I

T.C.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

LİSANS BİTİRME PROJESİ

ELEKTROMANYETİK BOBİN SİLAHI

210266 ALİ HARMANKAYA

210356 SERHAT ÇELİK

Danışman

Doç. Dr. H. İbrahim OKUMUŞ

Mayıs, 2013

TRABZON

II

I

T.C.

KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ

Mühendislik Fakültesi

Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü

LİSANS BİTİRME PROJESİ

ELEKTROMANYETİK BOBİN SİLAHI

210266 ALİ HARMANKAYA

210356 SERHAT ÇELİK

Danışman

Doç. Dr. H. İbrahim OKUMUŞ

Mayıs, 2013

TRABZON

II

III

LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU

210266 Ali HARMANKAYA, 210356 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 ………………………………

IV

V

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

VI

VII

İÇİNDEKİLER

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 ........................................................................................................... 1

1.1. Bobin Silahının Çalışma Prensibi ............................................................ 1

1.2. Literatür Çalışması ................................................................................... 2

1.3. Çalışma Takvimi ...................................................................................... 3

2. TEORİK ALTYAPI ..................................................................................... 4

2.1. Bobinli Fırlatıcı Tasarımına Etki Eden Faktörler .................................... 4

2.1.1. Dış Demir .......................................................................................... 4

2.1.1.1. Ferromanyetik Rondela ve Boru ................................................ 4

2.1.1.2. Manyetik Alan Çizgileri ............................................................. 4

2.1.2. Rondelalar ......................................................................................... 5

2.1.2.1. Rondela ve Boruda Relüktans Hesabı ........................................ 5

2.1.3. Direnç Etkisi ..................................................................................... 6

2.1.3.1. Koruyucu Direnç Eklemek ......................................................... 6

2.1.3.2. Akımı Sınırlayan Direnç Eklemek ............................................. 6

2.1.3.3. Sarj Direnci Eklemek ................................................................. 7

2.1.4. Kapasitör Etkisi ................................................................................. 8

2.1.5. İndüktans Etkisi ................................................................................. 9

2.2. Çember Ekseninde Manyetik Alan ......................................................... 9

2.3. Bobin Akımının Hesaplanması .............................................................. 10

3. TASARIM ................................................................................................. 12

3.1. Kullanılan Malzemeler ........................................................................... 12

3.1.1. Batarya ............................................................................................ 12

3.1.2. Batarya Şarj Aleti ............................................................................ 12

3.1.3. Kapasitör ......................................................................................... 13

3.1.4. Tristör .............................................................................................. 13

3.1.5. Voltmetre ........................................................................................ 14

3.1.6. Silah Kasası ve 3 Boyutlu Çizim .................................................... 15

3.1.7. Merminin Tasarımı ......................................................................... 16

3.1.8. Bobin Sarımı ................................................................................... 16

3.1.9. DC/DC Dönüştürücü ....................................................................... 17

3.2. Tasarımın Gerçeklenmesi ...................................................................... 18

3.3. Malzeme ve teçhizat ............................................................................... 20

VIII

4. DENEYSEL ÇALIŞMA ............................................................................ 22

5. SONUÇLAR .............................................................................................. 23 6. YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME ................................................... 26

KAYNAKLAR ........................................................................................................ 27

EKLER

ÖZGEÇMİŞ

IX

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.

X

XI

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)

Eb: Batarya ile elde edilen gerilim

Eş: Şebekeden elde edilen gerilim

Tb: Batarya ile dolum süresi

Tş: Şebeke ile dolum süresi

Em: Mermi kinetik enerjisi

XII

XIII

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 ......................................................................................... 13

Şekil 9. Tristör Görünümü ....................................................................................... 14

Şekil 10. Üç Boyutlu Çizim1 ................................................................................... 15

Şekil 11. Üç Boyutlu Çizim2 ................................................................................... 15

Şekil 12. Mermiler ................................................................................................... 16

Şekil 13. Bobin ........................................................................................................ 17

Şekil 14. DA/DA dönüştürücü ................................................................................. 17

Şekil 15. Elektriksel Devre Şeması ......................................................................... 20

Şekil 16. Elektriksel Devre Şeması(şebeke akımı için) ........................................... 20

Şekil 17. Silah iç görünümü ve elamanların konumu .............................................. 24

Şekil 18. Silahın son hali (soldan görünüm) ............................................................ 24

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

XIV

XV

ÇİZELGELER

Sayfa No

Çizelge 1. Çalışma takvimi ........................................................................................ 3

Çizelge 2. Malzeme Listesi ...................................................................................... 21

XVI

1

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.

1.1. 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.

2

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.

1.2. 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.

3

1.3. Çalışma Takvimi

Yapılmış olan işin zamana göre dağılımı Çizelge 1 de verilmiştir.

Çizelge 1. Çalışma takvimi

PROJE ADIMLARI

Süre

Mart Nisan Mayıs

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Proje de iş ve görev

paylaşımlarının

yapılması

1 Hafta

Malzeme tedariki 8 Hafta

Literatür çalışması 3 Hafta

Boost konvertır

yapımı

2 Hafta

Fly back konvertır

yapımı

1 Hafta

Namlu ve bobin

seçimi, sarımı

4 Hafta

Silahın toplanması 3 Hafta

Silah kasasının

yapımı

2 Hafta

Deneysel çalışmalar 7 Hafta

Tezin yazımı 4 Hafta

4

2. TEORİK ALTYAPI

2.1. Bobinli Fırlatıcı Tasarımına Etki Eden Faktörler

2.1.1. Dış Demir

2.1.1.1. 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

2.1.1.2. Manyetik Alan Çizgileri

Manyetik akının büyük kısmı rondela ve borular üzerinden taşınmaktadır. Şekil 2 de

görüldüğü gibi dış alan iç alana göre oldukça zayıftır.

