신 코일건 - 전력급전방식을 중심으로

Ⅰ. 들어가며

1) 주인장의 최근

거의 4달 만에 돌아왔습니다. 이 블로그 정상영업 합니다. 아마도요.

오랜만에 돌아온 관계로 최근에 만들었던 개쩌는 코일건을 가져왔습니다.

 

 

2) 이번 주제

이번 주제는 "신 코일건 - 전력급전방식을 중심으로" 입니다.

'신 코일건'이란 뜻은 과거(2022)쯤에 코일건을 한번 만들다가 때려치운 전적이 있어서입니다.

'전력급전방식을 중심으로'는 말 그대로 새로운 전력급전방식을 사용하였기 때문입니다.

 

 

 

Ⅱ. 본문

0) 목차

1. 코일건 이란
2. 기존의 방식
3. 내 방식(원리)
4. 영상
5. 속도 계산
6. 기존 방식 대비 장점
7. 개선점

 

 

1) 코일건 이란

 

나무위키에서 가져온 코일건 사진. 출처 : https://namu.wiki/w/%EC%BD%94%EC%9D%BC%EA%B1%B4

 

코일건은 코일에 생기는 자기력으로 탄자를 끌어당겨 탄자를 발사하는 장치입니다.

 

코일건을 더 강하게 만들려면 여러 가지 방법이 있지만 크게 아래와 같습니다.

더 강한 자기력을 가지는 탄환이란 표현보다는 투자율이 높다는 표현이 더 맞는게 아닌가...

 

저는 이 중에서 전압원을 중심으로 성능을 향상해 보았습니다.

 

 

2) 기존의 방식

코일건을 멋지게 발사하려면 적어도 100v 이상의 고전압원이 필요합니다.

이를 위해선 아래와 같이 배터리를 직렬로 여러 개를 연결하거나 승압 회로를 사용해야 합니다.

생각나는 방식들 - 더 좋은 방식이 있을 수 있다.

 

 

3) 내 방식(원리)

여기서 주인장이 생각해 낸 것은 커패시터를 여러 개 이용하는 방식입니다.

(물론, 이미 있는 방식인데 못 찾은 거 일수도 있습니다)

 

간단하게 "병열로 충전, 직렬로 방전"이란 방식입니다.

 

기본적인 회로도는 다음과 같습니다.

간단한 회로도이다. 회로도 툴은 다음 사이트의 도움을 받았다. https://www.falstad.com/circuit/

 

충전할 때는 몇 개의 스위치를 닫아서 다음과 같이 충전됩니다.

왼쪽 위에서부터 시계방향으로 1.닫힌 스위치들; 2.전류의 흐름; 3,4.falstad에서 실행한 것 & 설명

 

방전할 때는 다음과 같이 방전됩니다.

왼쪽 위에서부터 시계방향으로 1.닫힌 스위치들(준비상태); 2.전류의 흐름(방아쇠가 닫혀서 발사될 때); 3.코일에 가해지는 전압차; 4.자기장 발생

 

따라서 말로 설명하자면 2개의 커패시터를 충전할 땐 각각 24v를 병열로 충전하고 방전할 땐 커패시터 개수만큼 24*2=48v의 전압을 직렬로 방전하는 것입니다.

 

https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWcZYA4BsB2ATNzZsEBOVA9EBSCkAFgGYKBTAWjDACgBjEbGqsdFTrZ+gqFFiRsEyHVRFMkEkXToE2MJnR0kMOBwDmtOCDqQaxoSPGR2ANx4JyZiyNSnzN4+GlU-0BHYAJwotHkh3BDC8X1N2AHdQ8gEqKPI3KASknhxsl0yAZ1pUUVSCcDE-EAAzAEMAGwLGLIRylOz22xCSjwswGgt81NtuHvbxypkpEGY9OQUleVV1SHR5Cz1IDiL+wc8MofAahqasviFPemkhs5N2mjHKs+FevM9bRJ7eKh6boseflRvl46o1mjsxO1gZ1xKDTkVhKVLBUqlQ4eCUZioXxxBB0ewdmEAZj+McwQTTHRyL9rDC8SdmolsYCeDiPuAiUIqSAeuy6NyeugcbyKfkqe4xe9YQysoRnJ5JRssorkTdEmK1hVTJr2QJte49Z0soaxMT2UKWRbXuacfk0tb2AB7EBEEBC8R8IiumBgJyEKZwBRqdD+oEuuLOqjuqie73QX0h3SSQNaP1ICCxOjsIA

위의 링크를 이용해서 실제로 테스트 해 보세요

 

실제 회로는 위와 더 가깝습니다.

