TechnoAttic@tut.by
Главная страница

DRSSTC 1.4 - mTesla.

Описание небольшого демонстрационного трансформатора Тесла с аудио модуляцией разрядов.

         Так бывает, что ко мне обращаются люди и говорят – ты вот занимаешься этими катушками, а мог бы ты принести показать, дать на время, продать, подарить небольшую катушку, объяснить, как она работает. Основываясь на этом, и в результате постепенного усовершенствования моего первого трансформатора Тесла на полупроводниках DRSSTC 1, возникла DRSSTC1.4, получившая название mTesla (m – означает размер).

Рисунок 1 – Трансформатор Тесла – mTesla

        Конструкция максимально упростилась и уменьшилась. Теперь DRSSTC состоит из одной основной платы, а так же пульта управления (прерывателя). Изменился резонансный трансформатор. В статье рассмотрены различные решения, принятые или нет, возникавшие в процессе разработки. Представлена информация о том, чего нет в предыдущих статьях на этапах постепенного развития DRSSTC 1.0 – DRSSTC 1.3. Неосновная, дополнительная информация помещена под спойлеры, чтоб не загромождать статью. Всё сразу рассказать невозможно по причине большого объема информации. В каждой из статей о DRSSTC проводится некоторый ликбез по теме (и для себя в том числе). Рассмотрим устройство подробнее.

        1.ОСНОВНАЯ ПЛАТА.

        Основная плата представлена на рисунке 2. Плата односторонняя. Элементы по возможности располагались так, чтоб не наводить помехи друг на друга (в частности контурные конденсаторы). Есть два варианта подключения схемы драйвера. В первом разводка выполнена на основной плате, второй – драйвер подключается с помощью шлейфа. Об плюсах и минусах такого способа написано дальше по тексту статьи. Сначала были некоторые трудности, но в итоге всё было настроено и проблем с шлейфом не возникает. Два предохранителя защищают от короткого замыкания низковольтную и высоковольтную части раздельно. Во время всех настроек несколько раз взрывался предохранитель для высоковольтной цепи. После случаев разлетания осколков, работы стали проводится в защитных очках.

Рисунок 2 – Основная плата генератора версия 1

        Первоначально, часть деталей была в SMD корпусах. Это несколько резисторов, защитные диоды на 18В и два диода для разряда затворных емкостей, все на нижней стороне. Тестовая версия платы сделана в домашних условиях.

Рисунок 2.1 – Основная плата снизу

        Спустя пару месяцев я придумал сделать из DRSSTC конструктор. Нашел одного школьника и дал ему паять плату. Посмотрел, как это происходит и понял, что об SMD говорить рано. Разводка была переделана под выводные элементы. Паять SMD с пинцетом достаточно легко. Но для тех, кто никогда не паял, это представляется очень сложным процессом.
        На плате решено было оставить схему плавного заряда электролита. Зачем она нужна? Без неё конструкция еще больше упростится и уменьшится.
        При включении трансформатора Тесла, или любого другого устройства с мощным блоком питания в сети возникает помеха, вызванная токами заряда электролитических конденсаторов. Проявление помехи наблюдается в мерцании освещения, иногда бывают искры в розетках. Возникает просадка сетевого напряжения, которая может привести к сбою и нестабильной работе других устройств, питающихся от одной сети. Так же пусковые токи вызывают обгорание контактов сетевых розеток. Еще одно негативное влияние пускового тока - выпрямительные диоды при таком старте работают при токовой перегрузке и могут выйти из строя. При включении происходит скачек тока 8-10А.
        Поразмышляв над этими негативами, решено было оставить схему плавного запуска. Она состоит из не большого количества деталей. Это зарядный резистор и реле, которое управляется таймером на микросхеме NE555 с платы драйвера. Скачек тока при этом не превышает 2А. Через 2 сек. срабатывает реле, а зарядный резистор исключается из цепи. Во время тестов этой DRSSTC в схеме плавного запуска перегорел резистор 75Ом 15Вт. После этого события мощность зарядного резистора увеличилась до 25Вт.
        Спустя какое то время добавилась кнопка быстрого разряда электролита на корпусе DRSSTC. Она нужна для мобильности. Разрядил быстренько конденсатор, собрал трансформатор после его работы, положил в коробку и можно переносить. Кнопка так же размыкает цепь питания 220В.

Рисунок 3 – Печатная плата

         Первоначально на основной плате не было драйвера. Он был в виде отдельной платы, т.к. тестировались различные его модификации. В этом случае не нужно делать каждый раз новую основную плату, а заменять только драйвер. Затем приемлемый драйвер определился, и его схема была разведена на основной плате.

        Коммутатор тока.

         Силовая часть построена по полу-мостовой схеме. Коммутатор тока из транзисторов VT1 и VT2 пропускает через резонансный контур L1C1(рис.4), к которому он подключен, большой ток. На этом основан принцип работы DRSSTC. Чем больший ток можно прокачать через первичный контур, тем большее напряжение можно получить на выходе вторичного контура. Большой ток возникает благодаря такому явлению, как резонанс напряжений в последовательном колебательном контуре.
         Очень хорошо в полу-мосте работают транзисторы FGH60N60SMD. Они весьма быстрые и способны переключаться на частотах более 200кГц. У них максимальный импульсный ток по документации 180А, приемлемая емкость затворов.
        Первоначально, в полу-мосте использовались IRGP50B60PD1. Затем были куплены и протестированы транзисторы FGH60N60SMD. Они показали себя гораздо лучше и теперь являются основными транзисторами для mTеsla.
        Транзисторы HGTG20N60A4D (были в наличии в момент тестов) вроде как бы тоже достаточно высокочастотные. Но в генераторе они с треском погибли. Есть предположение, что они мне попались какие-то левые поддельные. Гарантированно оригинальных не было, и сравнить не получилось. А в документации написано, что способны работать на частоте 200кГц. Из другой партии транзисторы оказались более удачными. Во время тестов показали средние результаты. Возможно подделка хорошего качества. Пока не представилась возможность проверить их на полной мощности DRSSTC.
        В процессе многочисленных покупок радиодеталей увеличивается вероятность купить подделку. Один раз мне попались поддельные транзисторы FGH60N60SMD из китайского магазина. Они оказались без обратного диода и не работали на частоте более 150кГц. На частоте менее 150кГц работали, но тоже не очень хорошо. В другой раз оказались FGH60N60SFD, а не SMD. Я сравнил две документации на транзисторы. SFD – это не подделка, но у них немного отличаются параметры по времени вкл./откл., а так же по температуре и рассеиваемой мощности. SMD лучше. Нужно быть бдительным в теме подделок. Вероятно, есть множество других транзисторов с подходящими параметрами. Мне довелось протестировать только выше описанные. Транзисторы прикреплены к большому радиатору через термопрокладки. Радиатор сильно разогревается после 15 минут проигрывания музыки.

ПО КАКИМ ПАРАМЕТРАМ ВЫБИРАТЬ ТРАНЗИСТОРЫ

        Краткое описание чтоб сориентироваться в документации.
        Рассмотрим параметры на примере транзистора IRGP50B60PB1 и его Datasheet. На первой странице нужно посмотреть есть ли в транзисторе обратный диод. Без диода транзистор нежелателен.

        Главный параметр IGBT при постройке DRSSTC это частота. Если транзистор не может переключаться на высокой частоте, то хоть какие у него другие невероятные характеристики, а он будет сильно греться, трещать и быстро перегорит. Быстрых IGBT (100-200кГц) не так уж и много, но с каждым годом появляются новые. В документации следует обратить внимание на надпись, сообщающую о том, что транзисторы способны переключаться с частотой до 150кГц (при этом не указано в каком режиме hard-switch или resonant mode). Не во всех документациях может присутствовать такая надпись. mTesla работает на частоте 230-240кГц и транзисторы нормально её переносят.
        Для выбора по частоте следует еще взглянуть на графики после всех таблиц документации. Там бывает присутствует такой график Load Current Vs. Frequency. По нему можно посмотреть ток нагрузки в зависимости от частоты. В документации на IRGP50B60PB1 его не оказалось.
        С частотой связано время открытия и закрытия транзистора, это логично. Если транзистор будет очень долго открываться и закрываться, то нормально работать в DRSSTC он не сможет и сгорит в конце концов.
        Время открытия и закрытия транзистора представлено в таблице ниже.

