DRSSTC передатчик для однопроводной системы передачи электроэнергии.
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.
Рисунок 9 – БП
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.
Приемник электроэнергии применен такой же, как и для предыдущих систем. Его схема представлена на рисунке 5.13.
Рисунок 13 – Принципиальная схема приемного блока
Параметры его резонансных контуров идентичны параметрам передатчика. Входной сигнал поступает в приемник на несущей частоте по однопроводной линии. Экспериментальная линия длинной 4м. Входная частота подстраивается конденсатором С1 приемника, количеством витков L2 и расположением L2 относительно L1. После диодно-конденсаторного блока выпрямленное напряжение поступает в нагрузку. В качестве нагрузки использовались лампы накаливания 40 Вт. Конструкция приемника и схема с номиналами деталей представлены в статье об SSTC
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.
Диоды вверх ногами на схеме приёмника.
Спасибо за Ваш труд. Но самая большая проблема — при изменении нагрузки в приемнике частота контура сразу плывет, что сводит на нет всю передачу энергии. (обычная история например в бытовой сети). И как с этим бороться? Есть мысли?