Катушка тесла схема drsstc
Добавил пользователь Дмитрий К. Обновлено: 19.09.2024
В этой статье рассмотрена конструкция полупроводникового генератора называемого в интернете DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil). Отличие его от SSTC в том, что в схеме первичного резонансного контура присутствует конденсатор, а обратная связь берется с первичной обмотки. Для такой схемы нужна особая система управления. Так как устройств такой сложности я еще не строил и нужно было на чем-то учиться, то была выбрана к постройке наиболее популярная схема Стива Варда DRSSTC-1 with OCD . Нужно сразу отметить, что катушка строилась не как демонстрационная, а как проверка возможности работы такого генератора в однопроводной линии. По этому на большие разряды она не рассчитывалась. Весь генератор состоит из различных модулей. Рассмотрим их по отдельности.
Силовая часть.
Для силовой части выбрана полу-мостовая схема (Half-Bridge) чтоб не спалить много транзисторов в полном мосте. Принцип действия здесь точно такой же как в SSTC. Ключи работают в противофазе, а каждый ключ в течение полупериода имеет модулируемое по длительности время открытого и закрытого состояния. Прочитать об этом можно в прошлой статье .
В качестве ключей выбраны мощные IGB транзисторы IRGP50B60PD, эквиваленты 50 амперных MOSFET. У них довольно большой импульсный ток коллектора. К тому же они могут работать на частоте до 150кГц. Схема силовой части представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 – Схема полу-мостового типа
Управляющий сигнал приходит с TV1 – трансформатора гальванической развязки (GDT). Он соединяет низковольтную схему управления с силовой частью. Конструкция идентичен GDT из статьи об SSTC. R1,VD1 (R2,VD2) формируют задержку заряда затворной емкости для устранения синфазного открытия транзисторов VT1 и VT2. VD3-VD6 — защитные диоды (супрессоры) на напряжения 18 и 400В, ограничивают выбросы паразитной индуктивности. С1,L1 – первичный колебательный контур резонансного трансформатора Тесла. Емкостной делитель С2,С3 создает среднюю точку полумоста, R3,R4 – выравнивающие резисторы. Светодиод VD7 весьма полезен. При частых настройках после запусков генератора он показывает наличие опасного напряжения в схеме после отключения напряжения питанию. С4 закорачивает ВЧ. Изготовленная силовая часть в моем исполнении имеет вид представленный на рисунке 2.
Рисунок 2 – Силовая часть на печатной плате
Схема управления.
На рисунке 3 представлена схема управления силовыми транзисторами.
Рисунок 3 – Схема управления
Схема похожа на схему SSTC. В данном случае добавлена микросхема 74HC109 (DA2) и OCD. 74HC109 синхронизирует отключающий импульс прерывателя или OCD с обратной связью. Обратная связь снимается с катушки L1 трансформатором тока TA1. При отсутствии сигнала с DA2 отключается драйвер и, соответственно, закрывается транзистор.
Т.е. транзисторы закрываются при почти нулевом токе на их силовой части (на катушке L1). Если транзистор закроется когда ток в силовой цепи максимален, то разрывание такой цепи приводит к возникновению больших потерь, транзисторы могут перегреться или взорваться. Такой режим называется hard-switch. Отключение транзисторов в нуле тока не вызывает их нагрев. Это режим soft-switch.
Рисунок 4 – Печатная плата схемы управления DRSSTC
OCD (Over Current Detector) – детектор превышения тока. Эта схема подает импульс (с помощью транзистора VT1) к DA2 на отключение силовой части на некоторое время при превышении разрешенного значения тока в первичной обмотке. Длительность отключения определяется элементами R9 и С5 с микросхемой DA6 (NE555). Разрешенное значение тока сработки устанавливается напряжением на входе 2 компаратора DA5 (LM311) с помощью переменного резистора R5. На вход 3 поступает выпрямленное напряжение с трансформатора тока ТА2. Этот трансформатор подключен точно так же как и ТА1 к первичной обмотке. Компаратор сравнивает два значения своих входов 2 и 3 и подает импульс к DA6 при превышении тока в контуре силовой части. Если у нас силовой транзистор полу-моста с максимальным импульсным током 150А, то на сработку от такого тока и нужно настраивать компаратор. Хотя в данной конструкции порог срабатывания гораздо ниже. Целью было получить генератор, который стабильно работает в течение длительного времени.
Прерыватель (Interrupter).
Прерыватель запускает и отключает всю DRSSTC. Его можно считаь пультом управления.
Рисунок 5 – Принципиальная схема прерывателя
Генератор импульсов состоящий из DA7 совместно с R1, R2 и С2 создает периодическую последовательность прямоугольных импульсов. Те в свою очередь поступают на вход DA8, куда так же поступают импульсы от другого генератора на микросхема DA9. В результате на выходе микросхемы DA8 получаются пачки импульсов с импульсами внутри. Выглядит это вот так (рис.6)
Рисунок 6 – Сигнал на выходе прерывателя
Если отключить Burst-mode (кнопка SA3), то на выходе будет последовательнось импульсов без прерываний.
