x resistor de 1/8 watt (amarelo, violeta, laranja)
R3 22 kΩ x resistor de 1/2 watt (vermelho, vermelho, laranja)
S1, S3 SPST liga / desliga interruptores
S2 SPST Botão
F1 1 ampere - Fusível e suporte
T1 Transformador: bobina primária para 117 VAC ou de acordo com a linha de alimentação local, bobina secundária para 12 V CT e 300 mA ou superior
C1 10.000 µF a 22.000 µF x 35 volts capacitor eletrolítico
M Multímetro analógico ou digital comum (5.000 DIV ou mais sensível)
Cabo de alimentação, tira de terminais, fios, solda, etc.
Uma batalha usando canhões eletrônicos
Uma batalha entre dois exércitos irá testar suas habilidades com o uso de seus canhões eletrônicos. Os exércitos são formados por soldados de plástico ou papelão, conforme mostrado na Figura 16.
Você pode adicionar fortificações, veículos militares e assim por diante para criar a aparência de um campo de batalha real. A batalha pode ser travada de duas maneiras: O vencedor pode ser o primeiro a derrubar todos os soldados adversários ou aquele que acertar mais soldados em um intervalo de tempo pré-determinado (30 minutos, por exemplo).
Circuitos e ideias adicionais
O montador pode criar muitos outros circuitos a partir do projeto básico descrito aqui. Na próxima seção, daremos algumas sugestões.
Controle remoto
A Figura 17 mostra um circuito de controle remoto usado para acionar o canhão eletrônico. Isso permite que o leitor use uma lanterna como o transmissor do controle remoto.
O sensor é um LDR colocado dentro de um tubo de papelão para evitar qualquer interferência da luz ambiente em seu funcionamento.
P1 é um trimpot usado para fazer ajustes na sensibilidade. O tubo com o sensor deve ser posicionado na direção da luz usada para o controle remoto.
O controle remoto é usado apenas para acionar o circuito. Como aprendemos anteriormente, S2 deve ser pressionado novamente após cada disparo para recarregar o capacitor. Você pode criar um circuito para acionar um relé usando o feixe de luz, substituindo S2 pelos contatos dos relés. Portanto, usando dois sensores, você pode apontar a lanterna para um deles para carregar o capacitor e para o outro para acionar o canhão. O próximo passo, claro, é a criação de um mecanismo para inserir um novo marcador.
Lista de peças - controle remoto
SCR TIC106 ou TIC116 (B ou D) SCR
D1, D2 1N4004 diodo retificador de silício
LED LED comum (qualquer cor)
T1 Transformador: bobina primária para 117 VAC, bobina secundária 12 volts CT e 300 mA ou mais
R1 47 SΩ X resistor de fio enrolado de 2 watts
R2 47 kΩ x resistor de 1/8 watt (amarelo, violeta, laranja)
P1 100 k, trimpot de 1k
LDR LDR de qualquer tipo, como uma célula de sulfeto de cádmio (CdS)
C1 10.000 a 22.000 µF x 35 volts Capacitor eletrolítico
S1 SPST liga / desliga interruptor
S2 SPST Botão
F1 1 ampere Fusível e suporte
X1 Canhão eletrônico (ver texto) Barra de terminais, fios, cabo de alimentação, solda, etc.
Versão de baixo consumo
Uma versão de muito baixa potência do canhão eletrônico sem a necessidade de um circuito de acionamento especial é mostrada na Figura 18.
Este circuito pode ser alimentado diretamente por duas ou quatro células D. O projétil pode ser lançado a distâncias de até alguns metros de acordo com as habilidades do construtor. Reduzir o atrito e usar uma concha muito leve garantirá um melhor desempenho.
A bobina é formada por 200 a 500 voltas de fio 28 a 32 AWG em torno de um tubo de papelão ou plástico com um diâmetro de aproximadamente 0,5 centímetros e um comprimento de 5 centímetros. O núcleo usa um parafuso de 2 x 1/8 de polegada.
O formato é o mesmo da versão básica. O canhão deve ser montado em uma inclinação para permitir que o núcleo deslize de volta para a posição de tiro após cada tiro.
