Описание конструкции полно-мостовой демонстрационной катушки Тесла.
В статье подробно рассмотрены отдельные части схемы, которая прикреплена в конце. Эта информация может быть полезна всем, кто хочет построить себе DRSSTC самостоятельно. Сама катушка в таком виде практического смысла не имеет, но популярна за счет больших высоковольтных разрядов. В системах передачи эти разряды являются основным источником потерь.
Катушка Тесла (Tesla Coil) состоит из инверторного автогенератора и резонансного трансформатора. Генератор построен по полно-мостовой (full-bridge) схеме. В качестве ключей использованы IGB транзисторы IRGP50B60PB. Устройство имеет модульную конструкцию и помещено в корпус. Запуск, изменение частоты и длительности рабочих импульсов осуществляются с пульта управления (он же прерыватель), который подключается через оптический патч-корд. Выходное напряжение 200-800кВ с частотой 100-120кГц. Разряды 65 см (2 длины вторичной обмотки), иногда 80-90см (3 длинны в экстримальных режимах). Всё было собрано из подручных материалов, которые можно купить на ближайшем радиорынке (за исключением микросхем UCC и оптики HFBR). Питание от сети 220В, потребление 1-3А в разных режимах. Катушка первоначально задумывалась как демонстрационная, а в итоге превратилась в экспериментальную.
Рисунок 1 – Высоковольтные разряды с катушки Тесла
При постройке полно-мостового генератора с нуля неисправность может возникнуть одновременно в нескольких местах например в драйвере, мосте и резонансном контуре. В таком случае запустить катушку в работу будет весьма сложно. Гораздо проще модернизировать полу-мостовую катушку с уже отработанным резонансным контуром постепенно добавляя к ней различные части. В моем случае произошли именно три вышеописанные проблемы. И поэтому, немного позависав, я решил идти методом эволюции.
Генератор построен по типовой для инверторов схеме. Значительных изменений в него не вносилось, есть некоторые конструктивные особенности. Структурная схема представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 – Структурная схема DRSSTC
Названия некоторых частей схемы написаны в дальнейшем английской аббревиатурой. В таком виде они часто встречаются в интернете и, чтоб все легко могли ориентироваться.
Начнем рассматривать части со схемы моста.
Мостовой коммутатор тока (Full-Bridge).
Полно-мостовая схема представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 — Полно-мостовая схема включения транзисторов
Линиями 1 и 2 обозначено движение тока при поступлении управляющего противофазного сигнала на затворы транзисторов. Управление ключами осуществляется путем синхронной коммутации (отпирания и запирания) парами, по диагонали. В первый полу-период открываются транзисторы VT1 и VT4, во второй – VT2, VT3. Максимальное напряжение, прикладываемое к транзисторам примерно равно Uвх.
Для того, чтобы не возникал интервал времени когда, оба транзистора одного плеча открыты (один еще не закрылся, а второй уже открылся) необходимо небольшое время задержки. Оно обеспечивается с помощью резистора в цепи затвора. Затвор транзистора заряжается через резистор, а через диод разряжается. Небольшой красный интервал на рисунке 4 это и есть то самое время. R подбирается в каждом случае индивидуально, исходя из формы сигнала. Его значение обычно в пределах 5-10 Ом. Диоды VD1, VD2, VD11, VD12 – 1N5819.
Рисунок 4 — Управляющий сигнал с трансформатора TV1
Каждый из четырех транзисторов схемы обвязан защитными диодами. Затвор-исток – двунаправленными супрессорами на 18В (VD3,VD4,VD9,VD10), потому что максимальное напряжение на затворе 20В. Примерно на этом уровне и нужно ограничивать выбросы, иначе они пробьют затворы. Силовая часть защищена двунаправленными супрессорами на 400В(VD5-VD8). Двунаправленность определяется буквой С в конце названия радиодетали, например 1,5KE400CA (если только А – это однонаправленный диод) и отсутствием белой маркировочной полоски. Конденсаторы С2 и С3 ограничивают индуктивные выбросы при коммутации, их нужно размещать как можно ближе к выводам транзисторов. 10мкФ на каждое плечо будет достаточно. L1C1 – резонансный контур, он рассчитывается отдельно. Внешний вид моста представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 – Мост (Full-bridge)
Схема была собрана, но не запускалась по неизвестной причине. Тогда решено было соединить два полу-моста вместе и таким образом получить полный мост.