Прерыватель подключается к схеме управления проводом 1,5м в экране. В некоторых частях схемы обычные желтые керамические конденсаторы, подобие К10-17б, от которых требуется повышенная стабильность (например С2, С5, С9) заменены на полиэфирные WIMA, так как возникали некоторые проблемы с некорректной работой прерывателя. С вимой проблем не замечено. Подходят WIMA MKS2 или MKS02. В случае керамических конденсаторов предпочтительней те, у которых температурный коэффициент емкости X7R — емкость может изменятся в пределах 10%. Менее желателен Y5V, емоксть от повышения температуры может изменятся в пределах 20%. Применены беспроволочные переменные резисторы СП4-1 (СПО-0,5).
Рисунок 7 – Прерыватель (плата и корпус)
При настройке прерывателя с помощью осциллографа были установлены первоначальные значения ширина импульса 100мкс, период 8мс. После первых испытатьельных запусков генератора значения перестраивались в широком диапазоне.
Блок питания.
Блок питания, да и весь генератор рассчитывались на примерную максимальную потребляемую от сети мощность не более 600-700Вт (220В 3А). Первоначально такой БП прошел испытания в SSTC при указанной мощности и по этому считался надежным.
Рисунок 8 – Принципиальная схема БП
Конденсаторы электролиты С1 и С2 выполняют функцию сглаживания пульсаций переменного напряжения. Чем больше емкость С2 – тем лучше. В данном случае С2=680мкФ, 450В. Если емкость этого конденсатора превышает 1000мкФ то нужно делать систему плавного запуска. Заряженный конденсатор разряжается мощными импульсами большого тока. Помимо этого в БП встроены два конденсатора C3 и C4 создающие среднюю точку для подключения нижнего вывода вторичной обмотки (вместо заземления). Их номинал 0,1 мкФ, 630В. Так же установлен предохранитель 5А 220В, NTC терморезистор на 10Ом 10А и реле дистанционного запуска. Кнопка SA1 объединена с кнопкой включения прерывателя (в одно нажатие замыкаются две независимые пары контактов). Реле может и не быть, а генератор может запускаться от прерывателя. Т.е. сетевое напряжение 220В подводится к полу-мосту, а запуск происходит только после включения прерывателя. Когда этот генератор строился, данный факт не был известен. Диодный мост (VD5-VD7) 50А. Общий провод 12В и 310В нигде не пересекаются.
Резонансная часть.
В ходе настройки резонансных контуров трансформатора Тесла были испытаны несколько различных вариантов катушек первичного контура.
Рисунок 10 – Катушки L1
В результате выбор остановился на катушке №3 – коническая спираль из провода Ø3мм. Для экспериментов с однопроводной линией этого достаточно. Над обмоткой установлен заземленный разорванный виток (strike-ring).
Вторичная обмотка (катушка L2) выполнена на ПВХ трубе Ø11см. Провод обмотки Ø0,16мм, 2000 витков. Обмотка покрыта эпоксидным клеем ЭДП. Намотаны две такие катушки для передатчика и приемника. Причем эти катушки наматывались довольно давно и применялись в однопроводной системе с генератором SGTC. Когда строилась DRSSTC не было желания, а главное времени их переделывать. В принципе, катушки неплохо работают, но являются не самым удачным исполнением. На верхний вывод катушек закреплена металлическая сфера диаметром 12-13см. Собственная частота такого контура 120кГц.
Конденсаторы первичного контура выбраны CBB81. Контурная емкость может переключаться с помощью кнопок на корпусе. Конкретную емкость назвать трудно т.к. генератор запускался в различных режимах с подключенной однопроводной линией и без неё. Максимальная емкость конденсаторной сборки 220нФ, минимальная 15нФ. Конденсаторы должны быть расчитаны на напряжение 4кВ, а лучше даже на 6кВ.
Все части помещены в корпус, катушки размещены и закреплены сверху него.
Рисунок 11 – Все части DRSSTC в сборе
Рисунок 12 – Корпус и кнопки переключения конденсаторов
Схема генератора рассматривалась в университете и поэтому нормо-контроль заставил нарисовать её в соответствии с ГОСТ. Позднее схема была немного изменена для всеобщего понимания.
Полная схема с номиналами деталей DRSSTC1_SCHEMATIC
Настройка генератора производилась по методике, изложенной в прошлой статье. В отличие от SSTC тут еще нужно настроиться на резонансную частоту. Резонансная частота определялась длинной высоковольтного разряда с вторичного контура. Подстройка осуществлялась перемещением контакта по виткам катушки L1 и переключением контурной емкости.
Приемник электроэнергии применен такой же, как и для предыдущих систем. Его схема представлена на рисунке 5.13.