 

하나의 커패시터당 3개의 스위치를 릴레이로 변환시켰고, 릴레이 구동을 위한 5v전압원 추가, 방아쇠 스위치를 모스펫으로 교체하였습니다. 

(커패시터가 4개로 늘어난 건 중간에 설계를 수정해서이고 실제로는 2개의 4.4mF커패시터를 사용했습니다) (진짜 실제로는 2개의 2.2mF 커패시터를 병열로 연결한것을 직열로 2개 연결했습니다)

 

https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?ctz=CQAgjCAMB0l3BWEA2aAWB8CcBmSy0AOBBAdkJAWUpDR0oFMBaMMAKAHNa4QcAmSN0E4c1QZDYA3EHyq8BMyBX7io3cHzXjoCNgCcQhfr0hpDx0RWFsAxuDCawyQU5fOtsSJphwIPyOwA7kLygnSaKlBswciEygqkCpESwbLUkXhmydEmWUmioVEGfHxmJWVyrmqY+oaC5faO7oI1wUyEwqYg7cIKKd0OyrHdRODNOUyjVaxN4jmxQxRoPJZFvMMNy26qNQYIDjKllGhmVS39C2OChFjUZzkC8YI9hRLSabSjj59Wass0qhgulSchOygKYKiwRE1EhMNeOXhkS2CLA5DGMkSGNKgjuUGg3nxkCQYHg8CJmj6sDASH8tLYaIoVT4WOZ-zxMEJPhJZJ4Pkp2gCtM89MZuUxES6OJQ4HxXNgPN5FMURJpROJUTFkJZmm17NlnI8GtJSv5Kp8arpUO6HXFTnF-XtmSuDpyVWdHq6-U9ZjhXrd6S69p11vCMn+YYa-UjR32lKO-T4cUOWQ2CYeyelSYoUbdJxTBdzwTA+elJbK6eC9SOtqLaml1bMEjF2ZQZWTxg5BKNirJyqpQvVovRYYItAsmi78uNvMFAtVwsQmvRZGoY9X8hlfm7gt75LNA8tIuXFESuLMZ83U574Fn-cFR6XiaxxhD9ujTt19vfD1ZsO-Yg5GgAGUO4P7BFQvSgW41qQRipBBoBwQIXkIAoRi-TofahAgc26LfGi1AEfm167repqwPOFqLhqEh2B87qIYCnjeJ426+LYIRVJCZzqqxvjqkElBYLMKBHLc1rIOJ1CXhJdHHKc7gICJLqCl4gmCTkskyQoY6OmBBkuCp+lGQKTLGQ8SjgKQRFWWAFnQggjg2bwTngA5doqTgbn2d4iJMZ5flit5znpD5JEGjuRJ7nylHmtSNH0sEaASYRtCpR5PEqSldyZVM7hZUFI6pS5OXgBF27TjFc7xYOVoXP8aUEKZsEqb5bYtf0ymid17lFRQzXWWujUVXKN4mn2B4Pol1rteWfUaFYbptUm4YuKtiaNatDHjNChCnKtKL3NCBSDLw+2Lda8LzddG05E5TKrQg+bHbQtpnQ9l3Ru9+ZEOtS0xKyq2XK9UkHQNQMA2JpwkUcZ0SAAziAEnAXcpXvrKABmACGAA2CMMGwSMo+9pW2i4IA4-jhOpFZPHo0hihLFMZNzMWLnfCw21WY6HNWZE3zego3xoGOgtAWLdNjmlQv1PzCgy26fNMi5ivJZLA1WeLMRa1Zzgq4zXM5lZTDSn91qmxGtok2zQ3lacbUHI6jsRKdTuIm7EQK-m3qe29Lju+rMO+u9gf+400MRxcdmw6cYdgxHOF3GHScR5e2TFu4b7uM63pSi+XS50BXxYn6TZAcGpc8K20bV5mcg1w8DeZliIaJs3TIHI3xZd8mZ1t26vcUEwr7Jv0I+UsmLBEVi4+j8P-djxMi8L6VfLL2vggo+vwQo-a2+20bMhT525cQS5EkbnpQHW9QG5ycXTIFbfobGCjp9XQU7+aA-0IBfCv9j4UAkq2a+xYVIgOTIA6YYEIGMw+GLf45MHhIOEBdZBe0zC2hRGA86WCWirQwZQQhLQSJn2IRQW0yAsREMuGOahmgiHSltNPOoFsP6sKIaw6UkwcxyEdNtf4ID+G-kpP8LMIjkrBn+DgC6Hxx5fDkMIxmyi1oyEkWoj4siKiM20eou+Kl5H3UMXIXqGdxxezCLacxZjdIdj6E3dIYjnjgRCBYC6rDNouPSB41xejWGfU8fdfMxhAmuLCWuLEQSYj2JQFE1xcRvFxM0NEww34DiJIGIzVO9pLjZCRiiUWIcwh6SxnjAmllmZPxKeQ7iY54RFNDNgng5tGkSAMObZE1jhguHgDfXoLQvIOOSt0pYzTbZ5OGEYCIPScjTLUTcO4u1w6NPQm0rSXRVmbL8RCMchTcEolWEfVYEhMaGBATQ18VdwA6BQNALAuA4DIAeXgfALy5mvjkPMhsHzJ6UIsP6ZC2zqCLNoAkveIKLl+WCN8-46cHEAHsZBtj+JAB5bDZDQDEMiiIbAkX0FKcsdFwsEBYtlBEXgbAgA