Рисунок 6 — Полу-мостовые схемы
В таком варианте две проверенные ранее по отдельности полу-мостовые схемы запустились без проблем. С их помощью осуществлялась настройка резонансного контура и драйвера. Всё это делалось на пониженном переменном напряжении 80В.
Таинственная причина, по которой ни как не хотела работать цельная мостовая схема, построенная ранее, оказалась в простейшем. При подсоединении транзисторов на радиатор у одного из них отламывалась нога. Пропаяв всё хорошенько и проверив, я снова начинал прикручивать радиатор, и происходила такая же проблема, но с другим транзистором. Понял я это не сразу и, поэтому искал причины во всем генераторе. После применились два полу-моста и стало понятно, что все остальные части исправны, а причина именно где-то в мостовой схеме.
GDT.
Мост и схема управления связаны через GDT — трансформатор управления затворами, который так же обеспечивает гальваническую развязку для предотвращения попадания высокого напряжения в низковольтную электронику. Для этого трансформатора применено ферритовое кольцо EPCOS N87 размерами 25,3х14,8х10 (внешний диаметр х внутренний диаметр х высота), сечение 51мм2. Использован провод от витой пары. Пять проводков скручены вместе и намотаны на кольцо. Желательно использовать удвоенный провод, для улучшения характеристик.
Рисунок 7 – GDT
Рассчитать GDT можно в калькулятории у BSVi или по формуле.
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)
У меня получилось 4 – 5 витков. Важно правильно соединить отводы этого трансформатора и мостовой схемы силовой части. В связи с тем, что GDT пришлось много раз вытаскивать и подключать обратно на отводы были сделаны коннекторы под штырьки. Красным отмечено начало обмотки. Бело-синий провод подключается к драйверу. На схеме рис.3 точками возле GDT отмечено начало обмотки. Туда подключается красная метка коннектора.
Схема управления (Driver).
В качестве драйвера выбрана схема Стива Варда DRSSTC-1 with OCD по одной простой причине – наличие микросхем UCC37321(22) и 74HC109. Схема немного модернизирована. Добавлен транзисторный усилитель, и приделан оптический вход для прерывателя. Подробности можно увидеть на полной схеме DRSSTC. Внешний вид драйвера представлен на рисунке 8.
Рисунок 8 – Плата управления DRSSTC (драйвер)
Перемычками на плате можно подключать и отключать некоторые части. Плата помещена в металлический корпус B013, чтобы HFBR опто-приемник не ловил наводки от ВЧ поля.
Рисунок 9 – Размещение платы управления в корпусе
Блок низковольтного питания сделан здесь же и питается от трансформатора 18В 0,5А. По свечению диодов в схеме питания сразу видно какое напряжение отсутствует и это облегчает поиск неисправности. Был один случай, когда перегорел стабилизатор 15В. Повезло, что транзисторы моста не взорвались от неполного открытия, а именно это и происходит когда питание драйвера ниже нормы. После этого решено было сделать дополнительную защиту от пониженного напряжения питания микросхем драйвера. Защита была сделана на DS1233-5, но приехавшие из Китая микросхемы оказались нерабочими. Они отключали сигнал прерывателя при любом напряжении, а не только при заданном. Все это было учтено в конструкциях последующих драйверов. Лучше использовать качественные детали. КРЕН15Б и подобные стабилизаторы использовать не желательно, они сильно греются. Предпочтительнее LM7805, 7815. Электролитические конденсаторы должны иметь низкое сопротивление (ESR).
