AEG & MOSFET

Kirjoittaja ajk
Viimeksi päivitetty 8.1. 2007



AEG:n sähköjärjestelmä

Tämä teksti käsittelee Marui-tyyppisten sähkötoimisten airsoft-aseiden sähköjärjestelmää ja sen muokkausmahdollisuuksia. Keskivertoaseelle seuraavassa esitellyistä muutoksista ei luultavasti ole erityistä hyötyä, mutta raskaammin viritetty tai vanha ja kulunut pyssy voi piristyä selvästikin.

Useimmille asettaan virittäneille tai mechaa muuten huoltaneille pelaajille AEG:n toiminta lienee pääpiirteissään tuttua. Johtoja seuraamalla havaitsee melko helposti että aseen liipasin toimii tavallisena mekaanisena katkaisijana joka pohjaan painettuna syöttää virtaa moottorille ja siten mahdollistaa aseella ampumisen. Toiminta voidaan kuvata pelkistettynä kaaviona.



Kuvassa A viittaa akkuun, L liipasimeen ja M luonnollisesti moottoriin. Todellisuudessa johdot kiemurtelevat pitkin asetta ja mechaboxia mutta tästä piirissä on pohjimmiltaan kysymys.

Tämä tavallinen mekaaninen kytkin on halpa, toimintavarma ja ennen kaikkea yksinkertainen ratkaisu, mutta haittapuoliakin on. Koska johdoissa kulkee huomattavan suuri virta, joka kerta kun liipasin painetaan pohjaan tai siitä päästetään irti syntyy kosketuspintojen välillä kipinöitä. Tämän havaitsee usein "sähkön hajuna" kun aseella on ammuttu pitemmän aikaa. Erityisesti viritetymmissä aseissa näiden kipinöiden aiheuttama metallin palaminen voi olla huomattavaakin ja ennen pitkää alkaa haitata virran kulkua piirissä. Paljaat metalliset kytkinpinnat ovat myös alttiita rasvalle ja muulle lialle mikä saattaa myös aiheuttaa epätoivottua toimintaa.


Puolijohdekomponentteja AEG:ssa?

Puolijohdeteknologia on nykyään valtava teollisuudenala ja myös edellä esitettyihin ongelmiin voidaan etsiä sieltä ratkaisua. Transistori on yleisimpiä puolijohdekomponentteja, niitä löytyy miltei kaikesta kuluttajaelektroniikasta yksinkertaisimmasta taskuradiosta kännyköihin ja tietokoneisiin. Transistori on komponentti jota voidaan käyttää joko vahvistimena tai, kuten tässä tapauksessa, kytkimenä.

MOSFET:in eli kanavatransistorin toiminta perustuu ohjausjännitteellä luotavaan sähkökenttään jonka avulla komponentin resistanssia eli vastusta voidaan muuttaa. Kun transistori on suljettu, sen vastus on hyvin suuri, eikä virtaa pääse kulkemaan sen läpi. Tämä vastaa tilannetta missä tavallisen AEG:n liipasinta ei ole painettu. Metallipinnat eivät koske toisiinsa ja välissä olevan ilman sähköinen vastus on suuri. Vastaavasti kun transistori on ns. auki, sen resistanssi on hyvin pieni ja transistori johtaa sähköä hyvin. Tämä vastaa edelleen tilannetta missä tavallisen liipasinkoneiston kytkinpinnat koskettavat toisiaan ja sähkö pääsee kulkemaan vapaasti kuparisia johtoja pitkin.

Mekaanisesta liipasinkoneistosta poiketen transistori toimii kytkimenä täysin ilman liikkuvia osia, eikä haitallista kipinöintiä siten synny. Lisäksi hyvän transistorin vastus on hyvin pieni eikä se voi likaantua tai varsinaisesti kuluakaan. Transistori on myös varsin pieni ja edullinen komponentti joten esteitä sellaisen käyttämiselle mekaanisen liipasinkoneiston sijaan ei juuri ole.


Uusittu kytkentä

Katsotaan seuraavaksi miten transistori istuisi aiemmin esiteltyyn AEG:n sähköjärjestelmää kuvaavaan piiriin.



Kuvassa transistorikytkennän edellyttämät muutokset on eroteltu vanhasta piiristä katkoviivan sisäpuolelle. Hieman sähköoppia tuntevat lukijat varmasti ymmärtävät kaaviosta helposti kuinka piiri toimii ja myöhemmin artikkelissa näkyvistä valokuvista se selvinnee lopuillekin.

