Circuit pour accélérateur électromagnétique cyclotron

[Arstrot]

Bonjour à tous,

Je travaille depuis plusieurs semaines sur la création d'un accélérateur électromagnétique en cyclotron et je me trouve confronté à certaines difficultés dans la conception du circuit et du schéma. Mon objectif est de parvenir à construire un dispositif fonctionnel, mais je suis bloqué à certaines étapes.

Je suis à la recherche d'aide et de conseils. Plus précisément, j'aurais besoin d'aide pour élaborer le circuit électrique de l'accélérateur électromagnétique.

Pour préciser, il s'agit d'un accélérateur électromagnétique sous forme de cyclotron, composé de 5 accélérateurs disposés autour d'un axe circulaire. Chaque accélérateur est chargé d'accélérer une bille de métal qui circule dans un tube circulaire. Un système composé d'une LED infrarouge et d'une photodiode infrarouge détecte le passage de la bille et active la bobine de l'accélérateur correspondant, et ainsi de suite sur les 5 accélérateurs.

Concernant le circuit sur lequel j'ai commencé à travailler, voici les composants utilisés pour un des accélérateurs :

-une LED infrarouge 1.5V 20mA (pour la détection de la bille)
-une photodiode IR 1.5V 20mA (pour la détection de la bille)
-un transistor bipolaire NPN 2N3904 (pour amplifier le signal de la photodiode)
-un transistor MOSFET IRFZ44N (pour activer la bobine)
-une diode de roue libre (je ne sais pas quel modèle choisir)
-1 LED 3.1V 20mA (pour indiquer la bonne alimentation du circuit)
-1 LED 3.1V 20mA (pour indiquer quand la bobine est activée)
-une alimentation 12V 2.5A
-les résistances nécessaires.

J'ai effectué de nombreux tests, mais aucun n'a été concluant. J'ai des difficultés à réaliser le schéma avec les transistors et la photodiode. Je ne sais pas réellement comment calculer les résistances nécessaires pour les transistors et la photodiode.

Si vous avez des idées sur la manière dont je pourrais concevoir le circuit, je vous en serais très reconnaissant.

Je suis impatient de lire vos réponses et de pouvoir avancer dans mon projet. Merci d'avance pour votre aide précieuse !

Cordialement,

Arstrot

Voici un exemple possible du projet finale :


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[CapFlam]

Pourquoi faire aussi compliqué et lui donner un autre nom?
Ce que tu veux faire, c'est juste un moteur avec un champ magnétique tournant..;
un grand classique, sauf que ton rotor est une bille au lieu d'être un disque

C'est juste pour t'amuser ou tu as un autre but en faisant ça?

pas besoin de truc compliqué pour synchroniser, ta bille suivra, c'est le principe du moteur asynchrone.
Par contre dans ton cas, il ne faut pas aller trop vite ou ton montage mécanique va devenir instable et tomber ou casser, si la bille ne se coince pas et si tu te la prends pas dans la figure... Avec la rotation de la bille, ça va créer un déséquilibre.

[CapFlam]

Tu devrais plutôt créer un sillon dans un disque en fer (doux), placer une plaque de plexiglas au dessus, tes bobines en dessous.
Regarde le principe de fonctionnement d'un moteur triphasé,
le principe des "paires de pôles" qui te permet de réduire la vitesse du champ tournant en gardant la même fréquence.
Là tu as 6 bobinages, tu peux donc en faire un 2 paires de pôles.

Ne travailles pas avec des MOS, sur ce type de projet, tu dois limiter ton courant, vu la faible fréquence à laquelle du devra travailler, des transistors bipolaire te le permettrons.
Tu dois crée un petit onduleur en H, c'est sûrement le plus simple, mais tu vas t'amuser quand même...

[Antoane]

Bonjour,

> Tu devrais plutôt créer un sillon dans un disque en fer (doux), placer une plaque de plexiglas au dessus, tes bobines en dessous.
Je ne vois pas bien, pourrais-tu faire un schéma ?

A priori, pas besoin de pont en H ici : la bille n'étant pas un aimant permanent, la bobine ne peut que l'attirer, et un courant unidirectionnel est alors suffisant.

> Par contre dans ton cas, il ne faut pas aller trop vite ou ton montage mécanique va devenir instable et tomber ou casser, si la bille ne se coince pas et si tu te la prends pas dans la figure... Avec la rotation de la bille, ça va créer un déséquilibre.
Une solution pourrait être d'avoir deux faisceau dans l'accélérateur, déphasés de pi.

La mécanique est-elle d´jà réalisée ? quelles sont les dimensions, quelle sont les charactéristiques (R,L) des bobines ?
Quelle est la vitesse espérée ?

[A voir en vidéo sur Futura]

[XK150]

Salut ,

Voir ici , ce que l'on peut en apprendre : https://www.youtube.com/watch?v=TXYGN8Y6lFA

[antek]

J'ai effectué de nombreux tests, mais aucun n'a été concluant.