        Совершенно очевидно, что чем меньше это время, тем лучше. Следует обратить больше внимания на Turn-Off delay time. Это время, после которого электрический ток через транзистор начнет уменьшаться при завершении сигнала на затворе. Оно не должно превышать 5% от длительности одного периода работы транзистора. При частоте 240кГц это не более 220нс.
        Иногда в документации на графиках встречается такая формула fmax=0,05/(td(off)+td(on)) = ~300кГц для IRGP50B60PB1.
        Время включения мне представляется должно быть в районе 100нс не более (34+26=60).
        Время выключения в районе 200нс (130+43=173) .
        Ну и еще влияют разные факторы, типа насколько быстро драйвер может зарядить затвор IGBT и т.п.

        Следующим пунктом идет таблица максимальных параметров. Я мельком гляжу на неё пока листаю документацию до таблиц на 2 странице.

        Смотрим, какое напряжение можно подавать на силовую часть. Во всех современных IGBT оно не менее 600В. Если напряжение 1200В, то такой транзистор будет стоить дороже и столько много нам не нужно.
        Далее интересует максимальный импульсный ток в 150А и напряжение на затворе, которое его не пробьет. От величины тока зависит мощность DRSSTC и соответственно длина высоковольтного разряда. В некоторых учебниках сообщается, что IGBT способны кратковременно выдерживать 5-10 кратные перегрузки по току.
        Для затворов написано напряжение 20В, однако в реальности затвор может выдержать и немного больше (импульсно конечно же). Не стоит превышать это значение, рассчитывая выходное напряжение драйвера или витки GDT. Ну и другие параметры типа рассеиваемая мощность или ток через обратный диод.

        Затем я смотрю на емкость затвора (входную, выходную и проходную).

        4,75нФ входной емкости это верхний предел для небольших DRSSTC. Выше этого значения лучше транзисторы не брать. В других подходящих транзисторах этот параметр находится в пределах 2-4нФ. Выходная емкость 200-300пФ. В IRGP50B60PB1она 390пФ – это так же многовато. Если в драйвере присутствуют два выхода для двух отдельных GDT, то он соответственно сможет заряжать затворы большей емкости. В данном случае речь идет о мини драйвере с одним GDT.

Рисунок 4 – Коммутатор тока

        Рассмотрим полу-мост далее. С2 и С3 это метало-пленочные конденсаторы создающего среднюю точку. Их номинал от 2,2 до 6,8мкФ 400В (в разных версиях разные конденсаторы). В емкостном делителе можно использовать два электролита, совместив выпрямительный конденсатор С5 и делитель. Однако, емкости конденсаторного делителя из метало-пленочных конденсаторов вполне достаточно чтоб не использовать электролиты.
        В выпрямителе используется конденсатор 1000мкФ 400В (С5). Он должен обладать по возможности наибольшим током пульсации и наименьшим сопротивлением ESR. В документации эти параметры прописаны как LowESR и High ripple current. Такие конденсаторы весьма редки на нашем радиорынке (РБ, Минск) и стоят гораздо дороже обычных. Мне предлагали купить один за 60$. Адекватная цена в 2-3 раза меньше. Необходимость подобного конденсатора вызвана тем, что в определенные, очень короткие промежутки времени источник должен выдать максимальный ток. Работа DRSSTC возможна и с обычным конденсатором-электролитом, но результаты (длина разрядов) будут хуже. Чем больше емкость конденсатора C5, тем лучше. С увеличением емкости увеличивается размер конденсатора, и он перестает влезать в корпус. Номиналы остальных деталей на общей схеме в конце статьи. О них написано в прошлых статьях.

НУЖЕН ЛИ КОНДЕНСАТОР С6?

        Известный разработчик DRSSTC Стив Вард на одной из страниц своего сайта рекомендует установить конденсатор 0.1uF между заземлением и минусовым проводом и еще один такой же между плюсом и минусом питания. Эти конденсаторы защищают генератор от попадания высоковольтного разряда в первичную обмотку, организуя свободный путь к земле излишней энергии.
        Такая схема создает дополнительные шумы на минусовой шине, которые пролезают через GDT в драйвер. Эти шумы устраняются ферритовым кольцом подавления индуктивных помех на проводе GDT со стороны драйвера. Его можно снять с какого-нибудь прибора. Но вот у меня его не нашлось. Катушка долго работала без этого кольца и всё было нормально.
        В схеме рис.4 С6 выполняет роль первого конденсатора, а С4 второго. С4 как был 470n так и остался. Он так же компенсирует индуктивные выбросы от проводников в схеме, по этому, его следует устанавливать к выводам транзисторов ближе всего прочего. С этим конденсатором всё в порядке. А вот С6 действительно создает помеху от работающей катушки через землю. И всё бы ничего, но вот решил я включить сразу две катушки рядом. В одной конденсатор С6 был, в другой нет.

Рисунок 4.1 – Катушки Тесла (справа с конденсатором С6, слева без него)

        На рисунке 4.1 видно, что разряд у катушки справа стал на мгновение максимально толстым. И катушка выключилась. Когда я стал разбираться, то выяснилось, что сгорел драйвер, а силовые транзисторы, уже в который раз, спас предохранитель питания. Драйвер открыл транзисторы без прерываний. Работа началась только от обратной связи, типа CW режим. У меня возникли пару версий. И первая – это вышеназванная помеха, которая усилилась от двух катушек т.к. они были включены в один удлинитель. Были еще другие версии, типа одна катушка стала приемником для другой, или драйвер сам собой помер от нагрузки, так как состоял из SMD микросхем, которые перепаивались 5-6 раз. Короче говоря, нужно выполнять рекомендуемые требования до конца – ставить ферритовое кольцо на провод GDT или не ставить конденсатор C6. Первоначально я выбрал второе, т.к. практика показала, что при такой геометрии катушки и контурных конденсаторах CBB81 разряды не пробивают в первичную обмотку.
        Ситуация изменилась с установкой в первичный контур конденсаторов CDE942. Пробои между обмотками возникают, нужно спасать транзисторы. В более мощной вариации генератора с CDE контурными конденсаторами установлен конденсатор на землю 100n и нашлось ферритовое кольцо на первичную обмотку GDT. В менее мощном генераторе с конденсаторами CBB81 это делать не особо нужно.
        Версия о том, что одна катушка является приемником для другой тоже подтвердилась. Я специально выключил одну катушку из розетки питания и стал включать вторую. Через 10-15сек красный диод на передней панели корпуса отключенной катушки начинает светиться. Диод подключен через резистор 300кОм на +-310В.

        2.РЕЗОНАНСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОР.

        Резонансный трансформатор располагается над корпусом генератора. Он состоит из двух колебательных контуров. Контура настроены приблизительно на одну резонансную частоту. Параметры контуров в таблице 1. В первичном контуре в разное время использовались два типа конденсаторов: самые распространенные полипропиленовые CBB81 и более редкие, дорогие и качественные CDE942. Напряжение конденсаторной сборки 4кВ. При замене конденсаторов CBB81 на CDE942, различающихся на 3 нФ пришлось перенастраивать резонанс, изменяя длину провода первичной обмотки до платы.

Рисунок 5 - Первичная и вторичная обмотки резонансного трансформатора

Таблица 1– Параметры контуров.

Первичный контур Вторичный контур
Кол-во витков обмотки, шт. 8 1200
Диаметр провода, мм 2,76 (сечение 6мм2) 0,18
Высота намотки, см 4,5 25,5
Диаметр каркаса обмоток, см 10 8
Индуктивность, мкГн 12 32400
Емкость 47-50нФ (конденсаторы) 14пФ (тороид+катушка)

        Рабочая частота в пределах 230кГц-240кГц. Расчет частоты выполнен в MathCAD. Без него запустить трансформатор с двумя контурами сложно, но можно. При расчете вторичной обмотки учитывалось правило четверть-волнового резонанса на краях. Можно его и не учитывать, но тогда, при низком BPS разряды лезут из катушки и происходят пробои на первичную обмотку. К верхнему выводу катушки подключен разрядный штырек длиной 5см. Такая конструкция создает разряд в 40см при значениях прерывателя 120мкс/4мс. Изменяя некоторые параметры трансформатора и генератора можно еще немного увеличить длину разряда, но это скажется на стабильности и длительности работы.
        Первичная обмотка сечением 6мм2, при этом, в паре с конденсаторами CDE942 она нагревается через 5 мин. работы.

        Емкость для вторичной обмотки сделана из алюминиевого гофрированного воздуховода 8х23см. Тороид дополнительно сшит проволкой чтоб не расползался.

Рисунок 6 –Емкость вторичной обмотки в форме тороида

        У меня есть картоновый круг по размеру тороида, по его шаблону происходит изготовление. Изменение диаметра на небольшое значение нарушает рабочую частоту и катушка начинает плохо работать. Крепление к штырю катушки осуществляется пластиковым кругом.