Рисунок 13 – Принципиальная схема приемного блока
Структурная схема однопроводной линии представлена на рисунке 14.
Рисунок 14 – Структурная схема однопроводной системы передачи электроэнергии
Общий вид однопроводной системы передачи электроэнергии представлен на рисунке 15.
Рисунок 15 – Однопроводная система передачи электроэнергии
В дальнейших статьях планируется представить эксперименты по передаче электроэнергии с описанными ВЧ генераторами (SSTC и DRSSTC).
Демонстрационный вид этого генератора с добавлением MIDI модуляции представлен тут.
Среди множества типов и подтипов катушек Тесла особую нишу занимают устройства с так называемой плавной или квазинепрерывной накачкой, для которой принято международное обозначение QCW (Quasi Continuous Wave). Чаще всего QCW используется вместе с DRSSTC, образуя наиболее сложный из всех известных на данный момент типов катушек Тесла - QCW DRSSTC. Будучи разработанной ещё в двухтысячных, QCW DRSSTC по сей день сохраняет лидирующие позиции по соотношению размеров устройства и разрядов, создаваемых им. О том, что такое QCW, какие преимущества даёт, какие особенности и подводные камни имеет, и пойдёт речь в данной статье. Также предлагается миниатюрный макет устройства, использующего плавную накачку для формирования длинных разрядов необычной мечевидной формы, - QCW RbSSTC.
CW, I, QCW, LP
Начинающий тесластроитель, скорее всего, будет озадачен этими четырьмя аббревиатурами. Однако общее представление о том, что под ними скрывается, необходимо для полного понимания предмета статьи, поэтому сразу к расшифровкам:
CW (англ. Continuous Wave) - непрерывный режим работы катушки Тесла. Вероятно, читатель уже сталкивался с ним, когда собирал качер Бровина, ибо классическая схема этого устройства как раз таки предполагает непрерывную подачу энергии во вторичный контур. Характерной особенностью CW является практически полное отсутствие звуков при работе: как правило, на малых мощностях разряд являет собой абсолютно бесшумную "иголку", на средних - шипящую "кисточку", а на больших - факел. Стоит отметить, что катушки, работающие в CW, имеют рекордно большую среднюю потребляемую мощность, например, для получения хотя бы 10 см разряда в CW, необходимо прокачивать через схему не менее киловатта мощности, причём всё время её работы. Поэтому данный режим характерен для совсем маленьких устройств. Теоретически, в этом режиме могут работать все типы катушек Тесла за исключением SGTC и схожих с ней по принципу действия, например OLTC.
I (англ. Interrupted) - прерывистый режим работы катушки Тесла. Отличается от CW тем, что накачка вторичного контура происходит не постоянно, а короткими импульсами. Это позволяет, во-первых, на порядок уменьшить среднюю потребляемую мощность (устройство будет более экономичным), во-вторых, увеличить пиковую мощность за счёт использования накопительных элементов (конденсаторов). Эти два фактора позволяют в разы увеличить длину разряда и придать ему характерную форму, напоминающую молнию. Увы, но звуковое сопровождение тому будет соответствующим. Стандартная длительность накачки составляет десятки-сотни периодов колебаний на резонансной частоте, таким образом, для большинства катушек эта величина находится в пределах от 10 до 100 мкс. Прерывистый режим работы возможен для всех катушек Тесла, при этом для SGTC(искровых) и подобных он является единственным возможным.
LP (англ. Long Pulse) - режим длинного импульса. Как следует из названия, является обычным прерывистым режимом, но с сильно увеличенной длительностью импульса накачки. Она, к слову, одного порядка с длительностью импульса в QCW. Этот режим работы позволяет немного увеличить длину разряда и заметно повысить его жирность. Наибольший эффект от данного режима наблюдается в DRSSTC, однако, на других топологиях он также присутствует.
Вводные данные
Перед рассмотрением вариантов схемотехники, обозначим желаемые параметры устройства:
*Напряжение питания: не более 24 Вольт
*Средняя потребляемая мощность: не более 10 Ватт
*Высота вторичной обмотки вместе с тороидом: не более 5 см
RbSSTC
Транзисторы T1 и T2 следует брать с логическим уровнем (низким пороговым напряжением) и максимально допустимым напряжением сток-исток не менее удвоенного питающего напряжения схемы. Стабилитроны D2 и D4 должны быть на напряжение чуть выше порогового для выбранных транзисторов, а D1 и D3 на напряжение не ниже 1.5 пороговых и не выше 75% от максимального напряжения затвор-исток. Резистор R1 обеспечивает запуск схемы, его сопротивление целесообразно выбирать достаточно большим. Трансформатор обратной связи Tr1 следует мотать на кольце 10x6x4 из феррита марки T38 производства Epcos. Первичная и вторичная обмотки Tr1 должны быть выполнены в виде витой пары и содержать одинаковое количество витков, равное 10-15. Первичная обмотка L1 должна иметь 1+1 виток провода, причём он должны быть свит в пару. Вторичная обмотка L2 должна содержать не менее 500 витков на каркасе не менее 20 мм диаметром. Приведённые выше данные были получены путём множества экспериментов и оказались наиболее оптимальными. Для проведения экспериментов, описанных далее, была использована вторичная обмотка на пластиковом тонкостенном каркасе диаметром 32 мм, выполненная обмоточным проводом 0.063 мм и содержащая около 500 витков (высота намотки - 35 мм). Тороид выточен из дюраля по следующему чертежу:
Сравним преимущества и недостатки других топологий катушек Тесла применительно к решаемой задаче.