Построенная плата не запустилась сразу. Чтоб понять, где искать неисправность из полу-мостового генератора, который строился раньше, был вытащен его драйвер. С его помощью, а так же с двумя полу-мостами и одним из резонансных контуров, которых куча валяется на чердаке и была запущена мостовая DRSSTC. В чем оказалась неисправность платы я уже не помню.
О том, как работает логика.
Из документации можно узнать что 74HC109 – это JK-триггер. JK-триггер имеет два информационных входа J и K, тактовый динамический вход C, и два приоритетных асинхронных входа установки S и сброса R. Информационные входы J и K (2 и 3 соответственно) подключены к источнику +5В. По тактовому импульсу «опрашиваются» входы и по результату опроса на выходе получается 1 или 0. Есть моменты, при которых значения синхроимпульса роли не играют в связи с приоритетом R и S.
Теперь подробнее. Схема логики на рисунке 10.
Рисунок 10 – Схема управления DRSSTC
На рисунке 11 представлен график импульсов в схеме. При подаче питания на входах и выходах устанавливаются следующие значения: R-лог.1, S-лог.0, Q-лог.1, Q̅-лог.0, J и K – лог.1. Такая ситуация описывается таблицей истинности из datasheet 
(Х – не имеет значения). Запуск происходит по фронту импульса прерывателя (желтый цвет). По таблице истинности мы видим 
что в какой-то первоначальный момент Set и Reset низкого уровня лог.0 (LOW), по этому интересующий нас выход Q̅ становится высокого уровня лог.1 (HIGH) вне зависимости от уровней сигналов на других входах. Затем, через небольшой промежуток времени, возникающий из-за R3C1 задерживающей цепи, Set (с учетом двойного инвертирования (U2C и U4A) становится высокого уровня. Эта ситуация описывается таблицей истинности так 
поэтому выход Q̅ продолжает оставаться лог.1
Рисунок 11 – Импульсы в схеме
А так как Q̅ подключен к входам 3 ENABLE драйверов (микросхемы UCC37321/22), то он активирует их и драйвера начинают работать по своей таблице истинности (взятой из документации) вместе с сигналом обратной связи на входе 2 IN.
Рисунок 12 – Схема драйвера UCC37321 и таблица истинности.
Импульсы обратной связи поступают на вход «С» JK-триггера через два инвертора U2B, U2E. Это всё происходит, пока есть импульс прерывателя. Как только он заканчивается, соответственно на входе Reset лог.0 сменяется на лог.1. Однако от этого выход Q̅ не отключается. Если бы Q̅ отключился, то сигнал с драйвера закрыл бы затворы транзисторов высоковольтной части DRSSTC и разорвал силовую цепь в произвольное время, например, когда в цепи протекал большой ток. Такое переключение называется hard-switch, оно вызывает сильный нагрев и поломку транзисторов. Но этого не происходит, потому что транзисторы моста переключаются почти при нулевых токах (ZCS – zero current switch).
Рисунок 13 – Импульсы в схеме при увеличинном масштабировании осциллографа
Вход Set остается лог.1 благодаря RC задержке, в то время как Reset уже переключился и так же стал лог.1. Такая комбинация является запретной для обычного RS-триггера, а вот более совершенный JK-триггер она переведет в режим переключения (toggle) согласно таблице истинности. 
Триггер будет работать как счетный Т-триггер, переключая уровни на выходах Q и Q̅ в противоположные значения при каждом новом фронте импульса на входе «С». Новый фронт будет только один раз и переключение пройдет только один раз, потому что это переключение прекратит работу Q̅, выключится вся DRSSTC и соответственно прекратятся импульсы обратной связи на входе «С» фронты которых Т-триггер считает. Лучше бы он, конечно, считал спады импульсов и переключался по спадам. Существуют разные микросхемы JK-триггеров.
Рисунок 14 – Обозначения JK-триггеров
Если в обозначении JK-триггера на входе «С» просто треугольник, то такая микросхема работает по фронту, как и в рассматриваемом примере. Если треугольник и кружок (инверсия), то микросхема работает по спаду сигнала (или по фронту инверсного сигнала). Можно добавить в схему один инвертор перед самым входом 4 и изменить режим на работу по спаду.