Рисунок 7 – Крепление обмоток

        Вторичная обмотка легко вытаскивается из первичной для удобства переноски. Заземление подключается к основанию вторичной обмотки с помощью ножевого разъема. Ответная часть крепится к каркасу катушки заклепкой. Одна заклепка со временем начинает крутится вместе с разъемом. По этому, в последующих версиях сделаны две, более мелкие заклепки. Обмотка покрыта защитным лаком.
        Высоковольтная обмотка резонансного трансформатора обязательно должна быть заземлена. В целях электробезопасности на плате генератора не предусмотрен конденсаторный делитель для замены заземления. Вместо заземления тестировалось зануление. Без контакта с «землей» катушка не работает.
        Рассматривался вариант с конденсаторным делителем. Однако, после длительной работы на частях трансформатора остается большой статический заряд. Я дотрагивался до катушки с тороидом, в которой заземление заменено конденсаторным делителем спустя пол часа после её выключения и получал сильный удар током. В заземленной катушке избыточный заряд тоже накапливается, но на его беспрепятственный уходит в землю требуется гораздо меньше времени. Проблема возникает когда, нужно быстро собирать катушку после завершения её работы. Поэтому в целях электробезопасности в представляемом трансформаторе используется пока только заземление. Возможно, что в будущих версиях что-то изменится.

        Однажды во время настроек я решил оценить максимальное выходное напряжение по длине высоковольтного разряда с вершины вторичной обмотки. Для этого над катушкой на высоте 50см был подвешен металлический предмет, подключенный к заземлению. Предполагалось, что на 1мм воздушного промежутка приходится 1000В, выходное напряжение получиться 500кВ.

с конденсаторами CBB81

с конденсаторами CDE942 (или рис.1)

Рисунок 7.1 – Высоковольтные разряды длинной 50см

        Оказалось, что катушка легко пробивает 50см. А большего мне и не нужно.
         Фотоаппарат снимает с небольшой задержкой и получается прекрасный вид. Можно посмотреть, как это выглядит на коротеньком видео.

         С CDE942 разряды немного длиннее и толще, чем с конденсаторами CBB81, по фотографии понять это сложно, выглядят практически одинаково и зависят от удачности кадра. Зато можно посмотреть видео, на котором две катушки поют одновременно.

        На этой мелодии заметно, что на высоких нотах прерыватель уменьшает ширину рабочего импульса. При этом разряд на катушке слева (она с конденсаторами CDE942) вырастает больше. Катушка справа с конденсаторами CBB81. Ток в её первичном контуре не успевает вырасти до значения тока в другой катушке и разряд меньше. Для достижения длинных разрядов нужна ширина рабочего импульса побольше. За скорость нарастания тока и напряжения в контуре как раз и отвечают конденсаторы. Смотрим документацию на CDE942 и удивляемся параметрам. К тому же с CDE в контуре получается на 3нФ больше. Катушка, которая справа отличается драйвером и GDT у неё 1:1. Это тоже какую-то свою маленькую роль играет. Так же на этом видео можно увидеть, как на низкой частоте произошел пробой на первичную обмотку. Ниже видео с другой мелодией (Mortal Kombat). Тут участвуют другие ноты и разницы практически не заметно.

        С конденсаторами CBB81 катушка может проигрывать мелодии не менее 15мин. С конденсаторами CDE942 транзисторы, через может 8-10мин. непрерывной работы должны предположительно сгореть. Очень сильно нагревается радиатор. Я не решился спалить транзисторы, чтоб уточнить это время. Стоимость одного FGH60N60SMD у нас на радиомаркете мне обошлась в 5,5$. Из Китая нормальные транзисторы так и не приехали, пришлось пойти купить.
        За счет своих свойств (скорость нарастания тока и напряжения) конденсаторы CDE значительнее увеличивают ток в первичном контуре, как отмечалось немного выше. Чтоб уладить ситуацию и уменьшить нагрев можно провести некоторые мероприятия, например, установить дополнительно внешние обратные диоды. Они будут отводить часть тепла от транзисторов. Еще один вариант – устранить саму причину нагрева. Установка драйвера с коррекцией обратной связи (предиктором) обеспечивает точное переключение и очень хорошо уменьшает нагрев транзисторов. Об драйверах речь пойдет в следующем разделе.

        3. СХЕМА УПРАВЛЕНИЯ - ДРАЙВЕР.

        Драйвер для полу-моста построен на основании изучения различных схем управления транзисторными катушками Тесла с сайта Стива Варда, а так же некоторых других схем, которые встречаются в интернете. Различные схемы управления DRSSTC предназначены для одной общей задачи – переключения силовых транзисторов коммутатора тока четкими резкими фронтами в то время, когда через них не протекает электрический ток или ток минимален. В увиденных драйверах различается схемотехника, улучшены или ухудшены какие-то характеристики, используется аналоговые микросхемы или цифровые микроконтроллеры, но суть остается. Более сложные схемы умеют отключать работу при превышении тока через силовые транзисторы или обладают какими-то другими дополнительными функциями.
        Для уменьшения конструкции драйвера при достаточно мощном выходном каскаде были проведены различные тесты в симуляторе и на макете. В результате получилась схема, представленная на рисунке 8.

Рисунок 8 - Схема управления mDriver 1.5

        По аналогии с mTesla к схеме прижилось название mDriver. Логика обеспечивает мягкое переключение силовых транзисторов коммутатора тока по тактовому импульсу ОС. Реализована возможность использования транзисторного усилителя в выходном каскадеси при этом все компоненты поместились на небольшую плату.

Рисунок 9 – Внешний вид драйвера

        Плата драйвера помещается в металлический корпус и подключается к основной плате с помощью шлейфа. Управляющий сигнал поступает через опто-волоконный кабель в HFBR опто-приемник. Этот драйвер может работать в любой другой DRSSTC. На плату добавлена микросхема NE555, управляющая включением реле системы плавного запуска.
        Построены несколько вариантов отличающихся SOP и DIP корпусами микросхем. Замечено, что неисправности драйвера в основном сводятся к неисправности какой-то микросхемы или некачественному её монтажу. В этом отношении выигрывает DIP-корпус микросхем. Однако, драйвер из SMD деталей не требует сверления отверстий и изготавливается очень быстро. В случае поломки в отделенном от основной платы драйвере легче искать неисправность. Два синих проводка на схеме обязаны своим появлением некорректной печати двух дорожек.
        mDriver еще не достиг предела своего потенциала. Версия 1.5 временная. В новой версии предполагалось добавить в схему предиктор и заменить микросхему задержки запуска реле на транзистор или еще что-то т.к. она занимает много места. Схема в разработке.
        Каков принцип действия сразу становится понятным, стоит лишь взглянуть в datasheet микросхемы 74HC368 (инверторы с ENABLE входами). Драйвер свою задачу выполняет прекрасно. Пробный запуск новой версии mTesla с этим драйвером представлен на видео.

        Катушка работает самым обычным образом. Разряды 35 см, рабочие параметры время 100мкс/5-4мс, небольшой сквозняк сдувает разряд влево.
        Ранние версии схемы выглядели по-другому. На основной плате выполнена разводка mDriver 1.0. Он без OCD, простой и надежный. Его вполне достаточно для создания разрядов 35-40см без вреда для силовой части. Он легко собирается. Принцип работы драйвера можно понять, прочитав о постепенных этапах проектирования.

СПОЙЛЕР ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДРАЙВЕРА

         Для управления небольшой транзисторной катушкой Тесла нужна была простенькая и небольшая схема. Основные требования к ней были приемлемые фронты на выходе и организация «мягкого» переключения в силовой цепи. А так же малый размер платы и относительная простота конструкции.
        В результате проведенных работ по проектированию схемы, разводке платы в EagleCad, изготовлении платы т.п. появился драйвер, представленный на рисунке 9.1.

Рисунок 9.1– Драйвер с микросхемами UCC37321/22 на выходе

        Выходной каскад состоит из двух микросхем UCC37321 и UCC37322. Драйвер повторяет известную схему Стива Варда из его DRSSTC 1 с отличием в том, что J-K триггер заменен на D-триггер. D-триггеры больше распространены, их легче купить. Для проведения тестов в схему был добавлен OCD из UD1.3b всё того же Стива Варда. Выходной ток UCC37321/22 по документации достигает 9А импульсно. Они могут управлять полу-мостовым коммутатором и без дополнительных усилительных транзисторов.
        Представленный драйвер сгорел во время запуска двух катушек одновременно (см. пункт 1). Конкретно в нем перегорели микросхема 74HC74 и еще что-то с обратной связью (вроде нерабочие некоторые инверторы из 74HC14). Подробно разбираться я не стал и демонтировал плату. В ходе работы с этим драйвером выявилась партия бракованных микросхем с неработающим ENABLE. Ими оказались UCC37322 SMD.
        Для его замены, по аналогичной схеме был построен драйвер с использованием микросхем в DIP-корпусах. Сперва схема работала хорошо. Но в какой-то момент во время очередной настройки в сигналах затворов возникли провалы. Почитать об этом можно в пункте GDT.
        После этого решено было построить драйвер с выходными усилительными транзисторами. Появилась схема, представленная на рисунке 9.2.

