TechnoAttic@tut.by
Главная страница

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 5.1.

Рисунок 5.1 – 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 5.2.

Рисунок 5.2 – Силовая часть на печатной плате

        Схема управления.

        На рисунке 5.3 представлена схема управления силовыми транзисторами.

Рисунок 5.3 – 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 5.4 – 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 5.5 – 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.5.6)

Рисунок 5.6 – 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 5.7 – 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 5.8 – 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 5.9 – БП

        Резонансная часть.

         В ходе настройки резонансных контуров трансформатора Тесла были испытаны несколько различных вариантов катушек первичного контура.

№1 Плоская спиральная катушка из одножильного провода Ø3мм в изоляции. В данном случае минимальная связь между катушками L1 и L2. Чем меньше коэффициент этой связи тем меньшая мощность передается в L2. Транзисторы немного греются. Разряды с L2 не пробивают в L1.
№2 Цилиндрическая катушка из такого же провода. Здесь коэффициент связи больше чем в первой, больше значение тока через катушку и, соответственно, больше разряды с L2. Но такая конфигурация нагревает транзисторы. Причем не только из-за большого тока через них и не совсем точного soft-switch, а из-за обратного влияния L2 на L1.
№3 Коническая спираль. Этот вариант что-то среднее между первыми двумя, разряд с L2 не самый максимальный, но приличный (до 35см). Транзисторы нагреваются умеренно. Иногда возникают КЗ между L2 и L1.
№4 Коническая спираль. В этом варианте применен фидер от систем связи GSM. Его оплетка выполнена из цельной медной оболочки и в ПВХ изоляции. Диаметр 1,5 см. Центральная жила не вытаскивалась. Катушка такого вида является самым лучшим вариантом из всех. Транзисторы после работы остаются абсолютно холодными, достигнуты максимальные разряды c L2 (из всех предыдущих испытаний). Недостатком катушки является её относительная громоздкость.

Рисунок 5.12 – 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 5.10 – Все части DRSSTC в сборе

Рисунок 5.11 – 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 DRSSTC с номиналами деталей .

        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 5.13 – 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 5.14.

Рисунок 5.14 – Структурная схема однопроводной системы передачи электроэнергии

         Общий вид однопроводной системы передачи электроэнергии представлен на рисунке 5.15.

Рисунок 5.15 – Однопроводная система передачи электроэнергии

         Видео работы системы (Ссылка)

         В дальнейших статьях планируется представить эксперименты по передаче электроэнергии с описанными ВЧ генераторами (SSTC и DRSSTC).

         Демонстрационный вид этого генератора представлен тут .