Quelle chronologie est utilisée pour la création du champ magnétique ?
Ce qui devrait être, lorsque la bille arrive au centre de la bobine N :
- le champ magnétique de la bobine N doit être désactivé
- le champ magnétique de la bobine N+1 doit être activé
- etc

[jiherve]

bonjour
il n'y a pas vraiment de timing on applique le champ magnétique lorsque la bille coupe le faisceau, elle est attirée pendant un certain temps (sans doute une tempo RC) puis éjectée par inertie et active ensuite la bobine suivante.
C'est amusant mais inutile.
JR

[Arstrot]

Bonjour,

Pour répondre à tout :

D'abord, il s'agit d'une réalisation sans objectif précis. C'est juste pour "m'amuser" et expérimenter.

>La mécanique est-elle déjà réalisée ? Quelles sont les dimensions et caractéristiques (R,L) des bobines ? Quelle est la vitesse espérée ?

La mécanique n'est pas encore réalisée, j'attends d'avoir le circuit sur l'un des modules fonctionnels pour démarrer la suite. Pour la bille, pas de problème, j'utiliserai mon imprimante 3D pour tout concevoir sur mesure afin de ne pas prendre de risque. Concernant les bobines, je ne connais pas encore précisément leurs caractéristiques, et pour la vitesse, plus rapide sera le mieux, mais je n'ai pas d'objectif particulier ; elle ne sera pas mesurée.

>Voir ici ce que l'on peut en apprendre : https://www.youtube.com/watch?v=TXYGN8Y6lFA

C'est exactement cela ! Si vous voulez un aperçu, module par module. J'ai essayé de comprendre leur circuit mais ce n'est pas simple sur une vidéo.

>Il n'y a pas vraiment de timing, on applique le champ magnétique lorsque la bille coupe le faisceau, elle est attirée pendant un certain temps (sans doute une tempo RC) puis éjectée par inertie et active ensuite la bobine suivante. C'est amusant mais inutile.

Parfaitement ça. C'est tout le principe du projet. Chaque module d'accélération est indépendant.

Merci pour vos réponses,

Arstrot

[Pascal071]

bonjour

en fait chaque bobine a son propre module, et sa propre barrière opto.
Je n'ai pas trouvé le schéma, mais il ne doit pas être compliqué, commuter la bobine à chaque passage de la bille.
Si tu as le schéma, on pourra commenter...

Cdlt

[antek]

il n'y a pas vraiment de timing on applique le champ magnétique lorsque la bille coupe le faisceau, elle est attirée pendant un certain temps (sans doute une tempo RC) puis éjectée par inertie et active ensuite la bobine suivante.

Si le champ magnétique est toujours présent la bille sera freinée, non ?

[jiherve]

re
oui mais la détection doit activer une sorte de monostable qui temporise l'application du champ magnétique, la détection seule serait insuffisante car trop fugitive quoique en y réfléchissant cela pourrait suffire et s’adapterait à la vitesse de la bille!
Le circuit à l'air très simple, phototransistor/photodiode , LED, un petit transistor un mos pour alimenter la bobine et qqs passifs.
JR

[Pascal071]

bonjour

si le capteur est au ras de l'entrée de la bobine:
la bobine activée par l'opto devrait faire rentrer la bille,
couper la bobine lorsque la bille a passé l'opto,

si on ne met aucune tempo:
la bille devrait continuer en augmentant de vitesse à chaque bobine,

la vitesse max. sera t-elle limitée par le frottement?

il y a intérêt de bien fixer le montage à la table...

Cdlt

[polo974]

Bah, la diode de roue libre crée le maintien "temporisé".

En tout cas, je confierai pas le montage d'un circuit à l'auteur de la vidéo...

[Arstrot]

>Si tu as le schéma, on pourra commenter...

Je ne l'ai pas justement et j'ai un peu de mal à créer un schéma fonctionnel.

Si vous avez un début de schéma pour la partie transistor et photodiode, ce serait parfait. Je ne sais pas vraiment non plus comment calculer les résistances pour les transistors et la photodiode. J'ai essayé mais sans succès.

Merci bien

Arstrot

[gienas]

Bonjour à tous

Si le champ magnétique est toujours présent la bille sera freinée, non?

Bien sûr. Il est impératif, au moment où la bille pénètre dans la bobine, que l'attraction ait cessé, faute de quoi, si la bille arrive à sortir, elle pourrait se mettre à reculer, et si le champ est toujours présent, y rester coincée.

Le timing (calé sur les positions de la bille) doit être très étudié et sera très difficile à établir.

Pas sûr que la diode de roue libre soit une bonne solution. Elle a tendance à prolonger l'attraction à des moments où, au contraire, elle devrait s'être annulée. On peut imaginer une décharge de la bobine sous "haute tension" (supérieure aux 0,6V de la diode) ou plutôt une commande de bobine par un condensateur de capacité adaptée, chargée à une tension supérieure à la tension nominale, qui se décharge dans la dite bobine.

Comme chaque bobine comporte son propre circuit de commande, on dispose d'environ 99% du temps pour recharger le condensateur.