[Если не брать во внимание инверсный вход K, то можно предположить, что работа происходит по вот этой строчке 
таблицы истинности. Но суть от этого не меняется – переключение триггера происходит по фронту импульса обратной связи.]
После моделирования на симуляторе видно, что максимальное время, на которое может задержаться отключение силовых транзисторов из-за ожидания тактового импульса это почти целый период их работы. В данном случае задержка составляет чуть меньше четверть-периода (зеленым на графике). Весь период 9 мкс. Выбирая параметры R3C1 нужно учесть эти 9 мкс и выбрать значения больше хотя бы в 1,5-2 раза ( с запасом). Минимальное время равняется времени одного периода. В данном случае R·C·1.1=20к · 1n · 1.1 = 22мкс., это же значение видно и на графике. С очередным импульсом от прерывателя весь цикл повторяется снова.
Проверим теперь эту ситуацию в изготовленной плате драйвера.
Рисунок 15– Сигналы с осциллографа
Та же прекрасная картина. На первом снимке импульсы на входах R и S со смещением по времени из-за RC задержки. На втором снимке отключение выхода Q (желтым цв.) по новому фронту тактового импульса (после прекращения импульса прерывателя).
Вся эта теория хороша, но на практике существуют небольшие задержки от различных элементов в схеме и силовые транзисторы моста не отключаются точно. Время этих задержек порядка сотни наносекунд существенно влияет при переключениях с большими токами в силовой цепи. Для его компенсации необходима особая коррекция, которая в данной схеме не предусмотрена.
Кроме прерывателя импульс может прийти от ограничителя тока или как его сокращенно называют OCD (Over Current Detector). Рассмотрим этот вариант.
Рисунок 16 – Схема детектора превышения тока
Входной сигнал обратной связи через трансформатор тока (на схеме не показан) поступает на вход 3 компаратора U5. На вход 2 этого же компаратора подается напряжение, которое мы выбираем с помощью переменного резистора RV1. Если на входе 3 напряжение выше чем на входе 2 то компаратор формирует импульс, который поступает на вход 2 микросхемы U6 (NE555). В свою очередь эта микросхема формирует другой импульс, большей длительности, который с выхода 3 поступает на транзистор Q1. Транзистор открывается и заворачивает сигнал прерывателя на землю. Длительность открытого состояния транзистора определяется элементами R6 и С3. Импульс с ограничителя тока может появиться только, когда есть импульс от прерывателя. Он экстренно прекратит импульс прерывателя, триггер отсчитает следующий после этого момента фронт на входе С и отключит DRSSTC до очередного импульса прерывателя. Если DRSSTC работает на пределе возможностей силовых транзисторов, то небольшая задержка отключения при сработке детектора превышения тока может их взорвать.
Рисунок 17 – Импульсы ограничителя тока
Транзистор Q1 открыт достаточно продолжительное время – около 1 мс. Это время должно быть меньше минимального времени периода работы прерывателя, чтоб до следующего импульса прерывателя импульс OCD уже прекратился. Так же визуально такое время видно при мерцании диода D1. В мой конструкции этот диод выведен на корпус, потому что было непонятно работает OCD или нет. Оказалось что работает.
Всего этого (как работает логика) знать в общем то, и не обязательно. Можно правильно собрать схему и она будет работать. Но если возникнут проблемы и схема не запустится, то придется разбираться в чем причина.
Рассмотрим настройку OCD на определенный максимальный ток в цепи силовых транзисторов, например на 150А. Это значение выбрано потому, что по документации транзисторы IRGP50B60PB в импульсном режиме выдерживают именно такой ток. Обратная связь берется с трансформатора тока.