Рисунок 9.2 - Схема управления DRSSTC

        Рассмотрим подробнее как схема работает. Общий принцип такой. Входной сигнал от прерывателя через опто-приемник HFBR поступает на вход 1 IC4 (D-триггер) и активирует инверсный выход Q- (вывод 6 в IC4). Этот выход подключен к двум входам ENABLE микросхемы-драйвера UCC27425 (выводы 1 и 8 в IC5). На два других входа этой же микросхемы подается сигнал обратной связи с разной инверсией. Q- дает разрешение на запуск, и на выходах 5 и 7 (IC5) получается противофазный сигнал, который подключается к транзисторному усилителю на двух микросхемах AP4501GSD – это сдвоенные транзисторы. Они перезаряжают затворы силовых транзисторов коммутатора тока через GDT и таким образом DRSSTC работает. D-триггер срабатывает по фронту сигнала ОС чем обеспечивается мягкое переключение силовых транзисторов при больших контурных токах. Логику работы D-триггера можно понять из этой статьи, если провести аналогию с J-K триггером.
        В отсутствие высокого уровня сигнала на входах EN микросхемы UCC27425 на выходах этих микросхем тоже ноль. После включения прерывателя и срабатывания инверсного Q-выхода 6 D-триггера, EN становятся высокого уровня - H.

Таблица 2 – Таблица истинности микросхемы UCC27425

        При этом, как видно из таблицы 2 выход OUTА микросхемы UCC27425 становится высокого уровня, в то время как выход B не изменяется. Это незначительное переключение запускает дальнейший процесс, появляется сигнал на GDT, ток начинает протекать через первичную обмотку. Появляется обратная связь и драйвер работает совместно с ней в обычном режиме. Т.е. такая схема способна запустить DRSSTC благодаря этому первому импульсу.
        Схема была построена и протестирована.

Рисунок 9.3 – Драйвер с микросхемой UCC27425 и усилительными транзисторами

        Во время тестов выяснилось, что у микросхем UCC27425 не работает EN вход. Генератор запускался в режиме без прерываний. В результате взрывались предохранители в схеме питания (хорошо, что не силовые транзисторы). Микросхемы заказывались в различных интернет магазинах в Китае. Они были от разных производителей и в разных корпусах DIP и SOP. Так же были куплены микросхемы MIC4225. Однако и в них ENABLE вход оказался не рабочим. Похоже, что там у них в Китае стоит один станок, и штампует одинаковые микросхемы с разной маркировкой. В итоге в драйвере оказались IXDD604. Возможно, у кого-то не работает драйвер, а причина именно в некачественных микросхемах. Нужно покупать оригинальные детали у надежных продавцов.
        У микросхем IXDD604 оба выхода не инвертирующие, а драйвер работает при противофазном сигнале. Для этого перед одним из входов нужен дополнительный инвертор. Или подключить вход 4 IXDD604 в точку между двумя инверторами. На изготовленной плате был прокинут проводок и перерезана дорожка.

Рисунок 9.4 – Логика обратной связи для IXDD604

        У драйвера по схеме на рисунке 9.2 есть определенный условный недостаток. Он заключается в том, что сигнал на выходе усилительных транзисторов начинается с высокого уровня. Эта ситуация возникает из-за того, что P-канал транзисторной сборки 4501 открывается при отсутствии сигнала с UCC27425. Так как исток этих транзисторов подключен к +15В это напряжение попадает на выход сборки и соответственно на GDT. Электрический ток при этом не протекает и DRSSTC не запускается. При наличии сигнала на выходе UCC27425 открывается N-канал, а P канал закрывается. Таким образом транзисторы переключаются в противофазе, а DRSSTC работает
        Для устранения такой ситуации были промоделированы множество вариантов схемы логики в ISIS Proteus. Но в итоге общий вывод сводится к схеме, как это ни странно, Стива Варда и конкретно его драйвера UD1.3b. D-триггер рис.9.5 разрешает работу (Q выход 5 микр.IC3A) и на выходе двух элементов «И» микросхемы 74HC08 (IC2C, IC2D) появляется противофазный сигнал, который поступает через микросхему UCC27423 в усилительный каскад. В схеме на рисунке 9.5 использована микросхема-драйвер с двумя инвертирующими выходами.

Рисунок 9.5– Часть схемы UD1.3b

        Можно использовать не только логические элементы «И», а допустим «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ». Нужно чтоб драйвер UCCxxxxx переводил оба выходных сигнала в высокое состояние при подаче напряжения питания. А так же работал противофазно во время управляющего импульса от прерывателя. Для этого нужно подавать на вход самого драйвера уже противофазный сигнал. При этом сигнал на первичной обмотке GDT начинается с нуля. По другому эту ситуацию не решить. Если повторить подобную схему как на рисунке, то дополнительная микросхема 74HC08 уже не влезает на мини плату драйвера. Пришлось что-то придумывать и моделировать схемы в симуляторе.
        Чтоб не объяснять на пальцах я нарисовал промоделированные схемы понятным образом с указанием логических уровней прохождения сигнала.

         Схема с использованием логического элементом «И» (AND).

         Схема с использованием логического элемента «ИЛИ-НЕ» (NOR).

         Схема с использованием логического элемента «И-НЕ» (NAND).

        Преимущество такой схемы в том, что не нужно использовать микросхему 74HC14. В схеме логики получается на одну микросхему меньше. Это очень хорошо для мини драйвера. Недостаток в том, что если нужно добавить в схему OCD, то для этой цели уже не остается логических элементов. В представленном варианте применена микросхема 74HC132, потому что она содержит триггеры Шмитта на входах. В результате такая ситуация мне понравилась и чтоб отличать схему от множества других она назвалась mDriver 1.0.

Рисунок 9.6 – mDriver 1.0

        Рабочая модель в ISIS Proteus (ССЫЛКА).

        Во время настроек DRSSTC практически всегда использовалась эта схема.
        При отсутствии микросхемы-драйвера на посадочной площадке на входах транзисторов возникает уровень неопределенности и одновременно открываются P и N каналы. Получается КЗ и транзисторные сборки перегорают (проверено). Этого нельзя допускать.
        В выше представленных схемах можно использовать не только указанные микросхемы драйверов UCC2742х и IXD_604, но и множество других микросхем с двумя входами и выходами в одном корпусе. Главное проследить правильность сигнала до выхода, учесть параметр выходного драйвера (инвертирует/не инвертирует) и подправить ситуацию добавлением/убавлением какого-нибудь инвертора. Вход ENABLE всегда подключен к плюсу питания и не переключается во время работы. По этому, выгоднее использовать микросхемы без этого входа (IXDN604, UCC37324 и т.п.). У меня он и так не работал по причине брака. Предпочтительнее микросхемы с выходным током, не менее 4А. Тестировалась микросхема с 2А выходного тока. Фронты сигналов становятся более растянутыми. Так же я полагаю можно достичь желаемого результата не только с элементами «И», «ИЛИ» и т.п., а допустим с каким-нибудь счетчиком.

         Еще одна вариация на ту же тему.
        Еще немного меньше и проще. Бюджетный вариант без усилительных транзисторов. Подойдет для небольшой DRSSTC. Можно использовать IXDI614 (что я и сделал) или TC4451. У этих микросхем выходной импульсный ток 13-14А, но стоят они дороже. Или те же UCC37321 (входы EN на +15В). И с ними будет работать, проверено на макете.
        Иногда возникает ситуация, когда драйвер отказывается работать корректно, или работает с подключенным к какому-нибудь контакту на плате щупом осциллографа, а без щупа не работает. После множества перепаек платы mDriver 1.0 перестал работать на большой мощности, когда ширина импульса увеличивается более 50мкс. Такая проблема устраняется подключением между входом обратной связи в микросхему и общим проводом резистора R2 100кОм.