На данный момент способ реализовать QCW для SGTC и OLTC неизвестен, посему эти два типа катушек можно даже не рассматривать.
VTTC довольно часто запускают в около-QCW режиме, питая её частями сетевой синусоиды с помощью синхронного прерывателя, однако, присутствие в схеме электронной лампы не соответствует требованиям по миниатюризации.
Классические SSTC - мосты и полумосты - не оптимальны для низких напряжений и высоких частот: полумост делит и так невысокое напряжение надвое, а мост, пусть и способен раскачивать первичную обмотку до полного напряжения питания, имеет 4 силовых ключа, управление которыми на высоких частотах - нетривиальная задача.
E-class SSTC является интересной топологией, позволяющей снизить динамические потери на силовом ключе за счёт обеспечения его переключения при нуле напряжения, а также подбросить напряжение на первичной обмотке за счёт резонанса. Проблемой является необходимость точной настройки схемы для её нормальной работы, что довольно трудно обеспечить ввиду большой ёмкости разряда, уводящей резонансную частоту вторичной обмотки от исходной.
DRSSTC на низких напряжениях и высоких частотах имеет те же проблемы, что и SSTC, более того, встаёт проблема ухода резонанса, как в SSTC e-класса.
QCW
Как было указано в начале статьи, QCW предполагает плавное повышение напряжения на силовой части, за счёт чего достигается характерная форма разряда. В простейшем случае накачку производят пилообразными импульсами:
Довольно часто возникает проблема: разряд не срывается, ветвится, либо слишком тонкий. Решается это путём изменения длительности импульса накачки Tн. Следует обратить особое внимание на скорость нарастания напряжения Uпик/Tн: если она слишком высока, то разряд станет тоньше и тусклее, а также начнёт сильнее ветвиться; если слишком низка, то разряд начнёт превращаться в CW-шную кисточку. Таким образом, оптимальная длительность накачки, во всяком случае порядок величины, определяется пиковым напряжением Uпик.
Одним из наиболее популярных вариантов инициализации разряда, позволяющий решить проблему его нестабильного возникновения, является т.н. фитиль, т.е. небольшой прямоугольный импульс до основной стадии накачки.
Напряжение Uфит выбирают таким, чтобы его хватало для создания катушкой начальной ионизации воздуха у терминала.
Ещё одна проблема, которая может возникнуть - разряд слишком тусклый и тонкий, однако улучшить его параметры путём манипуляций с длительностью накачки не удаётся. Судя по всему, такая проблема характерна для низковольтных конструкций. Экспериментально было получено, что добавление небольшой полки на пике пилы накачки позволяет повысить жирность разряда, не теряя других его характеристик.
В качестве дополнительной опции можно добавить плавный спад импульса накачки, это позволит немного сгладить звук разряда.
Как правило, длительность спада в несколько раз меньше времени нарастания.
Реализация в железе
Основную сложность реализации QCW составляет необходимость изготовления мощного управляемого понижающего преобразователя напряжения, который должен создать импульс сложной формы непосредственно на силовой части катушки Тесла. Как правило, для этих целей используется buck-конвертер - эффективный неизолированный импульсный понижающий преобразователь напряжения. Тем не менее, на малых мощностях и сравнительно небольших напряжениях можно использовать линейные регуляторы, что и было сделано на практике. Использование линейного регулятора вместо импульсного преобразователя несколько снизило общий КПД устройства, но позволило существенно упростить его схему, уменьшить габариты и немного повысить помехоустойчивость, что особенно важно для управляющих модулей катушек Тесла.
На транзисторах T1 и T2 собран мультивибратор, задающий длительности импульсов накачки и пауз между ними. На транзисторе T3 реализована цепь сброса. Транзистор T4 с резисторами R6, R7 и R8 образуют источник тока, обеспечивающий линейное нарастание напряжения на конденсаторе C3. На транзисторе T5 собран истоковый повторитель, модулирующий силовую часть пилообразными импульсами. C4 предназначен для фильтрации ВЧ выбросов, создаваемых RbSSTC. D(1-4), T(6, 7), R9 и Tr1 составляют RbSSTC - силовую часть установки.