Рисунок 18 – Трансформаторы тока
Провод от первичной обмотки силовой части DRSSTC продевается в одно из ферритовых колец на рис.18. Со второго кольца, которое соединяется с первым так же одним витком, снимается сигнал. Такой каскадный трансформатор создает трансформацию 1:1089 (33 х 33). Он обязательно должен быть нагружен резистором до 10 Ом, иначе он будет работать не как трансформатор тока, а как трансформатор напряжения. Если трансформатор нужен не для измерений, то он подключается прямо на плату драйвера (на которой резистор уже впаян). Для постройки ТТ использованы ферритовые кольца EPCOS N87 25,3х14,8х10 такие же как и для GDT. Провод 0,41 мм, 33 витка на каждое кольцо (примерно 1,5м провода). Для измерительного ТТ использовано кольцо большего диаметра, но число витков и результат такие же. ТТ не желательно подключать между конденсаторами и обмоткой первичного колебательного контура. Там высокое напряжение, которое может пробить изоляцию и повредить обмотку трансформатора.
Теперь рассчитаем напряжение на входе 2 компаратора, которое будет соответствовать 150А в силовой цепи и которое мы должны получить на входе 3 чтоб компаратор сработал.
Uc = (Ip ∙ R1)/N2
N2 – количество витков 1089 (коэфф. трансформации);
R1 – 5,6 Ом, выбранный нами резистор;
Ip – импульсный ток в силовой цепи (выбранный из datasheet транзисторов моста).
Uc = (150 ∙ 5,6)/1089 = 0,77 В.
Значит, на входе компаратора 2 нужно переменным резистором RV1 установить 0,7В.
Стоит отметить, что для достижения больших высоковольтных разрядов с вторичной обмотки DRSSTC 150А недостаточно. Я запускал катушку при 350-400А. Такую перегрузку транзисторы не могут выдерживать долго, однако разряды достигают 90 см.
Рисунок 19 – Сигнал с измерительного ТТ при токе 400А в первичном КК
Во время настройки драйвера выяснилось, что как-то некорректно работают усилительные транзисторы. Выходы с транзисторов при подаче питания сразу выдавали +15В постоянного напряжения.
Рисунок 20 – Транзисторный усилитель
Долгое копание в схеме уже надоело и, всё было оставлено так, как есть. Работа GDT от этого не ухудшилась.
Рисунок 21 – Сигнал на выходе транзисторного усилителя.
На рисунке 21 видно, что сигнал с выхода транзисторного усилителя начинается не с нуля, а с +15В. Вероятная причина заключается в том, что транзисторы P-канала в сборке AP4501GSD открываются при отсутствии сигнала с драйвера. В такой ситуации на выходе транзисторов нет пути для протекания постоянного тока и эта проблема меня особо не беспокоила. Весьма быстрые транзисторы AP4501GSD неплохо работают. Время нарастания сигнала 10-15ns. Импульсный ток 30-40А. На вторичной обмотке GDT сигнал в норме – начинается с нуля. Транзисторная сборка выбрана так же из-за DIP 8 корпуса, который можно вытаскивать с посадочной площадки при необходимости. Конденсатор в цепи GDT в 15uF весьма завышен в своем номинале. В этом месте достаточно 5-10uF.
Прерыватель (Interrupter).
Прерыватель построен простенький. Он уже прошел испытания в прошлых полу-мостовых генераторах. Мини схема сделана из SMD деталей. Добавлен опто-передатчик HFBR1521. Чтоб его не спалить, нужно ограничить ток через диод. Для этого перед входом опто-передатчика стоит резистор 150 Ом. Выбраный номинал резистора зависит от питающего напряжения. Подключение к плате драйвера DRSSTC осуществляется 3х метровым опто-волоконным патч-кордом HFBR4501Z-4511Z.
Рисунок 22 – Пульт управления (Прерыватель)
Как схема работает, уже написано в статье DRSSTC1.0. Плата помещена в металлический корпус, чтоб не ловить наводки от высоковольтного поля. Использованы переменные резисторы RV09. SMD эквиваленты диодов 1N5819 – SS14, Питание от батарейки 9В. Оптимальные значения рабочих импульсов: ширина импульса 50-100мкс, частота следования импульсов 200-250 Гц (5мс).