위의 링크를 이용해서 실제로 테스트 해 보세요

조작법: 1.왼쪽 위 스위치를 닫아서 회로 충전; 2.왼쪽 위 스위치를 열고 왼쪽 아래 스위치를 이용해 발사 준비; 3. 오른쪽 스위치를 닫아서 발사

 

탄환은 아래와 같이 3D 프린터를 이용한 탄환에다가 자석을 넣어서 사용했습니다.

 

4) 동작영상

탄환이 아름답게 날아가는 모습을 볼 수 있습니다.

각각 스위치를 이용해 충전-발사대기-발사 사이클이 잘 돌아가는 걸 알 수 있습니다.

 

 

5) 속도 계산

영상을 보고 '저게 뭐야 너무 느리잖아'라고 생각하시는 분도 계실겁니다.

(주인장 친구 놈 표현을 빌리면 '새가 X싸는거 같다')

 

저게 정상적인 속도인지 계산을 해 봅시다.

간단한 에너지 보존 법칙을 이용하여 계산할 것입니다.

커패시터에 저장된 총에너지

커패시터에 저장된 에너지의 합은 위와 같이 계산할 수 있습니다.

 

에너지 보존법칙을 쓰면 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.

 

이때 열에너지나 기타 등등으로 나가는 에너지를 계산하기 귀찮으니 대충 야매로 나중운동E:나중기타E(열E등)을 5:5로 잡으면

이런 식으로 계산하면 안 돼요~

 

 

탄환의 질량을 대충 50g으로 두고 속도를 구하면

질량은 손 대신 저울을 이용해서 측정해야 합니다~

 

대충 위의 탄환의 속도가 6.4m/s인 거 같나요?

저는 잘 모르겠네요.

 

 

6) 기존 방식 대비 장점

기존의 여러 개의 배터리 직류 방식 보다 저 전압의 가벼운 배터리를 사용할 수 있습니다.

 

1분 소요의 출처 : https://m.blog.naver.com/3happy3gong3/70081649874

승압 회로 방식은 충전하는데 1분 정도 소요 되지만 우리의 방식은 RC회로를 이용해 충전하기 때문에 R을 0에 가깝게 줄이면 충전에 0초까지 가능합니다.

(물론 그렇게 하면 회로가 활활 타버리겠지만요^^)

 

 

또한 배터리 내부에는 내부 저항이 존재하여서 일정 이상 고전류를 흘려보내기 힘들지만, 커패시터는 (제가 알기론) 그런 게 없어서 고전류를 흘릴 수 있습니다.

(아닐 수도 있습니다)

 

 

7) 개선점

생각나는 것만 적으면 1. 커패시터와 코일 늘리기

2. 모스펫을 여러 개 달아서 모스펫의 항복 전압 이상으로 제어하기

등이 있습니다.

 

 

 

Ⅲ. 마치며

오늘은 새로운 방식의 코일건 회로를 만들어 보았습니다.

 

여러분들이 한번 도전해서 이런 데에 장착해서 가지고 놀아보세요~