Рисунок 9.7 – Резистор 100к в цепи ОС

        Пробовались различные изменения ОС. С дополнительной катушкой индуктивности можно решить вопрос. Резистор – самый простой метод. У меня эта ситуация произошла в одном драйвере, и когда-то давно с ней сталкивался. По этому на схеме резистор устанавливается по месту и по необходимости.
        Из показанных примеров каждый может выбрать себе драйвер для постройки DRSSTC или спроектировать под собственные нужды. Информация предоставляется к сведению. После того как становится понятным что должна делать схема управления и каким образом этого достичь открываются широкие перспективы на выполнение этой задачи с использованием различных типов микросхем логики. Я поизучал немного производственную базу микросхем. Выбрал несколько штук, содержащих в одном корпусе различные логические элементы и выполняющие разные функции. Понял, что это надолго и остановился на варианте схемы, представленной на рисунке 8. Эта схема со временем пришла к названию mDriver 1.5 и используется в настоящее время.

         Для настройки драйвера нужен генератор импульсов. В моем случае он выглядит как на рис.9.7.1

Рисунок 9.7.1– Генератор импульсов

        После постройки схема драйвера проверяется на отсутствие коротко замыкания по питанию. Затем, с подключенным в схему амперметром постоянного тока подается напряжение 12В. Если дым ни откуда не пошел, а на амперметре не более 0,1А, подключается прерыватель, вместо обратной связи подключается генератор импульсов (обычно синус с частотой 100кГц) и смотрится сигнал от выхода в обратную сторону до входа. Если сигнал сразу есть на выходе – то ура, драйвер работает.

        

СПОЙЛЕР СТРУКТУРА МИКРОСХЕМЫ-ДРАЙВЕРА

         Микросхемы-драйвера типа UCCххх, IXDхххх и подобные нужны для того, чтоб создавать очень короткое время открытия силовых транзисторов IGBT в полу-мосте DRSSTC, перезаряжая их большую затворную емкость с помощью своего большого импульсного тока. По этому, и сами они обладают малыми длительностями фронтов/спадов и задержками.
        В ходе работы решено было узнать, возможно ли обойтись без микросхем-драйверов т.к. их довольно сложно найти в продаже в местных магазинах радиодеталей. Если взглянуть на внутренний состав микросхемы, например UCC37321, то можно заметить, что она обладает своей схемой логики и выходным транзисторным усилителем (так же как и весь драйвер DRSSTC).

Рисунок 9.8 – Структура микросхемы UCC37321 (UCC37321 c инвертором DA1, UCC37322 без него.)

        Входной сигнал обратной связи (вход IN) с инверсией или без неё поступает на вход лог. элемента «И-НЕ» DA3. Туда же поступает сигнал с прерывателя через вход ENBL. Когда сигналы присутствуют на обоих входах, DA3 начинает пропускать нужный нам сигнал ОС и далее через инвертор DA4 на выход и управлять транзисторным усилителем. Мощный выходной усилитель состоит из двух параллельно включенных каскадов на полевых и биполярных транзисторах. Именно это позволяет достичь высокого быстродействия с большими выходными токами. Полевые транзисторы VT2 и VT3 – это комплементарная пара разной проводимости. VT4 и VT5 – одинаковые биполярные n-p-n транзистор. Их противофазную работу обеспечивает инвертор DA5. В микросхеме UCC27425 вся выше представленная структура удваивается в количестве. Элементы легко доставаемы, однако, это получится дополнительная схема величиной с сам мини драйвер. От идеи строить схему в замен маленькой микросхемки решено было отказаться.
        Сравнивая внутреннее строение микросхем, которые я использовал (UCC2742x, IXD_604 и MIC 422х) я заметил, а вернее не заметил биполярных транзисторов в микросхеме IXD_604. В них только сборка из комплементарных полевиков. Время включения, выключения и задержек у трех видов микросхем примерно одинаковое. Они равноценно могут заменять друг друга.

        

СПОЙЛЕР ПОЧЕМУ ВО МНОГИХ ДРАЙВЕРАХ SSTC И DRSSTC ИСПОЛЬЗУЕТСЯ МИКРОСХЕМА 74HC14

         Из документации на микросхему становится известно, что 74HC14 это триггер Шмитта, выполняющий логическую функцию «НЕ», или можно сказать инвертирует сигнал. В корпусе одной микросхемы находится сразу шесть инвертирующих триггеров.

Рисунок 9.14 – Структура микросхемы 74HC14

        В учебнике по электронике написано, что триггеры Шмитта предназначены для преобразования входных аналоговых сигналов в выходные цифровые сигналы. Использование этих триггеров в DRSSTC связано в первую очередь с необходимостью преобразования аналогового сигнала обратной связи, который уже обрезан диодной вилкой на уровне 5В, в прямоугольную форму. Триггер устраняет пологие фронты, убирает шумы и помехи. В симуляторе ISIS Proteus шумов не видно, а в реальной схеме они присутствуют.

Рисунок 9.15 – Схема обратной связи с использованием триггера Шмитта

        Но почему именно триггер Шмитта, а не допустим обычный инвертор? Если пропустить сигнал через какой-нибудь буфер, то он так же станет прямоугольным. Определим преимущество триггера Шмитта.
        Зависимости выходного напряжения от входного (передаточная характеристика), для триггера Шмитта будет гораздо сложнее, чем для обычного элемента.

Рисунок 9.16 – Передаточные характеристики (слева-обычный инвертор, справа - триггер Шмитта)

        В случае просто инвертора при входных напряжениях ниже определенного порога срабатывания Uпор выходной сигнал имеет высокий уровень, а при входных напряжениях выше этого порога Uпор — низкий уровень. При этом не имеет значения, возрастает входное напряжение или убывает.
        А в случае триггера Шмитта с инверсией принципиально как раз направление изменения сигнала. При возрастании входного сигнала от нуля до напряжения питания порог срабатывания будет одним (Uпор1), а при уменьшении сигнала от напряжения питания до нуля — другим (Uпор2), причем Uпор1 > Uпор2. В результате на графике образуется своеобразная петля. Выходной сигнал как бы запаздывает переключаться при возврате входного к исходному уровню. Это называется эффектом гистерезиса (запаздывания).
        Наличие гистерезиса приводит к тому, что любой шум, любые помехи с амплитудой, меньшей величины (Uпор1 – Uпор2), отсекаются, а любые фронты входного сигнала, даже самые пологие, преобразуются в крутые фронты выходного сигнала. Главное — чтобы амплитуда входного сигнала была большей, чем (Uпор1 – Uпор2).
        Говоря простыми словами при наличии нарастающего входного сигнала при достижении определенного порогового уровня напряжение на выходе скачком прейдет из 1 в 0. Так же и при спаде импульса на определенном уровне напряжения выходной сигнал изменится с 0 на 1. Пороговые напряжения составляют около 1,7 В (Uпор1) и около 0,9 В (Uпор2).
        На рис. 9.17 показано, как будет реагировать на сигнал с пологими фронтами и с шумами обычный инвертор и триггер Шмитта с инверсией.

Рисунок 9.17– Реакция на искаженный сигнал (слева-обычный инвертор, справа - триггер Шмитта)

         Заметно, что при использовании обычного инвертора возможны скачки сигнала, ложные срабатывания. В триггере Шмитта этого не происходит. С учетом того, что катушка Тесла создает множество шумов достаточно большой мощности, триггер Шмитта выполняет весьма важную функцию обеспечивающую безошибочную работу остальной логики в схеме управления.

        Часть описания и рисунки 9.16 и 9.17 взяты из [7].

        

ПОДСТРОЙКА ОБРАТНОЙ СВЯЗИ – ПРЕДИКТОР.

         Принцип действия подстройки основан на том, что катушка индуктивности в цепи ОС способна изменять фазу входного сигнала. Это нужно для того, чтобы устранить время запаздывания распространения сигнала по элементам схемы.
        В результате запаздывания силовые транзисторы переключаются в момент, когда ток в силовой цепи не равен нулю. Это вызывает их нагрев, увеличивает потери, ухудшает характеристики DRSSTC. На графике это выглядит так:

Рисунок 9.18 – Ток (синим) и напряжение (желтым) на выходе полу-моста

        Как видно, ток пересекает ноль и спустя около 300нс начинает возрастать напряжение (т.е. IGBT начинает закрываться). Так как ток не равен нулю в момент закрытия, появляются искажения и выбросы самоиндукции. Чем больший ток разрывается, тем больше эти выбросы. Желтый канал Uх10.
        А в это время на затворе транзистора.

