Полно-мостовой демонстрационный трансформатора Тесла.
DRSSTC под номером 3 строилась примерно в одно и то же время, что и DRSSTC 2. Затем она несколько лет просто стояла в углу чердака, т.к. посмотрев на большие разряды интерес к ним пропал. Так же и статья об этой катушке долго находилась в недописанном состоянии. Пришло время, и решено было провести модернизацию. Катушка изменилась на 80%, по этому, чтоб отличать от предыдущей версии её можно назвать DRSSTC 3.1. Вот здесь кому интересно можно посмотреть фото без комментариев какой первоначально была эта катушка.
Рисунок 1 – Трансформатор Тесла – DRSSTC 3.1
Как и во всех других статьях о DRSSTC в этой приводится некоторая часть информации по технологии полупроводниковых катушек Тесла. Информация будет полезной всем, кто занимается подобным радио хобби. Строить сразу большую катушку начинающим не стоит. Цена вопроса окажется высокой. Поэтому всем кто не в теме рекомендую сперва ознакомится с катушками меньших размеров, например mTesla.
Катушка началась с проектирования. Проект назвался XL-Tesla. В EagleCAD были нарисованы схемы и разведены печатные платы. Всего их 5 шт. Три для силовой части и еще две это драйвер и прерыватель. Платы сделаны в домашних условиях.
Рисунок 2 – Односторонние платы силовой части
Основой конструкции является мостовой коммутатор тока на IGBT IXGN60N60C2D1 в корпусе SOT-227B, который так же называется miniBLOC с повышенной рассеиваемой мощностью. Согласно документации транзистор выдерживает токи 300А в импульсном режиме. В реальности токи через них ограничивались на отметке 500А. Благодаря правильному управлению транзисторы живы и даже не сильно перегреваются.
Рисунок 3 – Плата мостового коммутатора
Прямо на выводы контактов + и – транзисторов каждого плеча прикреплены большие желтые конденсаторы C4GAFUD5100 фирмы KEMET 10uF 400VDC. Вокруг конденсаторов балансные резисторы 100k2Вт. Так же на фото можно заметить два белых конденсатора. Это CDE942 0.1uF 2000VDC. Один из них подсоединен к +–310В, второй к – и GND. Конденсаторы обеспечивают безопасную работу транзисторов. Зачем конкретно они нужны написано уже наверно в трех статьях, повторятся не стоит. Практика показывает, что такая обвязка делает катушку очень надежной. Много раз разряды попадали в первичную обмотку и, примерно 3 раза от попадания выбивало автомат. Транзисторы при этом остались абсолютно целыми.
На затворах 24В, RD-цепь 5R1+5819, защитные диоды 30CA. Затворы управляются через два GDT. На силовой части диоды 400CA. К плате моста латунными стойками M4 крепится плата с электролитами. Главное требования к этим конденсаторам – малое собственное сопротивление ESR и высокий ток пульсаций.
Рисунок 4 – Плата с электролитами
Мне оказались доступны четыре конденсатора DCMX 1700uF 400V. Они не идеальны, но намного лучше обычных электролитов. Я посмотрел самые популярные конденсаторные фирмы и выбрал у них модели, которые бы купил в случае возможности.
Таблица 1– Параметры конденсаторов.
Более подробно см. в документации на конденсаторы.
Из таблицы видно, что с увеличением емкости конденсатора его характеристики улучшаются. Вероятно, есть еще много разных других марок и моделей с подходящими параметрами. Без хороших электролитов хорошая DRSSTC не получится.
Электропитание из розетки подводится к мосту через отдельную плату. На ней размещены предохранители, зарядный и разрядный резисторы, реле и выпрямительный диодный мост. Сюда же решено было встроить трансформатор низковольтной части. Для удобства использования на плату выведены контактные штырьки с различным назначением: подключение драйвера, трансформаторов ОС, 12В для вентиляторов, управление реле и светодиоды. На входе 220В оказался помехоподавляющий конденсатор. Впаянные в плату провода было бы лучше сделать контактами под винты. Различные мелочи становятся понятными только в процесс сборки. В момент проектирования достаточно сложно все предусмотреть.