Схема плавного заряда электролитов.
Для того, чтобы не было большого скачка тока при подаче напряжения питания на транзисторный мост, вызванного зарядом конденсатора электролита большой емкости предусмотрена схема плавного заряда. Первоначально все тесты и проверки DRSSTC проходили с конденсатором 320мкФ 400В. Он не вызывает большого скачка (около 3А). Когда генератор был готов работать на полную мощность, быстренько была собрана схема плавного запуска из подручных материалов. Она весьма проста и сделана на микросхеме NE555.
Рисунок 23 – Схема задержки запуска
Работает схема следующим образом. Напряжение 220В подается одновременно на вход DRSSTC и вход схемы задержки через трансформатор 220/18В (на схеме не показан). Конденсаторы С5 и С6 начинают относительно медленно заряжаться через резисторы R4 и R5 и большого скачка тока не происходит. Через 6 сек.(достаточно 2 сек.) срабатывает реле и конденсаторы оказываются подключенными к сети напрямую, минуя резисторы. Положительный импульс выходного напряжения с микросхемы NE555, который запускает реле, формируется с помощью времязадающих элементов R2 и С3 после подключения напряжения питания. Время задержки рассчитывается по формуле T = 1,1·R2·С3. Максимальный выходной ток NE555 составляет 225мА. Реле 14F2L-DC12V-C потребляет 60мА. Т.е. выходного тока микросхемы вполне достаточно чтоб не применять усиливающий транзистор. Диод VD7 выведен на корпус и показывает когда можно включать прерыватель (который запускает DRSSTC). Внешний вид собранной схемы на рис. 24.
Рисунок 24 – Собранная плата задержки запуска
Конечно, можно было и не городить дополнительно выпрямитель и стабилизатор 12В для реле и предусмотреть подключение на плате драйвера. Но этого сделано не было, зато теперь есть 12В для подключения вентилятора. После некоторого времени использования немного изменилось подключение зарядных резисторов таким образом, чтобы при срабатывании реле они исключались из цепи 220В и зря не грелись.
ФНЧ пришлось убрать. От него остался только один конденсатор X2 (см.схему).
Резонансный трансформатор.
Резонансный трансформатор состоит из двух резонансных LC-контуров. На рис.25 конденсаторная сборка для первичного контура, в DRSSTC это последовательный колебательный контур.
Рисунок 25 – Конденсаторная батарея или MMC (multi mini capacitor)
Самыми доступными конденсаторами были CBB81 2000В. Вся сборка рассчитана на напряжение 6кВ. Применение 100нФ конденсаторов оказалось неудачным решением. Они греются, во время работы. Однако в процессе настроек использовались конденсаторы меньшего номинала, и по длине разряда было видно, что они работают лучше. Они так же и греются меньше. В итоге конденсаторы были заменены на аналогичные меньшей емкости. Добавилась дополнительная возможность настройки резонансной частоты переключением емкости с помощью кнопок, как и в полу-мостовой DRSSTC.
Рисунок 26 – Конденсаторная батарея с переключаемыми блоками конденсаторов.
В новой ММС собраны 36 конденсаторов 33nF и пару штук на 15nF и 10nF. Параллельно могут быть подключены конденсаторные блоки на 66, 33, 22, 11, 5, 1,5 nF. Из такого набора можно собрать батарею на максимальное значение примерно 140nF 6кВ. Отдельные провода от каждого блока конденсаторов вносят, конечно же некоторые потери и доп. индуктивность, однако, с такой MMC длина высоковольтного разряда с вторичной обмотки существенно увеличилась. Нагрев конденсаторов отсутствует.
Рисунок 27 – Содержание корпуса
Незаметно, добавляя по детальке пространство корпуса заполнилось на 90%.
Первичная обмотка выполнена в виде конической спирали из фидера GSM, диаметр фидера 1/2″ или 1,25 см, почти 8 витков.