[jiherve]

re
je ne pense pas qu'il soit nécessaire de décharger un condensateur (d'ailleurs hormis de petits CMS il n'y en a pas capable de çà), la diode de roue libre doit d'abord tout simplement protéger le MOS mais peut aussi participer au maintien du champ de façon marginale.
JR

[Pascal071]

bonsoir

après lecture de la vidéo, il semble que la bobine soit déclenchée seulement lorsque la bille occulte l'opto-barrière.
un schéma simple est possible, avec un peu de gain sur le photo-récepteur:
Il faudra connaitre la résistance de la bobine pour dimensionner le Nmos


Cdlt

[erff]

Bonjour,

@Arstrot : comme l'a écrit Antoane, il faut déjà fournir les paramètres mécaniques (dimensions du circuit, de la bille etc...) et les paramètres liés à la puissance (12V/2.5A à disposition si j'ai bien compris). C'est le point de départ car par exemple, avec une alimentation de 12V/2.5A tu ne pourras probablement pas alimenter des bobines telles que suggérées dans la vidéo ; et je ne serais pas surpris que tu aies besoin d'utiliser une batterie 12V d'au moins quelques dizaines d'ampères. Du fil de 0.9mm c'est 26 Ohms/km donc même avec 100m de fil dans une bobine, l'alimentation ne suivra pas. Enfin pour être exact, elle pourra suivre jusqu'à une certaine vitesse, mais à condition que le découplage soit fait intelligemment ; et vu que tu n'en parles pas, j'en déduis que ce n'est pas envisagé.

Bref, connaître ceci orientera les choix quant à la constitution des bobines (dimension des bobines, diamètre du fil, choix du mosfet etc...).

Concernant la diode de roue libre, elle peut poser problème (ralentissement de la bille) si le nombre de spires est très grand. Pour un solénoïde, l'inductance évolue comme le carré du nombre de spires, et la résistance proportionnellement au nombre de spires. Donc la constante de temps évolue proportionnellement au nombre de spires (pour des dimensions extérieures fixées). Si cette constante de temps est suffisamment faible vue la vitesse et les dimensions, on peut se contenter d'une simple diode de roue libre. Mais pour démagnétiser plus rapidement, au besoin, on peut mettre un écrêteur type RCD. En plus c'est écolo, on récupère un peu d'énergie => green project grâce auquel tu pourras obtenir un tas de financement !

On pourrait même imaginer ne rien mettre du tout et laisser le MOS passer en avalanche pour démagnétiser encore plus vite -- écrêteur dit du pauvre -- car ces derniers tolèrent une certaine énergie d'avalanche.

[jiherve]

bonsoir
remarque : les bobines ne sont pas alimentées en permanence (le cas de la bille coincée doit être prit en compte par l’électronique) et lors de la periode d'alimentation ce qui jouera c'est l'inductance de la bobine ce qui explique que l'alimentation soit assurée par un petit bloc secteur.
JR

[erff]

Bonjour,

Tout à fait, et c'est ce que j'écrivais en substance. Mais (par exemple) consommer 4*Imax un quart du temps avec une fréquence de quelques dizaines de Hz ce n'est pas du tout pareil que consommer Imax en continu en terme de moyens de découplage. Il y a fort à parier qu'un banc de condensateurs de taille conséquente sera nécessaire, et l'auteur ne le mentionne pas. Et c'est sans parler des éventuels problèmes de stabilité de l'alimentation car toutes ne tolèrent pas bien un mode d'opération "pulsé".

[jiherve]

Bonjour
bon l'engin existe et se vend en kit il n'y a aucun condensateur réservoir il suffit de visionner les vidéo de pub.
C'est l’équivalent ludique et circulaire d'un vrai rail gun, d'ailleurs il y a bien longtemps que l'on ne nous casse plus les gonades avec çà , cela doit être passé de mode.
JR

[Gyrocompas]

Bonjour,
Un rail gun utilise la circulation d'un courant important pour propulser un projectile à une vitesse très élevée.
L'exploit était ailleurs, la capacité à le filmer malgré sa vitesse.
La version DIY, utilisait une succession de bobines alimentées successivement par la détection de l'arrivée de la munition, ce qui déclenchait la décharge d'un condensateur, chargé à quelques centaines de volts.
La difficulté tournait autour de la synchronisation de l'accélération du projectile...

[gienas]

Bonjour à tous

… ce qui déclenchait la décharge d'un condensateur, chargé à quelques centaines de volts …

Je crois beaucoup à ce type de solution qui ne nécessite pas de diode de roue libre puisque le courant s’annulé "tout seul" et la "pêche" dépend de la tension choisie qui peut être "haute" et de la valeur du C. Le déclencheur peut être un thyristor.


Il faudra placer le capteur qui amorcera le SCR au bon endroit avant l’arrivée de la bille dans la bobine.


Pour bien bloquer le SCR, il faudra interrompre la recharge pendant la décharge. Voir le #15.