В результате проведения экспериментов по беспроводной передаче электроэнергии описанных в прошлой статье стало понятно, что необходим мощный и надежный генератор, способный работать в течение длительного периода времени. После некоторых поисков в литературе и интернете выяснилось, что наиболее подходящая для этих целей конструкция представляет из себя полупроводниковый автогенератор инверторного типа с драйверным управлением силовых транзисторов.
Решено было идти как всегда от простого к сложному и после исследования и успешных испытаний нескольких однотактных генераторов различной конструкции началось проектирование двухтактного генератора. Была выбрана так называемая полу-мостовая схема (Half-Bridge). Как выяснилось в последствии такая схема весьма популярна. В интернете можно найти множество готовых конструкций трансформаторов Тесла построенных по такой схеме.
Рисунок 1 – Схема полу-мостового типа (с резонансным трансформатором в нагрузке)
Схема содержит емкостной делитель С1, С2 напряжения UВХ. Здесь ключи работают в противофазе, а каждый ключ в течение полупериода имеет модулируемое по длительности время открытого состояния и, соответственно, закрытого при фиксированной частоте модуляции.
VD7, VD8 – диоды рекуперации энергии, которые часто бывают встроены в корпуса транзисторов VT1, VT2 ( не следует путать их с паразитными диодами, образующимися в силу особенностей технологии производства мощных переключающих МДП-транзисторов). Напряжение на конденсаторах С1, С2 равно половине напряжения питания (параллельно конденсаторам, как правило, устанавливаются выравнивающие резисторы, которые на рис. не показаны). Амплитуда напряжения на первичной обмотке трансформатора равна напряжению на конденсаторе, т.е.Uвх/2. В этой схеме к закрытому транзистору прикладывается напряжение, равное Uвх. Ток (истока или коллектора) транзистора преобразователя при одинаковой мощности в нагрузке будет в два раза больше, чем в мостовой схеме или схеме со средней точкой.
С помощью переключателя SA1 производится переключение схемы в соответствии с значением сетевого напряжения. В случае сетевого напряжения 220В переключатель SA1 разомкнут и выпрямленное напряжение делится с помощью последовательно соединенных конденсаторов С1 и С2. Если напряжение электросети составляет 110 или 127В, то переключатель устанавливается в замкнутое положение и конденсаторы С1, С2 заряжаются поочередно.
В течение одного полупериода заряжается, например конденсатор С1 через диод VD3 и цепь переключателя SA1, в течение второго полупериода заряжается С2 через цепь замкнутого переключателя и диод VD2. Нетрудно увидеть, что расчет емкости конденсаторов необходимо производить для второго режима работы, так как требования к её величине в этом случае удваиваются.
Особенностью схемы преобразователя напряжения, изображенного на рис 4.1 является изменение потенциала сигнала управления одного из транзисторов относительно общего потенциала. Это обусловлено тем, что потенциал истока (эмиттера) одного из транзисторов (в данном случае VT1) изменяется вместе с изменением напряжения на обмотке w31. Поэтому в управляющих цепях таких преобразователей, как правило, применяются трансформаторы гальванической развязки. (Т1, Т2). Если напряжение питания невелико, то можно использовать специальные микросхемы драйверов с вольтодобавкой (называемой «Bootstrap»). Этот способ наилучшим образом применим для ключей с высоким входным сопротивлением, так как использует накопление энергии на емкости конденсатора.
При использовании полевых транзисторов в схемах с высоким напряжением (220В и более) необходимо осуществлять защиту их входных цепей (цепи затвора) от статического напряжения и выбросов напряжения управления, обусловленных наличием паразитных индуктивностей. Для этого в цепи затвора VT1 и VT2 установлены высокочастотные стабилитроны с напряжением ограничения, меньшим максимально допустимого напряжения на затворе. Для обеспечения гальванической развязки входных цепей сетевого напряжения и выходных цепей нагрузки в цепи отрицательной обратной связи преобразователя используется устройство BL1 с оптроном. Подробное описание подобных устройств можно найти в книге Гейтенко, Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчет. Учебное пособие. / Гейтенко, Е.Н. – М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2008. – 448с.
Схема управления силовыми ключами и схема обратной связи были взяты с прошедшей проверку временем схемы mini SSTC Steve Ward. В результате примерная предварительная схема представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Схема автогенератора полу-мостового типа
Запуск устройства осуществляется импульсами с микросхемы NE555 (DA4). Ширина и длительность прямоугольных импульсов регулируются резисторами R3, R4, которые вместе с конденсатором С10 образуют RC-времязадающую цепочку. Импульсы поступают на входы 3 микросхем (драйверов) DA1 DA2. С драйверов через развязывающий трансформатор T2 (GDT) сигнал поступает на затворы транзисторов, которые открываются в противофазе. Конденсаторы С1 и С3 устанавливаются непосредственно на выводы питания самой микросхемы и обеспечивают её корректную работу (согласно инструкции производителя).