Рисунок 9.19 – Напряжение на затворе (желтым), напряжение на выходе полу-моста (белым),
ток на выходе полу-моста (синим)

        Выход полу-моста это коллектор нижнего транзистора. Как видно, напряжение на затворе и на коллекторе противофазны. По этому на рис.9.18 транзистор именно закрывался. Ток (синим) пересекает ноль, чрез примерно 170нс начинается уменьшение напряжения на затворе. А через еще примерно 120нс наконец, начинает закрываться транзистор. И закрывается еще 60нс.
        Нужно, чтоб транзистор начал закрываться ровно в точке пересечения током нуля. Эту подстройку выполняет предиктор, о котором и речь в этом разделе. Предиктор = предсказатель, предшествует будущему сигналу с другим временем его начала, которое мы сами выбираем с помощью переменной катушки индуктивности.
        Посмотрим задержку при открытии транзистора.

Рисунок 9.20 – Напряжение на затворе (желтым), напряжение на выходе полу-моста (белым),
ток на выходе полу-моста (синим)

        Ток в силовой цепи (синим) пересекает ноль – красная стрелка слева рис.9.20. Через 200нс напряжение на затворе начинает возрастать. Еще примерно через 120нс напряжение на затворе доходит до +5-7В и транзистор начинает открываться. В итоге нужно подтянуть 300-320нс. На затворе есть провал – эффект Миллера. С ним велась борьба в разделе про GDT.
        Начались поиски, откуда столько лишнего времени. В первую очередь были проверены сигналы на входе и на выходе моих драйверов, всех какие есть. Почему то во всех насчиталось не менее 200нс с входа драйвера до выхода. Был собран даже самый примитивный драйвер по схеме Стива и там насчиталось 170нс. Видимо что-то я неправильно считаю. Буду еще разбираться с этим вопросом.
        Затем решено было посмотреть, как повлияет на сигнал простейшая схема с катушкой в ОС.

Рисунок 9.21 – Схема ОС

        Схема была собрана на макетной плате, в ней были опробованы различные номиналы деталей (долгая история).

до подстройки

после подстройки

Рисунок 9.22 – Осциллограмма тока через силовые транзисторы

        По осциллограммам видно, что производя подстройку сигнала с помощью переменной индуктивности, шумы при переключении силовых транзисторов DRSSTC снижаются. Но эти шумы уменьшаются недостаточно, хотя фаза сигнала изменяется в широких пределах. Картинка – с подстройкой рис.9.22 – это наилучшее, чего удалось достичь.
        Для сравнения из моей DRSSTC1.2 был вытащен драйвер с другим предиктором из известной схемы UD2.1.

до подстройки

после подстройки

Рисунок 9.23 – Осциллограмма тока через силовые транзисторы

        

желтым – напряжение на выходе полу-моста, синим - ток
Ток пересекает ноль в точке открытия транзистора. Помехи минимальные.

Рисунок 9.24 – Ток и напряжение на выходе полу-моста (с подстройкой ОС)

        Как видно по рис.9.23-9.24 этот драйвер очень хорошо убирает шумы переключения. Видимо, в схеме у Стива положительное влияние оказывает быстродействующий компаратор или может какая-то шумоподавляющая цепь, нужно еще разбираться. Короче говоря, в таком варианте как на рис.9.21 схема драйвера усложняется, но толку в этом мало. По этому, от простого предиктора на ранних этапах решено было отказаться.
        Схема более качественной подстройки обратной связи, появится в будущих версиях мини-драйвера. Она сейчас в разработке. Для того чтобы минимизировать время распространения сигнала, решено использовать более скоростные микросхемы, содержащие в своем названии букву А, например 74AHC74. При этом время задержки по сравнению с 74HC74 сокращается всего на 10-15 нс, около того.

        

        Трансформаторы тока обратной связи.

        Эти трансформаторы надеваются на кусок провода и припаиваются к основной плате. С них сигнал поступает в драйвер. Один из трансформаторов обеспечивает обратную связь, второй передает сигнал в детектор превышения тока – так называемый OCD.

Рисунок 10 – Трансформаторы тока в mTesla

        ТТ обратной связи.

        В качестве трансформаторов обратной связи выявилось несколько примерно равнозначных вариантов: 1- самодельный трансформатор тока из 100 витков проводом 0,35 мм на сердечнике размером 25,3х14,8х10мм материал N87 EPCOS. Либо миниатюрный китайский трансформатор тока из 200 витков на неизвестном высокочастотном сердечнике. Так же тестировался составной вариант из двух колец размерами 20х10х7мм. Первый вариант гораздо дешевле т.к. китайские трансформаторы (их куча разных названий и модификаций) стоят не менее 5$/шт. Вполне приемлемы по цене и надежности два маленьких кольца составного трансформатора.
        Во время тестов первоначально использовался составной трансформатор из двух колец по 33 витка с коэффициентом трансформации 1:1000. С ним сигнала ОС можно сказать, вообще не было и драйвер не хотел работать. Почему? Ответ далее.
        Следующим шагом стала намотка трансформаторов из 50 и 100 витков витой парой. От трансформатора с 50 витками в навал задымился 2х ваттный резистор 1кОм на входе платы драйвера через 1 минуту работы. При 100 витках проводом более тонкого диаметра и аккуратно намотанных на кольцо виток к витку сигнал обратной связи стал по виду гораздо лучше. Фото до и после не заснял. Однако, стабильно генератор стал работать только после того, как драйвер был обвешен электролитами. На вход драйвера не менее 1000мкФ, на UCC 470мкФ или на усилительные транзисторы по 100мкФ. В этой ситуации стал хорошо работать и составной трансформатор из двух колец.
        Так как протестировано несколько вариантов драйверов, замечено, что разные схемы по-разному работают с одними и теми же трансформаторами тока. Например, драйвер с выходными микросхемами UCC очень хорошо работал с двумя китайскими трансформаторами TAK12-02. А когда я перешел на драйвер с выходными усилительными транзисторами, то при использовании этих трансформаторов, а так же ТТ на одиночном кольце из 100 витков (рис.10) стали возникать КЗ в шлейфе, соединяющем драйвер и основную плату. Пришлось использовать составной трансформатор из двух маленьких колец по 30 витков. Проблема так же решается шлейфом с более толстой изоляцией.

        ТТ и схема OCD.

        Для защиты от превышения тока через силовые транзисторы использован точно такой же трансформатор как и для обратной связи. Схема OCD была вытащена с небезызвестного драйвера Стива Варда UD1.3b. В ней меня всё устраивало, кроме микросхемы 74HC08, у которой для работы OCD необходимо задействовать только один логический элемент «И». При этом места микросхема занимает очень много. В итоге ничего упростить в схеме логики OCD не удалось, а большая микросхема 74HC08 заменена на одиночный элемент 74LVC1G08.
        Без OCD mTesla работала долгое время и еще ни разу не взорвалась. Был измерен импульсный ток через транзисторы, и он был при разной мощности 200-240А с контурными конденсаторами CBB1 (c CDE942 ток не замерен). Такой ток транзисторы FGH60N60 вполне нормально переживают. В любом из вариантов с OCD необходимо делать двухстороннюю плату драйвера, что усложняет и удорожает конструкцию. При этом увеличивается надежность DRSSTC. Как работает OCD, и какие варианты были при попытке модернизации схемы можно почитать под спойлером.

СПОЙЛЕР OCD

        При проектировании DRSSTC ставилась цель максимально упростить конструкцию, но после некоторого времени тестов решено было добавить в драйвер OCD. Чтоб далеко не ходить за примерами, был выбран OCD из UD1.3b. Рассмотрим на чем основан принцип работы.