5

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.

2.1.2. 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.

2.1.2.1. 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.

6

Şekil 3. Bobin Üzerinde Relüktans

2.1.3. Direnç Etkisi

2.1.3.1. 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

2.1.3.2. Akımı Sınırlayan Direnç Eklemek

kapasiteden boşalan akımın tristör anlık akım değeri üzerine çıkması, yapılan

hesaplarda öngörüşmüşse sınırlayabilmek için küçük değerli bir direnç gerekmektedir.

7

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.

2.1.3.3. 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

8

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

2.1.4. Kapasitör Etkisi

Kapasitörde gerilim ile kapasite arasındaki bağıntı: Q=C×U ‘dir. Yük-gerilim değişimi

Şekil 7 de gösterilmiştir.

Şekil 7. Yük-Gerilim Eğrisi

Q: Elektrik yükü (Coloumb)

C: Kapasite (Farad)

U: Voltaj (Volt)

Yü

k (

Co

ulo

mb

)

Gerilim ( Volt )

9

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.

2.1.5. 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.

2.2. 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)

10

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. Sonuç olarak B alanı için aşağıdaki eşitlik

yazılabilir.

(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].

2.3. 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)

(2.7)

Bir kritik-sönümlü RLC devresi için belirli bir direnç kullanılarak basitleştirilmiştir.

Direncimiz R :

R=2

(2.8)

Biz bu değeri kullanarak α’yı kolaylaştırabiliriz:

11

=

(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)

IMax=

( )

(2.15)

IMax=Vo

(2.16)

IMax=

(2.17)

[2]

12

3. TASARIM

3.1. Kullanılan Malzemeler

3.1.1. 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

3.1.2. Batarya Şarj Aleti

Silah için seçtiğimiz bataryayı şebekeden şarj edebilmek için kullanılmıştır.

13

3.1.3. 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

3.1.4. 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.

14

Gate tetikleme akımı uygulandığında anot-katot arası direnç çok düşük olduğundan anot-

katot 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

3.1.5. Voltmetre

Silahımızda kapasite 400 V a kadar doldurulabilmektedir. Kapasitelerin dolumunu da

0-1000 V skalalı silaha monte edilmiş Slim DC voltmetre ile gözlemliyoruz. Voltmetremiz

basit sadece kapasitelerdeki voltaj artışını görmek amaçlıdır. Voltmetrenin çalışma gerilimi

9 V dir.

15

3.1.6. 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

16

3.1.7. 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

3.1.8. Bobin Sarımı

Bobin 4mm2 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.

17

Şekil 13. Bobin

3.1.9. DC/DC Dönüştürücü

Batarya gerilimi yeterli olmadığı için 12V gerilimi 150-200V 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

18

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)

Eb=150 Volt , Vb=160 Volt

Tb=25-30sn

Eş=300 Volt , Vş=310 Volt

Tş=10-15sn

Kapasite enerjisi:

Ek:Kapasite enerji

Ek=(1/2)CV2

(3.3)

Ek,b=99 joule

Ek,ş=396 joule

Doldurulan kapasite çok kısa süre içinde bobin üzerinden boşalır. Boşaltımda ki akım

manyetik alanımızı oluşturup mermiye hız kazandırır.

Bobin maksimum akımı:

19

Imax

(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:

Em: mermi kinetik enerjisi

Em=(1/2)mV2

(3.6)

Verim=%3

Em=(%3)Ek

m=10gram

V: mermi hızı

Em,b=3joule , Vb=24.5m/sn

Em,ş=33joule , 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.

20

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.

21

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 2 6

5 Anahtar 3 6

6 Gövde yapım malzemesi 1 50

7 Mermi 5 *

8 Bağlantı elemanları *

9 Bobin teli 2(5m) 10

10 DC-DC Converter malzemesi 1 50

11 Voltmetre 1 20

12 Batarya şarj aleti 1 30

Toplam 172

22

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 .

23

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.

24

Şekil 17. Silah iç görünümü ve elamanların konumu

Şekil 18. Silahın son hali (soldan görünüm)

25

Şekil 19. Silahın son hali (sağdan görünüm)

26

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.

27

KAYNAKLAR

[1]. ANDREWS J. A. and DEVİNE J. R., “Armature Desıgn For Coaxıal Inductıon

Launchers,” IEEE Magnetics Society, vol. 20, pp. 639 – 643, Jan. 1991.

[2]. Kumar K. S. Suresh, Electric Circuits and Networks: For GTU: Rc and RLC circuits in

time-domain. India.

1

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 30.01.2011 tarihli ve 101.02-36521 sayılı TST EN

60670-23 kutular ve muhafazalar standartlarına, IEC 61558-1 in Elektrik çarpmasına karşı

koruma ve IEC 60670-1 in Elektrik çarpmasına karşı koruma maddelerine uygun

yapılmıştır.

Mekanik dayanıklılıkta için IEC 61558-1 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 61558-1 in Toz , katı cisimler ve nemin zararlı

girişine karşı koruma maddesi uygulanmıştır.

Bobin sarımında aşırı ısı ve akıma dayanıklı IEC 317-23 standartlarına uygun

Bemterm H tip kablo kullanılmıştır.

2

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 Elektromanyetik Bobin Silahı

Projedeki Öğrencilerin

adları

210266 Ali HARMANKAYA, 210356 Serhat ÇELİK

Tarih ve İmzalar

3

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

4

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

5

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. 2008 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 30.03.1990 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. 2008 yılında Karadeniz Teknik Üniversitesi,

Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü’nde lisans programına

başladı.