Não mantenha S1 pressionado depois que o canhão for disparado. Isso ajudará a manter a carga das baterias, pois a corrente é drenada rapidamente quando S1 é pressionado.
Lista de peças - versão de baixa potência
X1 Canhão (ver texto)
B1 2 a 4 Pilhas D com suporte
S1 SPST
Fios, fio esmaltado, solda, etc.
Construindo uma catapulta
Outra arma antiga pode ser construída com base no mesmo princípio do canhão eletrônico: uma catapulta. Como sugere a Figura 19, o núcleo de um solenoide, quando puxado para trás rapidamente, pode lançar uma pedra. Obviamente, o tamanho da pedra (você pode usar um feijão seco como pedra em um projeto em miniatura) e a distância disparada dependerão da potência do solenoide.
Você pode construir duas versões desta arma: uma versão grande ou de alta potência (com base nos planos para a versão básica do canhão) ou uma versão de baixa potência com circuitos alimentados por células D. Os pontos críticos a serem considerados ao desenvolver a versão catapulta do canhão é garantir que a catapulta retorne à posição de tiro após cada tiro e que o lançamento da pedra seja na direção correta.
Desenvolvendo um Super canhão
A ideia de um canhão poderoso foi explorada por alguns gênios do mal, usando um gatilho sequencial e capacitores muito grandes. Isso não é algo que recomendamos construir. Recomendamos, no entanto, usar essa ideia como um exercício simplesmente para analisar as possibilidades.
Um projeto comum de um supercanhão coloca vários anéis magnéticos (eletroímãs) em um tubo transparente de PVC, como mostrado na Figura 20.
A bala é feita de uma peça de metal magnético que pode ser puxada rapidamente através do cilindro pelos anéis quando são energizados por uma corrente. Quando disparado, o primeiro banco de capacitores descarrega através do primeiro anel, puxando a carcaça e dando-lhe seu primeiro impulso. Enquanto a cápsula passa pelo primeiro anel, ela cruza um feixe de luz que aciona o segundo circuito de impulso.
Este circuito é outro banco de capacitores que descarregam através do segundo anel magnético. Um novo puxão é produzido, adicionando impulso à concha e aumentando sua velocidade.
Vários anéis são usados para dar à casca uma velocidade fantástica. O projétil é finalmente lançado com energia suficiente para destruir o que acerta. Projetos experimentais resultaram em conchas que podem fazer um buraco em uma parede de cimento.
Cuidado! Não experimente esta versão sem um adulto para lhe dar o suporte necessário! Pense no uso de supercapacitores.
A Tecnologia Hoje
Os solenoides são uma parte importante de muitos dispositivos. Carros, videocassetes, aparelhos e gravadores de DVD, aparelhos e gravadores de CD, máquinas de lavar louça, máquinas de lavar e muitos outros aparelhos usam solenoides.
Os solenoides encontrados nesses aparelhos podem ser pequenos o suficiente para caber na palma da sua mão ou grandes o suficiente para pesar vários quilos. Fios muito finos e peças pequenas são usados para construir solenoides que, em última instância, liberam grande potência mecânica quando comandados.
Em seu carro, os solenoides têm muitas aplicações. A mais simples delas é liberar a fechadura do porta-malas ao apertar um botão no painel.
Ideias para explorar
Use as seguintes ideias para aumentar o desempenho do seu canhão ou simplesmente aprender mais sobre o projeto:
• Adicione recursos mecânicos para deslizar para trás o núcleo do solenoide após cada disparo.
• Projete um circuito para ativar um alarme (consulte o robô de combate para circuitos e osciladores que podem ser usados como alarmes) quando o capacitor estiver totalmente carregado.
• Crie um método para lançar uma flecha em vez de um projétil, como uma besta antiquada. • Explore a Internet para encontrar projetos relacionados aos canhões Gauss.
• Encontre aplicações na casa onde os solenoides são usados. Tente projetar e construir um projeto de solenoide para a casa. Muitos solenoides são poderosos e podem ser alimentados com 6 ou 12 volts. Máquinas de lavar louça e máquinas de lavar também usam solenoides potentes, mas devem ser alimentadas com corrente alternada. Você pode realizar experimentos com eles, mas tome cuidado para não tocar em nenhuma parte de seus circuitos.