Рисунок 10.1 – Схема OCD

        На схеме рисунка 10.1 видно, что используется второй D-триггер из микросхемы 74HC74. Входной сигнал с трансформатор тока поступает на вход 3 компаратора U6 – LM311. На схеме не показаны выпрямительные диоды и резистор с малым сопротивлением которые обеспечивают преобразование тока из силовой части в эквивалентный сигнал напряжение. На вход 2 этого же компаратора подается эталонное напряжение, которое мы выбираем с помощью переменного резистора RV1. На выходе 7 компаратора постоянно высокий уровень, который поступает на RESET D-триггера. По таблице истинности получается что работа лог.элемента «И» U5 всегда разрешена. Сигнал прерывателя поступает на второй вход «И», далее на вход первого D-триггера и DRSSTC работает в обычном режиме.
        Если на входе компаратора 3 напряжение выше чем на входе 2 (допустим произошло превышение тока) то компаратор формирует импульс, который поступает на RESET и логика D-триггера отключает вход «И» U5, блокируется сигнал прерывателя, и DRSSTC отключается до следующего импульса прерывателя.
        Чтобы понять, как происходят переключения триггера, посмотрим на рисунок 10.2

Рисунок 10.2 – Логика переключения D-триггера

        Первая строчка таблицы истинности на рис. 10.2 показывает логические уровни на входах и выходах D-триггера в стандартной ситуации, когда присутствует импульс прерывателя и DRSSTC работает в обычном режиме.
        Во второй строчке логические уровни, во время, когда происходит короткий импульс с детектора тока. Импульс сообщает, что допустимый электрический ток через силовые транзисторы DRSSTC превышен. По фронту этого импульса выход Q D-триггера отключается, он блокирует сигнал прерывателя через лог. элемент «И» - DRSSTC отключается. (Сигнал прерывателя снят до лог. «И» и, по этому, не видно что он отключается.)
        В следующий промежуток сигнал с детектора прекращается. Обычно этот сигнал очень короткий, на рисунке он представлен более длинным для наглядности. Сигнал прекратился, однако выход Q по-прежнему остается низкого уровня. Это происходит, потому что SET RESET и CLK оказались одновременно высокого уровня. Можно сказать, что триггер защелкивается. К первоначальной ситуации он вернется по завершению импульса прерыватель.
        Зная всё это, я промоделировал множество вариантов с D и J-K триггерами, чтоб получить необходимую ситуацию на выходе. Идея была в том, чтоб выход триггера дублировал прерыватель. В этом случае не нужен лог. элемент «И», а это главная цель – выкинуть из платы драйвера как можно больше микросхем. Однако достичь цели не удалось. Основная проблема всегда сводилась к тому, что с прерывателя приходит перевернутый импульс. Соответственно на CLK во время работы будет низкий уровень и триггер не может защелкнутся. Он срабатывает от сигнала детектора, но по завершении этого сигнала возвращается к первоначальным уровням на выходах. Предполагалось использовать инверсный выход Q'. О чем идет речь можно понять по рисунку 10.3

Рисунок 10.3 – Логика переключения D-триггера

        Для нужного результата необходимо перевернуть входной сигнал прерывателя. Использование одиночного инвертора возможно, но это усложнение схемы. Лишние детали не приветствуются. Возможно использование опто-приемника IF-D95, т.к. у него входной сигнал без инверсии. У меня такого приемника не было и пока нет. По этой причине в драйвере используется выше представленная схема.
        Тестировались и другие варианты, например с использованием транзистора вместо микросхемы 74HC08. Схема работает. Однако возникают какие-то свои нюансы требующие больше времени для изучения. Время, как правило, не хватает.

        GDT.

        Трансформатор управления затворами. Зачем он нужен – понятно из названия. Были проведены множество тестов с различными трансформаторами, различающимися числом витков и размерами ферритового сердечника. В итоге выбор остановился на трансформаторе, представленном на рисунке 11.

Рисунок 11 – Выбранный GDT

        Для GDT использована витая пара с диаметром жилы 0,57мм, удвоенным проводом. Следует обратить внимание, на то, что в первичной обмотке GDT 3 витка, а во вторичной на один виток больше. Этот виток увеличивает напряжение на затворах до 20В. В такой ситуации нужно устанавливать защитные диоды для затворов на напряжение не менее 20В, двунаправленные. В первичную обмотку GDT лучше поставить два параллельных конденсатора 1u и выбрать ширину дорожки или провод до трансформатора по толще. Кольцо феррита сделано из материала EPCOS N87, размер 25,3х14,8х10мм.
        Пример расчета витков первичной обмотки GDT.

W11 > (2-5)∙Um/ (4Bm∙Fпр∙Sc)

        Um – амплитуда импульса или напряжение питания контроллера, В;
        Bm – (Bs –Br) < Bs максимальная индукция в сердечнике, Тл;
        Fпр – частота следования импульсов (минимальная из возможных), Гц;
        Sc – сечение сердечника,м2 (1м2=1000000мм2)
        Формула из [6].

        Теперь проведем вычисления (в MathCAD).

        Округляем в большую сторону. Получаем 3 витка.
        Итоговые осциллограммы сигналов затвора представлены на рисунке 12. Первые несколько периодов присутствует провал при подъеме (провал Миллера), затем он постепенно уменьшается и практически исчезает. Полностью избавится от него пока не удалось.

Начальные несколько периодов

следующие несколько периодов

Рисунок 12 - Осциллограммы сигнала на затворе транзистора FGH60N60SMD,
напряжение питания генератора~130В (180В пост.), управление – mDriver 1.0

        В дополнение, под спойлером можно прочитать как происходил выбор GDT.

СПОЙЛЕР ТЕСТЫ GDT
---------------------------------------------------------------------------------------------------------

        УПС! Объем этого спойлера оказался очень большим и пришлось вынести его содержание на отдельную страницу. Посмотреть её можно тут.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------

        Нужно не забывать, что измерять сигнал осциллографом в силовой части DRSSTC можно только через развязывающий трансформатор 220/220В. Иначе КЗ и срабатывает диф.автомат на вводе электрики в жильё если он есть. Если его нет, может сгореть осциллограф. Я проводил настройки с использованием понижающего развязывающего трансформатора 220/80В и 220/130В – обмотки ТСШ-170. Этот трансформатор стоит в блоке питания моей VTTC и используется с отключенным МОТом

4. ПУЛЬТ УПРАВЛЕНИЯ – ПРЕРЫВАТЕЛЬ.

        Прерыватель для меня оказался самой сложной частью DRSSTC. Были построены несколько различных прерывателей из интернета, чтобы понять, чего я хочу. А нужно мне было, чтоб прерыватель проигрывал миди файлы без подключения к компьютеру. Для этого у него должна быть внутренняя память, экранчик и максимально простое, интуитивное управление. Под эти параметры подошел прерыватель с сайта oneTesla. Он и был выбран за основу разработки.

Рисунок 13 - Пульт управления DRSSTC (Прерыватель)

        После постройки прерывателя оказалось, что с microSD карточки памяти размером не более 1Gb проигрывается не миди файл, а файл, переконвертированный в omd. Это сделано, видимо, для упрощения в написании программы микроконтроллера. Программируется МК с помощью ISP программатора. Если кто-то не знает фьюзы, вот они.
        Написать программу, чтоб с карточки проигрывались миди файлы оказалось сложно, потому что я не являюсь хорошим программистом.
        В схеме по сравнению с оригиналом опто-пара 4N25 заменена на 6N137 т.к. MIDI-клавиатура не хотела работать с первой (либо работала, но с искаженными фронтами если изменить номинал резистора 100к на 50к) . Ну и 6N137 у меня были в наличии на момент постройки. Так же в схеме изменены несколько резисторов. Использован LCD дисплей SC1602AULT-XH-HS-G. Питание от батарейки 9В. Схема с сайта oneTesla. Прошивку тоже где-то там нужно искать.
        В итоге: собственный прерыватель в процессе разработки, пока это происходит, временно используется прерыватель с прошивкой от SDInterrupter.
        Чтоб проигрывать музыку на двух катушках одновременно был построен двухканальный прерыватель так же на базе этого. Он относится к другому проекту. Описывать его тут не место.

MIDI И МОДУЛЯЦИЯ РАЗРЯДОВ. ПО ПРОСТОМУ О СЛОЖНОМ – КАК ПОЛУЧАЕТСЯ ЗВУЧАНИЕ.

        mTesla работает на частоте 230кГц. Человеческое ухо воспринимает частоты до 20кГц. как же мы тогда слышим звучания нот? Всё дело в том, что пульт управления модулирует включение и выключение трансформатора с определенной частотой (или с определенной длительностью и паузой). отсюда и название – прерыватель, прерывает работу. Поэтому мы и можем слышать эти включения-отключения, которые создают мелодию. Возникающий высоковольтный разряд разогревает воздух, и колебания частиц доходят до нашего уха.
        Для проигрывания нот в DRSSTC выбран стандарт MIDI, потому что он наиболее распространен и понятен. MIDI (англ. Musical Instrument Digital Interface — цифровой интерфейс музыкальных инструментов) — стандарт цифровой звукозаписи на формат обмена данными между электронными музыкальными инструментами[5].
        Рассмотрим, как происходит модуляция высоковольтного разряда. Структурная схема прохождения ноты от источника до слушателя представлена на рисунке 13.1