Возможны случаи, когда оба транзистора оказываются открытыми одновременно и через них начинает протекать большой ток. Схема получается закороченной через транзисторы и те, как правило, не выдерживая нагрузки перегорают. Для устранения подобных случаев используется цепь из резистора и диода. Пока затвор одного транзистора медленно заряжается через резистор, затвор второго быстро разряжается через диод. Транзисторы работают в противофазе.
Рисунок 3 – Противофазный сигнал на затворах ключевых транзисторов двухтактного генератора
Так же на затворе (затвор-исток) присутствуют защитные диоды VD11, VD12 (супрессоры). Их задача устранять выбросы от паразитной индуктивности T2 развязывающего трансформатор. Такими же двунаправленными супрессорами (VD13, VD14), рассчитанными на большее напряжение, обвязаны и силовые отводы транзисторов VT1 и VT2. В схеме следует различать общий провод силовой и управляющей частей устройства. Они не должны иметь гальванической связи. Так же отдельно должен быть провод заземления высоковольтной катушки L2.
Емкостной делитель С11, С12 делит входное напряжение пополам и создает среднюю точку полу-моста. Он построен на основе емкостей, которые одновременно выполняют роль емкостного RC-фильтра сглаживания пульсаций. Светодиод VD23 предупреждает о наличии опасного напряжения в схеме после отключения напряжения питания.
Диоды VD15-VD16 предназначены для возврата всплесков энергии самоиндукции L1 в источник питания. Эти диоды могут быть встроены в корпус полевых транзисторов, но как правило, в таком случае они обладают не очень хорошими характеристиками.
Скоммутированнный транзисторами ток поступает на катушку индуктивности L1, являющуюся первичной обмоткой резонансного повышающего трансформатора Тесла. Во вторичной обмотке L2 напряжение может достигать нескольких сотен киловольт. В данном случае предполагается использовать напряжение до 200кВ.
Работа генератора поддерживается за счет обратной связи, которая приходит от нижнего вывода катушки L2 и поступает на трансформатор тока ТТ, выполненного на ферритовом сердечнике. Конденсатор С4 выполняет связь между каскадами и защитную функцию, а высокочастотные диоды VD5, VD6 выравнивают входной сигнал на уровне 5В. Микросхема 74HC14 (DA1) выполняет дополнительную защитную функцию более дорогих микросхем (драйверов) DA1 и DA2 блока управления силовыми транзисторами, а так же формирует четкие фронты импульсов на уровне лог.1. Напряжение питания микросхемы DA3 составляет +5В, у микросхем DA1 и DA3 +12В. Эти напряжения можно получить от специального блока низковольтного питания (на схеме не показан).
Далее сигнал поступает на выводы 2 микросхем DA1 и DA2. Эти микросхемы (драйверы) работают согласно таблице истинности рис.4.4 совместно с сигналом от генератора управления на микросхеме NE555 (DA4). DA2 – UCC37321 инвертирует входящий в него сигнал, DA2 – UCC37322 преобразует сигнал без инверсии. Цикл всего автогенератора повторяется снова.
Рисунок 4 – Принципиальная схема микросхемы контроллера (драйвера) UCC37322
Диоды VD1-VD4 служат для дополнительного устранения выбросов с трансформатора гальванической развязки Т2, и удерживаю напряжение на уровне напряжения питания +12В. Расчет генератора можно посмотреть в вышеупомянутой литературе Гейтенко и переделать под трансформатор Тесла в случае необходимости. Пример частотного расчета контуров вероятнее всего появится в одной из следующих статей.
Помимо генератора в системе беспроводной передачи электроэнергии должен быть приемник. Его схема представлена на рисунке 5.
Рисунок 5 – Принципиальная схема приемного блока
Приемник используется точно такой же, как и для однопроводной линии. Параметры его резонансных контуров идентичны параметрам передатчика. Входной сигнал поступает в приемник на несущей частоте беспроводным способом. Входная частота подстраивается конденсатором С1 приемника, количеством витков L2 и расположением L2 относительно L1. После диодно-конденсаторного блока выпрямленное напряжение поступает в нагрузку. В ходе экспериментов в качестве нагрузки использовались лампы накаливания 40 ВТ. Максимальная передаваемая мощность определяется параметрами передатчика. При тестовых запусках передавалась мощность примерно 120Вт на расстояние 1м. Приемник должен располагаться в высоковольтном поле передатчика. КПД передачи оценивается в 50%-60%. Точные данные будут представлены в статье об экспериментах с этой системой.