Perimmäinen muutos piirissä on akulta moottorille tulevien johtojen uusi sijoittelu. Punaista johtoa ei enää kuljeteta liipasimen kautta vaan se viedään suoraan moottorille. Musta johto puolestaan katkaistaan jostakin sopivasta kohdasta ja välille kytketään transistori. Muutoksen jälkeen moottori siis pyörii vain silloin kuin transistori on päällä eli virta pääsee kulkemaan myös mustaa johtoa pitkin. Sinisellä on kuvattu uusia johtimia jotka lisätään piiriin.

Toinen oleellinen muutos tulee olemaan liipasinkoneiston uudelleenjohdotus. Tarkastellaan ensin transistoria, kuvassa T, unohtaen kaksi muuta komponenttia (R_GS ja R_1) toistaiseksi. Transistori on komponentti jolla on kolme terminaalia eli napaa. Näistä kahta pitkin kulkee pääasiallinen virta ja kolmatta käytetään transistorin ohjaamiseen. Voidaan ajatella että virta tulee napaa D, drain, tai suomeksi nielu, pitkin ja lähtee navan S, source, lähde, kautta. Virta kuitenkin pääsee kulkemaan vain jos navassa G, gate, portti, on kytkettynä jännite (huom. ero virran ja jännitteen välillä - virtaa portista ei mene sisään).

Tässä tapauksessa transistorin toivotaan tietysti johtavan silloin kun liipasinta painetaan. Tästä syystä tehdään akulta tulevaan plusjohtoon pieni liitos ja viedään siitä pieni johto liipasimen kautta transistorin portille. Kun liipasinta nyt painetaan, transistorin portilla näkyy jännite ja transistori johtaa virtaa, moottori pyörii ja ase ampuu. Kun liipasimesta päästetään irti, jännite portilla häviää eikä transistori enää johda.

Kytkennän periaate on siis yksinkertainen, eikä toteutuskaan ole juuri tämän monimutkaisempaa. Edellä mainitut kaksi komponenttia, R_GS ja R_1, täytyy kuitenkin vielä lisätä piiriin. Nämä ovat tavallisia vastuksia joilla laitetaan kuriin joitakin transistorin toimintaan liittyviä lieveilmiöitä.

R_1 on pieni vastus jolla estetään transistorin rakenteesta johtuva taipumus oskilloida eli värähdellä. Värähtely on tässä käyttötarkoituksessa epätoivottavaa mutta se on myös helppo estää kytkemällä portille vievään johtoon vastus. Tarkoitukseen riittää arvoltaan melko pieni komponentti, sillä liipasimelta tulevaa jännitettä ei ole tarkoitus pudottaa.

R_GS on toinen vastus jolla varmistetaan että portille kertyvä varaus purkautuu välittömästi kun liipasimesta päästetään irti. Ilman selvää purkautumistietä transistori jäisi joksikin aikaa päälle ja ase ampuisi vaikka liipasimesta ei paineta. Tämä vastus on arvoltaan varsin suuri, jotta transistorin ohi ohutta johtoa pitkin kulkee vain aivan minimaalinen virta ja pääosa virrasta menee moottorille kuten pitääkin.

Nyt onkin oikeastaan käsitelty se mitä muutoksella aiotaan saavuttaa.


Tarvikkeet ja välineet

Tähän projektiin tarvitaan tavalliset aseen purkuun vaadittavat työkalut sekä juotoskolvi johtojen ja komponenttien kytkemiseen. Lisäksi varsinaiset tarvikkeet:

  • transistori (esim. IRF3703, kts. alla)
  • 100 ohm sekä 30 kohm vastukset (kts. alla)
  • ohutta sähköjohtoa
  • kutistesukkaa liitosten peittämiseen

lisäksi mahdollisesti:

  • paksua sähköjohtoa aseen johdotusten uusimiseen (silikonieristeinen on hyvää)
  • pieni pala tyhjää piirilevyä

Projekti ei välttämättä edellytä aseen johdotusten uusimista, mutta itse näkisin tämän hyvänä mahdollisuutena vaihtaa ainakin Maruin vakiojohdot hieman paksumpiin ja toisaalta vaihtamalla johdot kaikesta saa juuri oikean mittaista mahdollisimman vähillä liitoksilla.