Рисунок 28 – Первичная обмотка из медного фидера в ПВХ изоляции
Внешний диаметр 42см, внутренний – 13см. Расчетное значение индуктивности в пяти разных калькуляторах находится в пределах 4-18мкГн, измеренное LC-метром 4мкГн. Что-то я подозреваю, что ошибаться может LC-метр, и судя по резонансной частоте вторичной обмотки и емкости MMC индуктивность L1 примерно 10-15мкГн.
Какими концами подключать катушку к генератору значения не имеет, обратная связь ведь берется с первичного контура, а не с вторичного. В этой конструкции провод от конденсаторов ММС идет к центру обмотки, а провод от средней точки силовых транзисторов (которые без ММС) перемещается по последнему верхнему витку в целях поиска резонанса.
Немного выше всех витков находится разорванный заземленный виток – strike-ring для защиты обмотки (а точнее генератора) от высоковольтных разрядов. Он подключен к общему заземляющему проводу.
Теперь разберемся, почему в первичном контуре так сильно возрастает напряжение и нужна сборка конденсаторов на 6кВ. … Ладно, разберемся в следующей статье. Те кто строит такие генераторы самостоятельно и напрямую не связаны с силовой радиоэлектроникой (таких людей большинство), неплохо «прокачивают» себе мозги в этой области, это является несомненно положительным моментом.
Вторичная обмотка выполнена проводом Ø0,18мм на каркасе диаметром 13 см. Всего 1450 витков. Длина намотки 30см.
Рисунок 29 – Вторичная обмотка – однослойная цилиндрическая катушка
Расчетная индуктивность 90 000мкГн (90мГн), измеренная LC-метром 96,9мГн. Иногда при расчете нужно принимать во внимание толщину лаковой изоляции 0,005мм. Катушка покрыта эпоксидным клеем ЭДП.
Важным моментом является заземление вторичной высоковольтной обмотки. Нижний вывод катушки нужно подключать к общему заземляющему контакту толстым проводом. В трех-контактных розетках это, как правило, третий, желто-зеленый проводник. В небольших и относительно маломощных генераторах возможно выполнение заземления на конденсаторный делитель (хотя и не желательно). В мощных DRSSTC этого делать нельзя по разным причинам в связи с опасностью поражения электрическим током. Конкретно на себе я испытал некое статическое электричество от заземленной на конденсаторный делитель катушки. Выключенная от сети 220В и отсоединенная от всех возможных контактов катушка с тороидом довольно сильно бьёт током. По ощущениям как 220В. Причем отключенной она стояла минут 20. Примерно 3-4 раза я дотрагивался и получал приличный удар, и всё думал, когда же она разрядится. На последнем разе уже почти не ощутимое воздействие. Заземляются так же защитное кольцо (strike-ring), металлический корпус платы драйвера и радиатор транзисторов.
Во время первого запуска, который на видео, из нижней части вторичной обмотки пошел дым. Тонкий обмоточный провод не выдерживает больших токов.
Провод не перегорел, но 2-3 нижних витка по окружности катушки стали черными.
Рисунок 30 – Подгоревшая вторичная обмотка
Вместо того, чтоб уменьшить коэффициент связи катушек решено было заменить 100 нижних витков на более толстый провод Ø0,42. Рабочая частота от этого изменилась не существенно.
Рисунок 31 – Дополнительные витки для вторичной обмотки
Интересная особенность оказалась в том, что катушка с этими 100 новыми виткам работала нормально пока шли пробные запуски. Позже эти витки были покрыты эпоксидкой и резонансная частота куда-то уплыла. Пришлось перенастраивать емкость ММС и уменьшить тороид.
Так как DRSSTC из демонстрационной уже превратилась в полу-экспериментальную и на ней, в связи с наличием переключаемой конденсаторной батареи, уже начали испытываться различные другие катушки, то в итоге (через, может месяц) 100 витков были снова отпилены и общий вывод оказался в том, что наиболее удачной была первоначальная катушка из 1450 витков проводом Ø0,18 . Но на будущее было решено что лучше не делать катушки для полно-мостовых генераторов из тонкого провода (хотя бы не тоньше 0.2мм).