Схема общего вида системы передачи электричества без проводов представлен на рисунке 6
Некоторые размышления о принципах передачи энергии таким способом так же планируется представить в статье об проведенных экспериментах
Принципиальная схема SSTC с номиналами деталей
Принципиальная схема приемника электроэнергии
Ознакомившись с краткой теорией перейдем к практике. Рассмотрим как всё это делается, настраивается и работает.
Генератор на полупроводниковых элементах (Solid State Tesla Coil называемый кратко SSTC) имеет модульную конструкцию для удобства ремонта, замены отдельных модулей и наладки всей системы. Каждый модуль выполнен на печатной плате.
При постройке модулей драйвера и прерывателя особых трудностей не возникало. Всё делалось аккуратно и в соответствии со схемой. Схемы для плат выполнены в ПО Eagle. Сперва они печатаются лазерным принтером на глянцевой бумаге с настройкой принтера на максимальное количество тонера. Затем переносятся на медненую пластину из текстолита с помощью утюга в течении примерно 2,5 мин. Предварительно пластину лучше зачистить наждачкой. Следующий этап – это размякание бумаги в холодной мыльной воде в течение 1 часа. После снятия бумаги даже не очень аккуратным способом получается пластинка с нарисованными дорожками. Последнее – помещение платы с нарисованными дорожками в раствор хлорного железа. Если плату полоскать в ХЖ, то она будет готова за 15мин. Как правило ХЖ разводят 1:2 (1-ХЖ, 2-вода). На упаковке должно быть написано соотношение.
Пульт управления (прерыватель) подключается к генератору с помощью экранированного провода для предотвращения попадания высокочастотных наводок в схему пульта. Длина провода 1,5 м. После некоторого времени использования прерывателя представленного выше он был заменен на прерыватель по схеме Steve Ward.
Теория работы трансформатора гальванической развязки GDT была получена тут . Применено ферритовое кольцо Эпкос N87 25,3х14,8х10 мм. Так же тестировалось колечко H2000 с примерно такими же размерами. Существенной разницы в работе генератора замечено не было. Провод GDT – витая пара в ПВХ изоляции диаметром 0,4 мм.
Так же на отдельной плате сделаны блок высоковольтного питания, схема обратной связи, схема с реле дистанционного запуска. Всё вместе это помещено в корпус и представлено на рисунке 11.
В качестве силовых транзисторов первоначально использовались MOSFET IRFP460. Но в один из запусков они сгорели от синфазного открытия. Были увеличены затворные резисторы до 10 Ом. В следующий запуск не выдержали работу в непрерывном режиме IRG4PSC71UD. Помимо этого от большого импульсного тока испарилась одна дорожка схемы и это спасло входной предохранитель, но на следующем запуске и он сгорел. Стало понятно что Burst-mode в SSTC отключать не стоит. Исправив плату и правильно настроив прерыватель нужны были новые транзисторы. Покопавшись на полках была обнаружена горсть каких-то мелких транзисторов c очередным длинным названием, как и у всех IGBT оказавшихся GB20B60PD1. После прочтения Datasheet выяснилось что это эквиваленты тех самых 20 амперных мосфетов IRFP460 которые сгорели первыми.
При размещении транзисторов на радиаторы использованы термопрокладки. Для дополнительного активного охлаждения применен вентилятор. При первых запусках, когда был доступ к транзисторам, можно было убедится, что они сильно нагреваются, и эта проблема немного беспокоила. После того как генератор был помещен в корпус и доступ к транзисторам пропал проблема отпала сама собой. Мелкочей GB20B60PD1 особо не было жалко, потому что была запаска, но на удивление они ни разу не сгорели.
В качестве резонансного контура испытывались различные катушки как низкочастотные так и высокочастотные. На высоких частотах генератор работает хуже. Прекрасно работает на частоте 120-150 кГц. Так как генератор конкретно предназначен для экспериментов по беспроводной передаче электричества, то рассмотрим применяемые в этих опытах катушки.
Откуда-то из глубин чердака была вытащена старая катушка, применяемая еще в первых SGTC. Она намотана проводом 0,21мм на каркасе 11см, 2300 витков, залита расплавленным воском и обмотана изолентой и самоклеящейся резиной.
Рисунок 13 – Высоковольтная катушка
Прикинув приблизительные необходимые параметры катушки, исходя из числа витков и диаметра, решено было распилить катушку пополам.
Рисунок 14 – Высоковольтная катушка (изготовление)
Получилось две катушки с числом витков 1150 (витков 20-30 можно откинуть на потери при распиле) и собственной резонансной частотой в районе 250-300 кГц. К катушке был добавлен тороид дополнительно снижающий её частоту и увеличивающий высоковольтное поле вокруг генератора. Так же в задачу тороида входит подстройка четверть-волнового резонанса к краям катушки.
Первичная низковольтная обмотка L1 выполнена коаксиальным кабелем Ø1 см (с хорошим экраном) 5,5 витков на каркасе 12,5 см. Общий вид генератора представлен на рисунке 15.