Стоит обратить внимание, что номиналы, отмеченные * следует подбирать для настройки схемы в оптимальный режим. Так, C1 и R2 определяют длительность паузы между импульсами накачки (частоту их следования); C2 и R3 задают полную длительность импульса накачки (пила + полка на пике); R8 необходимо выбирать исходя из длительности импульса накачки и ёмкости конденсатора C3; C3 следует выбирать таким, чтобы его ёмкость была как минимум на порядок выше ёмкости затвора T5, сопротивление R8 не опускалось ниже 1 кОм, пиковое напряжение на затворе T5 относительно массы было максимально близко к напряжению питания схемы (24 В), а длительность полки на пике пилы не превышала 1/2 времени нарастания напряжения. T5 желательно брать с минимальным пороговым напряжением затвора и достаточно большим допустимым током сток-исток. Стоит также обратить внимание на максимальную рассеиваемую мощность стока. Чем она больше, тем лучше.
Сборка проводилась на беспаячной макетной плате, источником питания макета служит сетевой импульсный блок питания 24 В 1 А.
Результаты
Разработанный макет позволил снять разряд максимальной длиной примерно в 1.5 высоты вторичной обмотки, что значительно больше, чем при обычной импульсной накачке.
В следующих частях.
В ходе экспериментов выяснилось, что повышение напряжения с 24 Вольт до 50 (с заменой ряда компонентов в схеме) даже без точной настройки существенно увеличивает разряд, в связи с чем планируется повышение штатного напряжения питания до 50 Вольт с подбором наилучших параметров схемы.
Ещё одним приоритетным направлением работы является разработка новой конфигурации резонансного трансформатора с целью повышения прокачиваемой через него мощности.
Помимо вышеперечисленного, в настоящий момент ведётся разработка регулируемого управляющего блока, который позволит регулировать в широких пределах все основные параметры накачки с помощью потенциометров, а не прямой замены компонентов.
DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) относительно сложный тип Катушки Тесла. Углубляться в принцип действия ее я сильно не буду, в простейшем исполнении, с искровым разрядником SGTC (Spark Gap Tesla Coil) это резонансный трансформатор на воздушном сердечнике сделанный буквально из нескольких деталей. Все остальные типы это усложнения использующие в основе те же принципы, но дающие крутые возможности, такие как проигрывание музыки, изменение формы разряда, большее время работы, компактность, и т.д.
Общий вид. Высота 60 см.
Первичная обмотка 5 витков 6 мм медной трубы под небольшим углом.
Вторичная обмотка около 1000 витков проводом 0.3 мм на трубе 11х30 см
Для удобства электронику можно разделить на несколько блоков.
1. Драйвер.
Занимается обработкой сигналов с прерывателя и обратной связи (направления тока в первичной обмотке). В драйвер так же встраивают разнообразные функции типа защиты по току в первичной обмотке, защиты от низкого напряжения и прочее. Самые навороченные версии делаются на основе МК.
Всю плату драйвера обязательно необходимо экранировать, засунуть в металлический заземленный корпус, например.
Трансформатор тока на схеме (ТТ) это трансформатор обратной связи OC. С его помощью драйвер понимает в каком направлении течет ток в первичной обмотке, и в какую сторону ее нужно толкать. С него же идет сигнал на компаратор LM311. Представляет собой 1000 витков провода на ферритовом кольце. Через него продевается один виток первичной обмотки (как показано на схеме силовой части ниже) Одним витком считается одно прохождение провода через центр сердечника, как кольцо на пальце. Что бы не мотать 1000 витков можно сделать 2 трансформатора по 32 витка, от одного из них продеть виток через другой трансформатор.
Иногда тесла может не запускается, при условии что все остальное собрано правильно, если фазировка этого трансформатора не правильная, нужно просто перевернуть ТТ и надеть его на провод первички другой стороной.
Резистор на AD8561 настраивает смещение фазы, так что бы транзисторы силовой переключались в нуле тока. Здесь должны быть осциллограммы, но у меня нет осциллографа, по этому я все сделал на авось и молился что бы оно работало. Неправильно настроенное переключение приводит к нагреву ключей, а если совсем не повезет может даже взорвать.
Резистором на LM311 можно регулировать максимальную величину тока в первичной обмотке (защита по току или OCD). Если он будет превышен, драйвер отключит теслу, избежав взрыва транзисторов. Настраивается так что бы при разрядах в воздух OCD не срабатывала.
Резистор на DS1233-5+ настраивает защиту от пониженного напряжения на драйвере. При первой сборке его нужно выставить в среднее положение, и аккуратно крутить при настройке (при срабатывание защиты загорится светодиод) иначе, в крайнем положении, может сгореть стабилитрон. Так же стоит учесть, что при работе теслы напряжение на драйвере просядет, не нужно настраивать впритык.
2. Прерыватель.