Емкость вторичного контура сделана из алюминиевого гофрированного воздуховода. Этот тороид был сделан давно и валялся на чердаке. Его параметры как раз подошли под расчетные. Гофрированная труба обкручена вокруг деревяшки. Внутренность обклеена алюминиевым скотчем. Скотч соединяет тороид и штырь (катушку). Общая емкость вторичного контура 18пФ. Она складывается из собственной емкости катушки и емкости тороида.
Рисунок 32 – Тороид для вторичного контура
Расчет резонансных контуров проводился в MathCad. Дополнительно посчитано в разных калькуляторах (WinTesla, FTC, inca и другие, которые считают параметры по отдельности.). Истина где-то рядом. Хотя на 100% всё подсчитать нельзя и только настраивая контура на практике можно достичь оптимального результата.
Тонкости настройки заключаются в изменении не только очевидных параметров L и C первичного и вторичного контуров. Уменьшение например длины разрядника на верхнем выводе вторичной обмотки с 10 до 5 см изменило резонансную частоту и ухудшило работу катушки. Потом я долго её настраивал. В разных случаях разрядник может быть как длинным так и коротким. Влияет расположение тороида ниже или выше над катушкой. В этой катушке к верхнему выводу приделан металлический штырь М6 с резьбой, длинной 30 см. Были испытаны все возможные положения тороида на этом штыре.
Значительное влияние оказывает ширина рабочего импульса и не всегда её увеличение приводит к увеличению длины разряда. Так же влияет емкость катушки L1 (расположение L2 выше или ниже L1) и окружающих предметов и даже самих разрядов. В разных помещения катушка может работать по разному.
Вся DRSSTC получилась как показано на рисунке 33. Немного громоздко выглядит первичная обмотка (или немного маловат корпус). Большая зеленая кнопка «качеля» на корпусе подключает сеть 220В на одной группе контактов и одновременно разрывает цепь с разрядным резистором для электролитов на другой группе. Во втором положении всё наоборот (на схеме не показано). Это очень удобно при частых настройках на внутренних частях. Конденсаторы разряжаются за 20сек. и можно безопасно работать.
Рисунок 33 – DRSSTC Трансформатор Тесла
При запусках на предельной мощности взорвались транзисторы. Вероятная причина – большой контурный ток + перегрев.
Рисунок 34 – Взрыв транзисторов
Так уж получилось, что в этот момент снималась внутренность генератора, а не разряды. После взрыва двух комплектов транзисторов решено было установить ограничение максимального тока на 150А, как описано выше, и больше не мучить ни себя, ни катушку. В таком варианте разряды чуть больше длины вторичной обмотки, но зато DRSSTC может работать очень долго и транзисторы при этом почти не нагреваются. Для проведения экспериментов стабильность работы это важный параметр.
BURST-режим (работа с прерываниями),ограничение тока на 300А
Непрерывный режим (50-75мкс, 7 – 5 мс),ограничение тока на 150А
На втором видео высоковольтная обмотка от другого проекта, она немного длиннее и качественнее (1600 витков проводом 0,21мм). Чтоб изменить ограничение тока хотя бы до 200А нужно добраться до драйвера, который загружен сверху другими деталями. А после того, как была доработана переключаемая емкость ММС, сделать это стало проблематично. Корпус небольшой и в этом недостаток конструкции – неудобство настройки. Так же неудобно было вытаскивать мост и перепаивать взорванные транзисторы, поэтому так всё и было оставлено. И вобщем, такой вариант на данном этапе меня вполне устраивал.
Схема DRSSTC Full-Bridge
ИТОГО:
1. Получилась DRSSTC c надежной и длительной работой с разрядами в пол метра, без существенного нагрева транзисторов.
2. Для демонстрационной DRSSTC с большими разрядами нужны качественные детали (транзисторы моста, конденсаторы ММС, электролит питания и драйвер с коррекцией задержек), но это уже совсем другая история.
Всем успехов!
Продолжение: DRSSTC 2.2