Liipasimelta transistorin portille vievä johto voi olla hyvin ohutta, sillä se ei kuljeta juurikaan virtaa. Tämä on luonnollisesti hyvä asia sillä ensinnäkin kaikki mahdollinen virta halutaan moottorille koneistoa pyörittämään ja toiseksi kolmatta paksua johtoa ei mechaboxiin vähällä sopisikaan.

Transistorin valinnassa pyritään sellaiseen komponenttiin joka kestää tarpeeksi paljon virtaa, kestää airsoft-akuista saatavan käyttöjännitteen sekä jolla on avoimena mahdollisimman pieni vastus. IRF3703-transistori täyttää kaikki tavoitteet erinomaisesti, se kestää jatkuvaa virtaa 210A mikä on moninkertaisesti airsoft-aseiden virtoihin nähden, käyttöjännitettä aina 30V asti, mikä ylittää reilusti airsoft-aseiden maksimissaan 12V akut ja sen vastuskin on hyvin pieni. Lisäksi transistori maksaa vain kolmisen euroa. Muitakin vaihtoehtoja toki on jos juuri tätä mallia ei satu kaupasta löytymään.

Vastusten optimaalisia arvoja ei ole aivan helppo määritellä, mutta eri lähteistä päätellen konsensus tuntuu olevan 100 ohmin sekä 30 kilo-ohmin vastus. Kokeilin itse rakentaa piirin hieman näistä poikkeavilla arvoilla eikä mitään havaittavaa eroa ollut mutta mennään tässä valtavirran mukana. Vastukset voivat olla tavallisia metallikalvovastuksia jotka eivät maksa montaakaan senttiä kappaleelta.


Rakentaminen

Aluksi on purettava asetta ja mechaboxia niin pitkälle että pääsee käsiksi liipasinkoneistoon, käytännössä siis koko mecha on tyhjennettävä. Liipasinkoneistolle vievät johdot täytyy juottaa varovasti irti (tässä on oltava varovainen jotta ei tule sulattaneeksi liipasinkoneiston muoviosia kolvilla) ja joko korvata uudella tai juottaa yhteen. Samalla punaiseen johtoon tehdään liitos josta viedään ohuempi johto liipasinkoneiston yhteen kontaktipintaan ja tuodaan toiselta pinnalta samaa ohutta johtoa aina mechaboxista ulos asti. Kuvassa käytetty ohut johto on siis ruskeaa ja punainen sekä musta johto on vaihdettu kokonaan uusiin. Ohut johto on paikka paikoin näkyvillä mutta kulkee pääasiassa punaisen alla.



Transistorille ja vastuksille ei oikein ole tilaa mechaboxin sisällä joten ne sijoitetaan yleensä johonkin kohtaan akulle vieviä virtajohtoja. Sikäli kun aseen tila antaa myöten, on fiksua laittaa transistori heti mechaboxin taakse jotta liipasimelta tulevaa herätejohtoa ei tarvitse turhaan tehdä kovin pitkäksi. Musta virtajohto vain katkaistaan sopivasta kohdasta ja juotetaan kaavion mukaisesti transistorin S- ja D-jalat kiinni johtojen päihin (D tulee moottorin puolelle ja S akun). Tämän jälkeen iso vastus kytketään G- ja S-jalkojen välille ja pieni vastus G-jalan ja liipasimelta tulevan ohuen johdon välille (huomioi että ao. kaaviossa transistoria tarkastellaan takaa päin, tekstipuolta katsoessa järjestys on siis G D S).



Transistorin ja vastukset voi aluksi koota pienelle palalle piirilevyä jotta näkee toimiiko kytkentä varmasti. Kuvassa näkyy transistori sekä 30 kohm (tai oikeastaan 33 kohm, kuten osa lukijoista osaa värirenkaista tulkita) vastus. Pieni vastus löytyy levyn takaa suoraan ruskeaan johtoon juotettuna. Tässä vaiheessa asetta voikin oikeastaan kokeilla. Jos kaikki toimii niin kuin pitääkin on projekti periaatteessa valmis, mutta tilan säästämiseksi lopullisen kytkennän voi tehdä ilman piirilevyä.