Это генератор П-образных импульсов, которые через драйвер управляют транзисторами силовой части. Именно прерыватель позволяет играть музыку. Он может быть очень простой на NE555, но что бы развлекаться по полной нужны более сложные схемы.
В моей конструкции используется покупной Bluetooth прерыватель от BSVi. Управляется с телефона, через специальное приложение.
Длительность импульса до 90 мкс. Максимальный Коэффициент заполнения 0.05.
Не уверен что стоит публиковать схему и прошивку его старого прерывателя, разрешение я не спрашивал, но он есть в открытом доступе, называется i1 BSVi. Хорошо работает, можно воспроизводить музыку с MIDI клавиатуры или USB через специальный адапрет.
Похвастаюсь своим i1, но сейчас уже им не пользуюсь. Проводной прерыватель, имеет ряд недостатков в отличие от Bluetooth, но тоже работает.
3. Силовая.
Часть которая раскачивает первичную обмотку. Здесь используются мощные MOSFET транзисторы способные выдерживать большие импульсные токи. В средних КТ, вроде моей, это сотни ампер, в больших тысячи ампер.
Все транзисторы FGH60N60SMD, на керамических прокладках (можно и обычные резиновые использовать) на одном радиаторе. В DRSSTC ключи практически не греются, и такой радиатор, как у меня, избыточен.
В основном греются ММС, конденсатор питания и конденсаторы делителя силовой.
Питается прямо от сети через диодный мост и конденсатор на 400 вольт 680 мкФ. При первых запусках и настройке лучше подключать через ЛАТР, чтобы уменьшить вероятность взрывов.
Стабилитроны 1.5КЕ400СА ставятся на каждый транзистор, как можно ближе к ключам, они напаяны прямо на ноги, на плате их нет.
Через конденсаторный делитель (красные штуки на фото), центральной точкой которого является один конец первичной обмотки, протекает сотни ампер, поэтому их лучше ставить побольше, что бы общее сечение проводников было достаточным.
Связь между силовой и драйвером осуществляется через GDT (Gate Drive Transformer). Просто несколько витков скрученных между собой проводов на ферритовом сердечнике. В моем случае 6 витков на синем тороидальном сердечнике EPCOS сечением 58 мм^2 работают нормально. Здесь, опять же, должны быть осциллограммы хорошего GDT и плохого, но посмотреть их мне нечем. Очень важно соблюдать фазировку вторичных обмоток. Они должны быть в противофазе. Иначе при включении оба ключа откроются и тупо замкнут на себя питание.
Количество витков GDT определяется по формуле:
N – количество витков, штук.
V – максимальное напряжение которое будет присутствовать на GDT на протяжении времени t, В
t – время на которое будет подано напряжение V, сек
B – индукция насыщения сердечника, Тл
Ae – сечение сердечника, м^2
Еще не намотанный GDT. Я использовал в качестве первичной обмотки медный экран, внутри витая пара.
Важно хорошо изолировать первичную обмотку и вторичные, они могут пробивать. Как-то я не мог понять почему горит драйвер, оказалось по этому.
Заземляется тесла на среднюю точку конденсаторного делителя (на схеме драйвера он есть). Для корпуса драйвера я сделал отдельный делитель, возможно это лишнее, все должно работать и с одним общим делителем, но сделал как сделал.
В моей конструкции есть страйкринг (большое кольцо над витками первичной обмотки), он заземлен вместе с нижним концом вторичной обмотки (Важно! Кольцо страйка не должно быть замкнуто, иначе оно создает КЗ виток, первичка его будет греть) Если разряд пробивает на него, то вторичка замыкается сама на себя и ничего не взрывается.
В теории тесла должна переживать и удар в первичную обмотку, т.к. установлены два конденсатора С2 и С3 емкостью 100н 2Х, через них сливаются наводки на силовую часть. Но я решил не рисковать, да и эстетически мне нравится так.
Пара слов о бусинке. Необходима она для уменьшения наводок на драйвер. Просто маленькое ферритовое кольцо через которое продевается один виток (сразу оба провода) от первичной обмотки GDT.
Для того что бы при включении в сеть не летели искры (зарядный ток конденсатора выпрямителя достаточно большой) сделана плавная зарядка через резистор. Резистор не нужен особо мощный, пара ватт подойдет, а вот реле лучше поставить помощнее.
Тороид 9.5 Х 30 см. Сделан ротационной вытяжкой. Сейчас, к сожалению, такой купить достаточно сложно. Подойдет любая металлическая фиговина, но нужно стараться избегать острых краев, с них будет прошивать. Можно сделать из вентиляционной алюминиевой/стальной гофры.
Терминал не маловажная часть. Должен быть максимально острый, и с его длинной можно поиграть. Без терминала запускать DRSSTC нельзя. При условии, что у вас гладкий тор, как у меня. Так то с какой-нибудь кастрюли разряд будет нормально и сам стрелять
Большие наглядности. Корпус, платы, и оргстеклянные элементы резались на ЧПУ фрезере MOSKI 1310.