Рисунок 15 – Общий вид ВЧ генератора
В ходе экспериментов с транзисторами и во-избежание их дальнейших потерь была выработана методика по настройке генератора.
Для пуско-наладочных работ генератора требуются следующие приборы:
-ЛАТр и развязывающий трансформатор 220В;
-генератор с перестраиваемой частотой ;
-мультиметр;
-стрелочный амперметр переменного тока;
-двухканальный осциллограф.
Настройку генератора следует проводить при низком входном напряжении питания, по возможности использовать ЛАТр с трансформатором развязки 220В. После подачи напряжения проверить работоспособность реле дистанционного запуска, а так же наличие питания +5В и +12В и напряжения блока высоковольтного питания по индикации специально для этого предназначенных светодиодов. Провести замеры напряжения на выходе блока питания с помощью мультиметра и убедится в соответствии подаваемого напряжения показаниям прибора, умноженные на 1,4.
Правильную работу контроллера (драйвера) управления силовыми транзисторами выполнить с использованием осциллографа по следующей методике. Вместо силовых транзисторов к отводам трансформатора гальванической развязки подключить последовательно резистор 10 Ом и конденсатор, номинал емкости которого, равен входной емкости силового транзистора, в данном случае 3100пФ. Подключить внешний генератор, настроенный на необходимую частоту (в данном случае около 200кГц) к входу цепи обратной связи. Включить питание драйвера и с помощью двухканального осциллографа наблюдать сигнал на конденсаторах имитирующих транзисторы. Вид осциллограммы должен соответствовать виду на рисунке 16.
В случае если один транзистор не успевает закрыться, а второй уже открылся, возникнет короткое замыкание источника питания через транзисторы и они перегорят.
Первым способом к устранению этой проблемы является увеличение сопротивления на затворе до 10-15 Ом.
Вторым этапом следует выставить значения ширины импульса и длительности периода в пульте управления генератором (прерывателе). Для первого запуска подойдут значения: длительность импульса – 100мкс, период следования импульсов 8 мс. В процессе работы эти значения можно изменять, контролируя процесс измерением потребляемого тока стрелочным амперметром.
Если все настройки и замеры прошли успешно, можно включать генератор на полную мощность от сети 220В плавно увеличивая напряжение с помощью ЛАТра. Без нагрузки на верхнем выводе катушки L2 возникнут высоковольтные разряды до 20 см. Их длина а соответственно и передаваемая мощность зависит от режимов работы прерывателя и коэффициента связи катушек L1-L2. ВЧ генератор готов к проведению экспериментов.
Потребление 220В, 1-1,5А. Максимально SSTC разгонялся до 650Вт. При такой мощности разряды становятся яркими и толстыми, динной 35см.
Теперь рассмотрим конструкцию приемника. Это тоже резонансный трансформатор Тесла только понижающий. Вторая часть распиленной катушки используется как входная высоковольтная обмотка. К ней так же прикрепляется тороид. Низковольтная обмотка выполнена на каркасе Ø16 см, 40 или 50 витков проводом Ø1,5 мм с зацепами.
Рисунок 17 – Приемник электроэнергии (корпус)
В приемнике предусмотрено переключение контурной емкости для грубой настройки на резонансную частоту. Плавная настройка осуществляется перемещением по контактам витков обмотки. Контурные конденсаторы CBB81 напряжением 2000В, емкость можно увидеть на рисунке 17 и на схеме.
Рисунок 18 – Приемник электроэнергии (внутринность и низковольтная обмотка)
Для замера выходных параметров предусмотрены вольтметр и амперметр постоянного тока. Нагрузкой служат лампы накаливания. К нижнему выводу высоковольтной обмотки нужно добавлять объемный металлический предмет. В качестве предмета использовались тороиды, металлическая стремянка, металлический шкаф-сейф.
Общий вид системы беспроводной передачи электроэнергии представлен на рисунке 19
Рисунок 19 – Беспроводная система передачи электроэнергии
При приближении к работающей системе видеосъемка прекращается, так как в качестве фотоаппарата телелефон. Высоковольтное поле его отключает
Когда приемник точно настроена на резонансную частоту, на верхнем выводе передатчика пропадает коронный разряд и вся мощность приходит в нагрузку. Т.е. нужно регулировать нагрузку так, чтобы она точно потребляла передаваемую мощность (или больше чем передается) и своей собственной емкостью не нарушала рабочую частоту. Иначе на катушках генератора или приемника возникнет коронный разряд.
В следующей статье рассмотрен еще более мощный генератор, называемый DRSSTC. Он использовался в экспериментах с однопроводной передачей электроэнергии, так как подходит для этого лучше всего.
Некоторые проведенные исследования можно посмотреть в статье Эксперименты с SSTC .