Kahdessa allaolevassa kuvassa näkyy miten vastukset on juotettu kiinni suoraan transistorin jalkoihin ja peitetty kutistesukalla. 30 kohm vastus on transistorin päällä ja 100 ohm vastus näkyy alapuolella ruskeaan johtoon yhdistettynä, niin ikään kutistesukalla peitettynä. Lopuksi koko paketin voi peittää kutistesukalla tai sähköteipillä jotta se pysyy suojassa eikä oikosulkuja pääse syntymään.




Huomaa 100 ohm vastus mustan kutistesukan alla ohuemman johdon päässä


Huolella viimeistelty transistorikytkentä ei vie juuri sen enempää tilaa kuin pelkät johdot, ja jos sijainti on valittu oikein pitäisi sen mahtua melkein aseeseen kuin aseeseen.

Transistorin valinnasta ja aseen käyttötavasta riippuen voi olla syytä valvoa ainakin aluksi komponentin lämpenemistä käytön aikana. Jos tuntuu siltä että lämpö ei ehdi kunnolla haihtua vaan on uhka aseen muoviosille, voi olla tarpeen lisätä jonkinlainen jäähdytysripa kiinni transistorin pintaan. Näitä saa monenkokoisina melko edullisesti elektroniikkaliikkeistä. Transistorin itsensä ei pitäisi lämmöstä kärsiä kunhan se on alun perin valittu riittävän suurella tehomarginaalilla. Äärimmäinen vaihtoehto on kytkeä kaksi tai jopa useampia transistoreita rinnankytkentään, jolloin kytkentä kestää kaksin- tai kolminkertaisesti virtaa, mutta vie tietysti myös enemmän tilaa.

Koska virran pääsyä moottorille ei muutoksen jälkeen rajoita mikään mekaaninen tekijä, on periaatteessa mahdollista että transistori menee rikki ja juuttuu avoimeen tilaan, jolloin ase ampuu jatkuvasti riippumatta varmistimen asennosta. Käytännössä on harvinaista että transistori hajoaisi tällä tavalla jos sitä ei ylikuormiteta, mutta lienee silti paras pitää tämä mahdollisuus mielessä peleissä jotta tietää mistä on kysymys ongelman ilmetessä, sekä erityisesti säilyttää aina asetta akku irroitettuna.


Kytkimen uusiminen

Tämän projektin kanssa puuhaillessani huomasin että liipasinkoneiston kytkinpinnat olivat jo varsin pahasti palaneet. Päätin siksi tutkia mahdollisuutta vaihtaa koneistoon pieni mikrokytkin metalliliuskojen tilalle. Tämä osoittautui lopulta varsin helpoksi, mikrokytkimiä oli saatavilla todella monenlaisia ja löysin nopeasti sellaisen joka kokonsa puolesta korvasi vanhan mekanismin täydellisesti. Asentaminen oli helppoa, leikkasin vain pihdeillä vanhat liitinpinnat pois ja juotin tilalle mikrokytkimen jalat. Kytkintä ei edes tarvinnut erikseen kiinnittää mihinkään vaan se pysyy tukevasti paikoillaan juotosten avulla.



Kytkin toimii mainiosti, on turvassa rasvalta ja lialta sekä toi aseen liipaisuun mukavaa selkeyttä verrattuna perinteiseen hieman joustavan tuntuiseen liipasimenvetoon. Sähköisesti kytkin kestää koneistossa MOSFET-kytkennän ansiosta mainiosti, sillä sen kautta kulkee vain aivan mitätön virta. Ilman MOSFET-kytkentää kytkin rikkoontuisi epäilemättä välittömästi. Nähtäväksi jää kestääkö kytkin myös fyysisen käytön aiheuttaman rasituksen, mutta koska erilaisia mikrokytkimiä on saatavilla valtaisa määrä, kokeilunvaraa on.

Ja kuten tavallista, kaikista mahdollisista projektin yhteydessä syntyvistä varuste- tai henkilövahingoista vastaa tekijä yksin!

Transistoriaiheesta muualla:

http://gungineer.cande.biz/e_custom/Egun_fet.htm
http://www.airsoftmechanics.com/
http://www.black-wolf.ru/ (tässä selvitetään Systeman kytkennän toimintaa, käytössä kaksi transistoria rinnakkain)



Kommentteja artikkelista voi lähettää sähköpostitse kirjoittajalle.



Yhteisö

Et ole kirjautunut sisään.

Kirjaudu sisään
Rekisteröidy


Up!