Начинающие тесластроители зачастую выбирают для своих первых устройств схему Качера Бровина. Это объясняется его простотой, дешевизной и возможностью питания от низкого напряжения, вплоть до 1.5 вольт, что делает девайс портативным и безопасным. Однако, как это часто бывает, подобные сверхпростые схемы не лишены серьёзных недостатков. Если говорить конкретно о Качере, то среди минусов - низкий КПД и раскачка первичной обмотки лишь в течение половины периода колебания. Вместе они делают схему подходящей разве что для роли игрушки или первого девайса, собранного своими руками, наряду с мультивибратором. Получить с классического Качера результаты, сравнимые с результатами любых других тесел (например, SSTC и VTTC или, тем более, DRSSTC и SGTC), практически невозможно. В статье я опишу чуть более сложную конструкцию портативной катушки Тесла, которая позволит получить результаты гораздо лучше "качерных". Итак, схема:
Что первым бросается в глаза - сдвоенная первичная обмотка (L1), части которой включены в противофазе (пуш-пул). Такое решение характерно скорее для преобразователей напряжения, нежели для тесел. Однако именно это позволяет сделать двухтакт, не прибегая к мостам и полумостам.
Обратная связь берётся с низа вторичной обмотки (L1) и подаётся на затворы не напрямую, как в Качере, а через высокочастотный трансформатор (TV1), намотанный на ферритовом кольце. Это, можно сказать, атрибут классической SSTC. Стабилитроны необходимо брать на напряжение не выше 75% от максимального напряжения затвора транзистора по даташиту и не ниже 5 вольт, хотя у меня схема работала и с КС147А (4.7 Вольт). Если используются биполярные транзисторы, то стабилитроны, естественно, не нужны.
К транзисторам (VT1, VT2) особых требований нет. Если использовать питание в пределах 24 Вольт, то IRFZ44N (по моей версии) или IRF3205 будут отличным выбором. Если планируется более мощная конструкция - то IRFP460 или IRFP250. Важно понимать, что первичные обмотки составляют автотрансформатор, поэтому максимально допустимое напряжение сток-исток выбранных транзисторов не должно быть ниже удвоенного напряжения питания схемы.
Резистор R2 (1 кОм, переменный) служит для регулировки смещения (как и в качере Бровина) и, соответственно, настройки схемы в рабочий режим при разных питающих напряжениях. Диапазон значений R2 должен меняться при изменении питающего напряжения. Чем выше Uвх - тем больше сопротивление R2.
Вторичная обмотка (L1) сделана на пластиковом кабель-канале круглого сечения. Он хорош своими тонкими стенками и жёсткостью. Диаметр - 25 мм, высота - около 65 мм. Для намотки использовался обмоточный провод диаметром 0.1 мм.
Первичная обмотка сделана из двух силовых одножильных проводов, сплетённых в "косичку".
Несколько фотографий процесса сборки катушки навесным монтажом:
Размеры вторичной обмотки по сравнению со строительным карандашом.
Силовая часть катушки навесным монтажом.
Работа катушки в CW-режиме. Питание от 8 "пальчиковых" батареек.
Вид разряда катушки с прерывателем (собран на дискретных компонентах). В итоговую схему прерыватель не вошёл, так как устройство изначально задумывалось для работы в CW.
Сборка схемы на плату.
Сначала были нарисованы дорожки перманентным маркером.
После чего плата была отправлена травиться в горячий раствор хлорного железа.
После травления все дорожки на плате необходимо облудить. Когда это будет сделано, можно приступить к установке компонентов.
Важное замечание: после установки всех деталей схемы, крайне желательно пропаять все дорожки. Ток в цепях первичных обмоток может достигать 5 - 6 Ампер, и непропаянные дорожки, скорее всего, этого не выдержат.
Теперь, когда детали установлены, а дорожки пропаяны, осталось только смыть канифоль с нижней стороны платы. Сделать это можно растворителем № 646.
Пробный запуск. Если всё сделано правильно, то на терминале появится 2 - 3 сантиметровый "пушистик".
Ну и разряд с качера, для сравнения. Параметры вторички, первички и питания одинаковые.
Если резюмировать, то предложенная в статье схема может стать достойной заменой для качера Бровина в низковольтных катушках Тесла. Схема простая, процесс настройки сводится к вращению одного переменного резистора, низкое питающее напряжение, высокий КПД. Ну а на этом, пожалуй, всё. Желаю всем удачи!
Представляем еще один HV проект - огромная катушка Тесла. После успехов с обычными высоковольтными генераторами, решено было построить что-то действительно большое. Конечно, это была DRSSTC.
Справка: QCW DRSSTC — особый тип транзисторных катушек Тесла, характеризующийся плавной накачкой: постепенным и плавным (а не резким как в обычных катушках) нарастанием напряжения и тока первичного контура.