Рисунок 13.1 - Схема прохождения сигнала

        Источник информации в представленной схеме – это MIDI файл (.mid), который проигрывается в музыкальном плеере ноут-бука (или из памяти прерывателя). MIDI-устройство так же может быть источником информации. Чаще всего в качестве MIDI-устройства для DRSSTC используется синтезатор (MIDI-клавиатура – электронный аналог клавиатуры фортепиано) или электрогитара. Нужно понимать, что MIDI файл это не просто музыкальный файл с оцифрованным звуком. В этом файле содержится набор команд (или сообщений) о каком то процессе. Процессом могут быть любые действия, выполняемые на электронном музыкальном инструменте, например нажатие пальцем на клавишу, нажатие какой-нибудь педали, поворот регулятора звука, какая-то нота, изменение тембра и т.п. В MIDI-устройстве (клавиатуре, электрогитаре) особый контроллер преобразует действия в набор этих MIDI-сообщений, которые затем можно сохранить в файл на компьютере. Сохранение и последующее воспроизведение или редактирование сообщений выполняется с помощью секвенсора (в виде ПО на ПК естественно).
        В MIDI используется последовательный интерфейс. MIDI-сообщения передаются от источника к приемнику по двухпроводному экранированному кабелю. Ноты проигрываются по очереди одна за другой. Разряды на выходе DRSSTC так же последовательны и прерывисты. Человеческий слух и зрение не улавливают этой поочередности из-за очень коротко времени следования нот.
        Пример MIDI-слова 10101111 00011110 01100011 из трех байт (1 байт = 8 бит = восемь цифр в двоичном виде с помощью которых можно записать любое число до 256 – минимальный независимо адресуемый набор данных). Это же слово в шестнадцатеричной системе AF 1E 63. К нему еще нужно добавить префикс 0x чтоб отличать от других систем. Получается 0xAF1E63. Для одного процесса передается как правило один основной байт и два дополнительных. Основной – это допустим нажата клавиша, дополнительные какая клавиша нажата, с какой скоростью нажата. Такие слова поступают из ноут-бука, клавиатуры или внутренней памяти прерывателя в микроконтроллер прерывателя. Скорость передачи потока составляет 31,25 кбит/с.
        В большинстве ноут-буков присутствует USB вход и отсутствует пяти контактный DIN-5 разъем (виден на рис.13 ) подключения MIDI устройств. Для организации связи используется USB-MIDI переходник. Этот переходник построен по принципу токовой петли и содержит гальваническую развязку опто-парой от источника.
        Ноут-бук является главным устройством. Он посылает сигналы управления в прерыватель DRSSTC. Прерыватель по умолчанию принимает от ноут-бука 0 канал. Всего в MIDI предусмотрено 16 каналов и вообще название это довольно условное, в реальности только два провода передачи. Для разделения на каналы к каждому MIDI-слову добавляется номер канала (последние 4 бита первого байта). Это сделано для того, чтоб подключать к источнику 16 последовательно соединенных MIDI-устройств, например 15 клавиатур и один прерыватель. Прерыватель только один, потому что в нем не предусмотрено проходного разъема MIDI-THRU,а есть только MIDI IN. При этом каждое устройство может воспроизводить запрограммированное в него звучание в заданном темпе, а не все одновременно. Одно будет звучать как пианино, другое как гитара и т.п. Часто в интернете встречаются MIDI-файлы с какой-то композицией, но записанной только для 1 канала или 5 канала. В этом случае прерыватель не может её проигрывать.
        MIDI – это весьма обширная тема. Я решил поизучать всё это, когда взялся за изготовление прошивки. Для тех, кто хочет написать программу для прерывателя нужно поискать в интернете подробное описание MIDI. Например, ясно-понятно всё изложено в статьях лит. [4]
        В микроконтроллер MIDI-сообщения поступают через опто-развязку. В программе для МК написана таблица частот, которые он может воспринимать и выдавать на выход импульсы с определенным периодом следования или по иному, с определенной частотой. Выходной сигнал с микроконтроллера включает и выключает трансформатор Тесла (его схему логики, а соответственно и силовую часть).
        Например, нота ДО первой октавы частотой 261 Гц поступает в МК в виде MIDI-сообщения. Номер ноты в MIDI переводится в частоту по определенной формуле. Период у этой частоты 1/261 = 3,83мс. Значит, МК подаст на свой назначенный выходной порт последовательность импульсов с периодом 3,83мс. Если нажать пальцем на MIDI-клавиатуре ноту ДО, МК будет создавать на своем выходе импульсы через каждые 3,83мс пока палец на клавише. Следующая нота –> другая частота – >другой период следования импульсов. При этом ширина рабочего импульса остается постоянной и на звучание ноты не влияет.

Рисунок 13.2 – Импульс на выходе МК – нота ДО

        Ширина рабочего импульса влияет на время, в течение которого транзисторы полу-моста начинают противофазно переключатся, а соответственно и на выходную мощность всей DRSSTC. Как уже отмечалось ранее, чем дольше время работы транзисторов коммутатора тока, тем больше сможет возрасти ток в первичном контуре трансформатора с каждым новым переключением транзисторов, тем больше энергии передастся во вторичный контур и тем длиннее станет высоковольтный разряд. В mTesla ширина рабочего импульса не должна превышать 130мкс. При большем значении и максимальной частоте импульсов катушка долго не проживет.
        Как видно из рисунка 13.2 период следования импульсов достаточно большой по отношению к самому импульсу. Это соотношение называется скважность – отношение периода повторения к длительности импульса Q = T/tи = 3,83 мс/100мкс = 0,00383/0,0001 = 38,3 или обратная величина - коэффициент заполнения импульсов γ = 1/Q = 1/38,3 = 0,026 или 2,6%. При коэфф. 10% (1мс/100мкс) разряды пробивают воздушный промежуток в 50см.
        Теперь, зная это, следует отметить, что в выше представленном прерывателе ширина рабочего импульса тоже изменяется в зависимости от проигрываемой ноты. На высоких нотах период следования импульсов маленький и мощность DRSSTC весьма возрастает. На низких нотах период увеличивается и соответственно уменьшается мощность. Чтобы защитить DRSSTC от сильных перегрузок, ширина рабочего импульса на высоких нотах автоматически уменьшается, а на низких нотах увеличивается. Это все программно реализовано в МК.
        После МК последовательность импульсов через опто-волоконный патч-корд попадает в схему управления DRSSTC – драйвер. Далее следует уже известная теория работы схемы логики и на выходе драйвера получается тот же самый импульс, но с сигналом обратной связи внутри или по иному, пока есть импульс прерывателя, сигнал обратной связи с входа драйвера передается на выход. Причем сигнал внутри импульса противофазный. Далее через GDT этот противофазный сигнал перезаряжает затворы транзисторов в коммутаторе тока. DRSSTC начинает работать. Мы видим и слышим разряды с частотой нот и радуемся. На этом описание заканчивается.

        Первая катушка mTesla построена в конце осени 2015г. и долго гуляла по разным людям. Все часто задавали вопросы какова её конструкция или как она работает. Теперь появилась статья, хоть и с большим опозданием, и эти вопросы отпадут. У многих не оказывается третьего заземляющего контакта в розетках в старых домах. Это пока единственная сложность, судя по отзывам. На корпус выведен контакт для подключения внешнего заземления.
        Для того, чтоб каждому не объяснять как подключать и запускать катушку, написано небольшое (на 16 стр.) руководство пользователя с техникой безопасности, режимами работы и всем прочим.

Рисунок 14 - Руководство пользователя

Принципиальная СХЕМА всей DRSSTC в целом.

         Возможно, в перспективе mTesla будет продаваться в виде набора деталей для сборки - конструктор-сделай сам, когда наконец-то будет построен собственный миди-прерыватель. Такой трансформатор Тесла, при наличии всех деталей и плат, очень легко и просто собирается за один день и сразу работает.
        Каждый, кто понимает, о чем написано в статье (или старается понять) может изготовить поющую катушку самостоятельно. Вся информация для этого предоставлена. Строить самому гораздо лучше, чем купить готовое устройство, потому что катушка Тесла заставляет учиться.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

        Источники сети интернет.

        [1] http://stevehv.4hv.org/SSTCindex.htm - сайт разработчика транзисторных катушек Тесла.

        [2] http://bsvi.ru/- сайт разработчика транзисторных катушек Тесла.

        [3] http://onetesla.com/tutorials- сайт группы разработчиков транзисторных катушек Тесла.

        Это три основные сайта, на которые была ориентировка в процессе работы над проектом.

        [4] http://www.muzoborudovanie.ru/articles/midi/midi1.php - описание MIDI.

        [5] ВИКИПЕДИЯ – электронная энциклопедия.

        Учебники.

        [6] Гейтенко, Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. / Гейтенко, Е.Н. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. – 448с.

        [7] Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. М.: Мир, 2001г.

        И некоторые другие учебники и сайты.

        Дата публикации 1.06.2016