Рисунок 5– Плата питания
Низковольтный трансформатор состоит из трех обмоток по 18В, они подключены параллельно. Общая мощность 30Вт.
Дорожки на плате рассчитывались на переменный ток 10А 220В, но в процессе монтажа на всякий случай на них были напаяны медные проводники диаметром 1.4мм.
Плата управления DRSSTC она же драйвер располагается в алюминиевом корпусе над платой питания. Такой большой и сложный драйвер появился в результате эволюции мини-драйвера 1.0. Это уже девятая модификация самой первой схемы, о которой можно почитать в этой статье. Если кратко к первоначальному варианту добавлены OCD и предиктор. Похоже, что версия эта не последняя, после отправки платы на изготовление было придумано еще одно упрощение схемы.
Рисунок 6 – Плата управления mDriver 1.0.9
Главной целью в этом драйвере было создание конструктора, который можно без особых сложностей собрать. Задумка удалась. Плата собирается по инструкции за пару часов. Большинство микросхем вытаскиваются, шанс спалить их паяльником уменьшается. При ремонте проще находить неисправности. SMD драйвер такой сложности сможет собрать только высокопрофессиональный специалист. С выводными элементами справится и новичок.
Драйвер обеспечивает все необходимое для управления силовыми транзисторами DRSSTC: крутые фронты, подстройка ОС, мягкое переключение, контроль превышения тока. В выходной каскад были запланированы AP4525GEH, однако оказалось что и с AP4501GSD сигнал на затворах IGBT вполне нормального вида. В случае если стабилизаторы напряжения перегреваются их можно смонтировать на нижней стороне платы «спиной» на дно корпуса драйвера. Это обеспечит улучшенный теплоотвод. Пока что замечено, что нагревается больше всех стабилизатор 7812. Трансформатор реально выдает 20В, умножаем на 1.4=28В и это видать многовато для стабилизатора. Ток всей платы без подключения вентиляторов составляет 0.1А. Электролиты с желтыми полосками – Low ESR. Сигнал от прерывателя приходит по оптике.
Важной частью в связке драйвер-силовая является GDT. В представленной конструкции используется два GDT на больших кольцах EPCOS N87. Семь витков получилось согласно расчета, обмотки 1:1. На первичных обмотках помехоподавляющие ферриты.
Рисунок 7 – GDT 7 -8 витков
Рассмотрим сигналы на затворе одного из IGBT.
Рисунок 8 – Сигнал на затворе IXGN60N60C2D1, 24В на первичной обмотке GDT
Рисунок 9 – Сигнал на затворе IXGN60N60C2D1, 12В на первичной обмотке GDT
По осциллограммам видно, что драйвер с 24В на первичной обмотке GDT имеет преимущество над пониженным питанием от 12В в том, что IGBT открывается при очень крутом фронте сигнала и ни какие процессы и переходные этапы в заряде емкости его затвора не влияют на открытие. В драйвере при 12В (белым) при близком рассмотрении видно, что фронт более растянут. Транзистор начинает открываться после 4В – это отмечено красной линией (1 клетка=10В), а затем происходит спад под влиянием емкости Миллера и сигнал снова пересекает красную черту. Я думаю что время очень мало и транзистор не успеет закрыться. [на осциллограмме время в 1us не относится к графику, там на самом деле 20нс, белым это запись в память осциллографа]. Все же фронт получается растянутым, увеличивается время открытия, нагрев и возможность убить транзистор.
Рисунок 10 – Сравнение сигналов
В драйвере есть возможность отключать и подключать катушку подстройки обратной связи перемычкой. Без этой катушки сигнал выглядит очень убого.
Рисунок 11 – Сигнал на затворе без подстройки ОС
Рисунок 12 – Сигнал на затворе IXGN60N60C2D1 (ЖЕЛТЫМ), 24В на первичной обмотке GDT, ~130В питание, 400А ток в силовой цепи (СИНИМ)
Подстройка ОС делается по наименьшим шумам. Сигналы снимались при напряжении ~130В. Предполагается, что при 220В они изменяются незначительно.
Трансформаторы для OCD и FB сделаны стандартным образом из двух колец по 33 витка на каждом. Феррит EPCOS N87. Ограничение тока на 500А.
Рисунок 12 – Трансформаторы тока
В качестве пульта управления катушкой первоначально использовался миди прерыватель от BSVi. Потом я долго думал чего мне нужно и, наконец, наткнулся в интернете на прерыватель от oneTesla. Мне он понравился и, на его базе начались разработки чего-то подобного. В результате построился двухканальный прерыватель, который на фото. Прошивка получилась очень корявая, в этой части конструкции я еще не достиг успеха и в конце концов решено было просто задублировать кнопкой два канала до лучших времен. Прошивка пока от SDInter. По завершении своей прошивки прерыватель можно будет переключать между двумя независимыми каналами или двумя параллельными при подключении к ноут-буку. Чтоб с карточки памяти игралось миди – там вобще пока темный лес.
Рисунок 13 – Прерыватель
Электроника в DRSSTC нужна для обеспечения работы колебательных контуров. Обмотка первичного контура сделана из фидера GSM систем. Он для этого очень хорошо подходит.
Рисунок 14 – Первичный контур
Расчет контуров проводился для первой версии DRSSTC и в этот раз все настраивалось на глазок. Емкость в первой версии состояла из 4х рядов конденсаторов, в новой версии добавился еще один ряд. Всего 250нФ 6кВ CDE942.
Рисунок 15 – Вторичная обмотка
Вторичка намотана по эзотерике. Снизу каркаса катушки 500 витков из проволки диаметром 0,32мм, в верхней части 800 витков диаметром 0,21мм. Такой вариант возник после истории с обгоранием витков DRSSTC 2. Диаметр катушки 16см. Тороид 40х12см. Обмотка заземлена.
После постройки и настройки выяснилось что рабочая частота первичного контура 95кГц, по расчету частота вторичного контура 107кГц. При совместной работе получается некая средняя между этими значениями частота. Ситуация с хорошей работой при такой расстройке объясняется вероятно тем, что при возникновении разряда емкость вторичной обмотки увеличивается, соответственно её частота уменьшается и катушки входят в более точный резонанс. Можно предположить, что согласно популярной теории катушка запускается на нижнем полюсе. Этим же объясняется очень короткая накачка (ширина рабочего импульса) в 75-80 мкс. Максимальная энергия передается во вторичный контур в короткий момент работы катушки, примерно в 40-80мкс рабочего импульса и после 90-100мкс рост длинны разрядов уже не значительный, срабатывает OCD.
Один из первых запусков катушки во время настройки:
Запуск с обновленной первичной обмоткой и добавленным защитным кольцом. После этого перестали происходить выбивания автомата.
Музыкальных видео еще не наснимал, никак не дойду до этого. Сложности с громким звуком, выбиванием автоматов, нагрузкой на сеть электропитания (катушка потребляет 10А 220В), этажем ниже зависает точка Wi-fi, отключаются компьютеры и короче народ шумит и жалуется, особенно вечером. Это следует учитывать при постройке больших DRSSTC — где и когда планируется включать катушку.Тестовых запусков проведено достаточно много. Можно посмотреть несколько фото.
На расстоянии 1м10см почти каждый разряд бьет в заземленный предмет.
Катушка пробивает 1,3м воздушного промежутка, 1,4м уже не пробивает. Максимальная ширина рабочего импульса на фото и видео не увеличивалась более 100мкс, период 4-3 мс. DRSSTC запускается пока в щадящем режиме.
Привычной схемы в конце нет. Понимающие уже нарисовали её у себя в уме. Тем, кто мало что понял еще рано строить такую катушку.