Выбор пал на транзисторы Mitsubishi Electronic IGBT - CM300DY24HA, с номинальными параметрами: максимальный непрерывный ток - 300 A, максимум напряжения К-Э 1200 V. Тесты изготовителей tesla в США показали, что эти транзисторы способны выдерживать непрерывный импульс 4 кА (они взрываются примерно на 5 кА в результате насыщения) и могут безопасно использоваться с импульсными токами до 2 кА. Транзисторы защищены ТВС, способными рассеивать около 12 кВт, а также 5 мкФ / 1 кВ на электропитании.
Принципиальная схема DRSSTC
А это структурная схема генератора:
Технические характеристики Теслы
- В первичной цепи установлен ограничитель тока на 1400 А.
- Потребление энергии в сети около 20 А.
- Резонансная частота составляет 42 кГц.
- Предельная длина искры 3 метра.
- Тесла имеет более 2 метра в высоту.
- Диаметр верхнего тороида - около 1 метра.
Разумеется ни одна DRSSTC не может функционировать без хорошего резонансного конденсатора, и именно там появилась самая большая проблема - чем выше емкость, тем лучше эффект по искре, но и тоньше кошелек. Минимальное напряжение пробоя составляет 8 кВ, однако чем больше, тем лучше. После многих расчетов решено было принять параметры 600nF / 10kV, а это означает необходимость покупки 100 конденсаторов CDE942C20P15kF. Они не единственные конденсаторы подходящие для этой цели, но другие еще дороже.
Следующим шагом было проектирование механической части, расположение ключевых элементов и т. д. Первичка вызвала немало проблем. Одной из концепций была коническая обмотка, но с другой стороны, из-за гораздо лучшего распределения поля остановились на плоской. Обмотка выполнена из мягкой меди диаметром 15 мм с толщиной стенки 1 мм.
Другим важным элементом катушки Тесла является вторичная обмотка. Это классическое решение, которое заключается в использовании в качестве формы под неё канализационной трубы из ПВХ диаметром 200 мм и высотой 1 м. Катушка содержит около 2300 витков проволоки 0,4 мм. Это почти 2 кг меди и около 1,5 км кабеля. Обмотка традиционно залита лаком.
Тороиды представляют собой классическую конструкцию, изготовленную из вентиляционных гофрированных труб. Использование двух тороидов улучшает распределение электрического поля вокруг обмоток, благодаря чему искры неохотно идут внутрь. Также использовались защитные катушки в количестве 2 штуки - одна выше, другая - под первичной плоскостью. Верхняя катушка провода является временной.
Нижняя часть корпуса электроники будет покрыта сеткой, пока закрыта только лицевая сторона, чтобы иметь легкий доступ к деталям во время ввода Теслы в эксплуатацию.
Разумеется, для мощных транзисторов требуется массивный радиатор. Он также охлаждается двумя мощными 120-миллиметровыми вентиляторами. Хотя общее количество выделяемого тепла не велико - большой радиатор и кулеры нужны обязательно, как результат - во время работы радиатор практически холоден.
Следующий ключевой элемент - силовые фильтрующие конденсаторы. Поскольку устройство работает с мощным импульсом, для импульсной работы требуются высоковольтные электролиты значительной мощности и низким импедансом (low esr).
Получение постоянного напряжения 650 В DC несложно, достаточно удвоить напряжение сети 220 В.
Необходимо поставить диодный мост с напряжением выше 320 В (после выпрямления), в частности около 600 В постоянного тока, также были необходимы электролиты способные работать с таким напряжением, однако самое высокое напряжение, которое когда-либо встречалось на любом электролите, было 500 В, но и этого все еще недостаточно. Поэтому необходимо последовательно подключать два электролитических конденсатора, что означает половину емкости и потребность сразу в четырех конденсаторах.
Контроллер управляет промежуточным мостом на MOSFET. Однако на этот раз промежуточный мост питается стабилизированным напряжением 80 В, которое выдает специально сконструированный трансформатор, управляющий затворами транзисторов IGBT. Трансформация этого трансформатора составляет 4: 1: 1: 1: 1. Эта конструкция позволяет получить типичные 20V на затворах, и его применение направлено на значительное сокращение времени их перезарядки.
Молнии безумно громкие и невероятно яркие, но красота требует жертв, поэтому расходы превышают 1000 долларов.
Форум по обсуждению материала БОЛЬШАЯ САМОДЕЛЬНАЯ КАТУШКА ТЕСЛА DRSSTC
Про использование технологии беспроводного питания различных устройств.
Тестирование, схема и разборка мини паяльной станции из Китая KSGER STM32 V3.1S OLED T12.
В каком направлении течет ток - от плюса к минусу или наоборот? Занимательная теория сути электричества.
Самодельный функциональный генератор сигналов 0,1 Гц - 100 кГц на микросхеме ICL8038.
Читайте также: