Полномостовая SSTC

Классическая транзисторная катушка Тесла без двойного резонанса.
Этот трансформатор Тесла представляет собой расширенную и улучшенную версию полумостовой катушки. Та же самая топология, что и у неё (автогенератор), с некоторыми существенными отличиями, сильно улучшающими качество работы и общую стабильность и надёжность конструкции.

1. Сигнал обратной связи берётся больше не с нестабильной антеннки, а через трансформатор тока. Трансформатор тока для данной цели делается очень просто: берётся небольшое ферритовое кольцо из того же материала, что и GDT, на котором мотается витков 30-50 провода (чтобы закрыть внутреннюю поверхность кольца).

Кольцо надевается на провод заземления вторичной обмотки, а выводы обмотки кольца припаиваются через последовательно включенный отделяющий постоянку плёночный конденсатор (>100нф) к минусу драйвера и входу диодной вилки соответственно. Подбор фазировки осуществляется либо сменой направления прохождения провода вторички через кольцо, либо переменой проводов обмотки трансформатора тока. Про теорию его работы, как и о GDT, неплохо писал BSVi.

2. Драйвер усилен до простейшего двухступенчатого варианта. Зачем это сделано: UCC27425 довольно хилая, когда речь заходит о 200-250 кГц и CW-режиме (т.е. без прерывания вовсе), при суммарном весе затворов в 12-20нФ и выше. Потребление драйвера в таком режиме может доходить до 1А и выше, т.е. драйвер должен рассеивать более десятка ватт, из которых по крайней мере половина приходится на несчастную UCC, хотя штатно больше пары ватт она рассеять не может вообще. Поэтому в улучшенном драйвере UCC27425 качает не прямо GDT полевиков, а мост из четырёх небольших низковольтных транзисторов, спаянных с материнской платы. Главное условие — малая ёмкость затвора, чем она меньше, тем лучше. 500-600пф — идеально, 800 — тоже неплохо, больше 1нф — есть шансы перегрева UCC. 
Раскачивать этот усилитель необходимо через свой собственный GDT с пятью обмотками, каковые должны быть правильно сфазированы (об этом ниже). На выходе между полевиками драйвера и транзисторами силовой части можно поставить также один GDT с пятью обмотками, либо два раздельных по три обмотки (по одному на полумостовой модуль). Разницы между двумя трёхобмоточными и одним пятиобмоточным я так и не заметил, но в общем случае два отдельных GDT должны быть слегка надёжнее из-за обеспечения независимого управления полумостами моста.
Драйвер разработан sifun’ом. Кстати, именно такой драйвер работает в QCW-DRSSTC, и по тому же принципу построен универсальный драйвер DRSSTC Стива Варда.

3. В качестве силовой части выбран мост, как вдвое более мощный относительно полумоста при том же напряжении питания, причём мост не на полевиках, а на IGBT (биполярные транзисторы с изолированным затвором). Сам по себе вопрос, что разумнее применять для SSTC, IGBT или MOSFET, весьма дискуссионный: полевики быстрее, IGBT имеют меньше потерь на больших токах, полевики дешевле, IGBT современнее, и так далее, но я руководствовался простым соображением: полевикам в обязательном порядке необходима обвязка диодами, что а) приравнивает по стоимости мост на полевиках к мосту на IGBT, б) добавляет весьма значительную индуктивность этих диодов и всех соединений. Здесь кроется одна из тех хитростей, которые трудно где-либо прочесть, но которые могут быть решающими при построении катушки, и несоблюдение которых может раз за разом приводить к взрыву без видимых причин. Дело в том, что, несмотря на относительно невысокие частоты работы катушки, для правильной работы силовой части необходимы резкие фронты и спады сигнала, с длинами в одну-две сотни наносекунд, т.е. с эквивалентными частотами в мегагерцы и десятки мегагерц. На этих частотах становится критична длина монтажа в силовой части, ввиду наличия у неё ненулевой индуктивности — единицы и десятки наногенри. Из-за этого могут возникать выбросы и сбои в работе, более того, судя по всему, они и возникают, и приводят к взрывам силовухи. Эту проблему можно решать, укорачивая монтаж до предельно возможного, но вот незадача: при наличии обвязочных диодов он всё равно остаётся довольно длинный, а диоды необходимы: они обеспечивают защиту полевиков при возникающем при переключении обратном напряжении, открываясь быстрее, чем собственные их встроенные (body diode). В хороших же IGBT обвязочный диод встроен внутрь корпуса, устраняя фактом своего существования необходимость обвязки, поэтому два IGBT можно соединить в полумостовой модуль практически нога-к-ноге, короче некуда, только заводские полумостовые модули, где оба транзистора уже в одном корпусе. Поэтому после взрыва полевиков я отказался от них в хоть сколько-либо низкочастотных катушках вообще. Только IGBT, только максимально плотный монтаж.
Вообще при сборке полумоста или моста основные соображения, о которых следует помнить, таковы:
а) монтаж каждого из полумостов — как можно короче, идеально — вплотную,
б) конденсаторы с низким ESR (хорошие силовые электролиты, силовые плёнки) — как можно ближе по питанию каждого из полумостовых модулей в силовой,
в) больше защиты — не меньше защиты. Варистор по питанию, стабилитроны затвор-исток, снабберы, резисторы в полкилоома затвор-исток (чтобы не убить статикой, например) — всё это продлевает жизнь хрупкого и взрывоопасного девайса, такого как трансформатор Тесла.

4. Интерраптер сделан с т.н. бёрст-модом (двойное прерывание) на 3-х корпусах таймера NE555, по схеме Стива Варда, с подправленными номиналами частотозадающих цепей 555-х, с целью достижения большего диапазона регулирования, чем в оригинале. Как подправлять — смотрим даташит на 555 и ищем формулу зависимости частоты от номиналов конденсатора и резистора. Текущая конфигурация допускает выход в CW, т.е. работу без прерываний.

5. Ввиду отсутствия в залежах деталей железного трансформатора для питания драйвера, был сделан простой понижающий питальник на IR2153 по классической схеме полумоста с флайбек.орг.ру. Мощность около 20-30W, выходное напряжение — 16В постоянки.

6. Затворные резисторы теперь используются в связке с диодом. Такая схема соединения позволяет делать разную длительность задержки фронта и спада, чтобы избежать сквозняков и затыков (IGBT закрываются медленнее, чем открываются, поэтому надо их щадить таким вот образом).

Немного о настройке моста. Как я уже писал, мост представляет собой попросту два полумоста, работающих в противофазе, т.е. с двойным размахом, равным в итоге напряжению питания (в полумосте — половине питания). Преимущество моста очевидно: вдвое большая мощность, вкачиваемая в одну конструкцию. Если детали в полумосте работают уже на пределе тока, то мост позволяет её увеличить без бабахов. Преимущество полумоста тоже очевидно: вдвое меньше деталей и намного более простые сборка и настройка. Если не нужна предельная отдача, разумнее собирать полумост.


Так вот, о настройке. Мост обычно рисуют топологически эквивалентно цифре «8», с четырьмя транзисторами по углам и нагрузкой (первичкой) в качестве перекладины. Правая и левая пары транзисторов образуют два полумостовых модуля, в каждом из которых есть соответственно верхний и нижний транзисторы. Для правильной работы моста необходимо так сфазировать сигналы, приходящие на затворы, чтобы каждые два соседние транзистора были в противофазе, а по диагоналям — в фазе. В шахматном, короче, порядке. Чтобы сделать это, необходим двухканальный осциллограф и функциональный генератор, который будет при настройке имитировать приходящий с катушки сигнал обратной связи (т. е., его выход надо подцепить на вход драйвера). Порядок настройки таков:
1) Припаиваем затворный и истоковый провода к одному любому из транзисторов (например, верхнему левому), после чего цепляем на него первый щуп, подаём питание на драйвер и генератор, и видим осциллограмму сигнала с GDT. 2) Далее берём любую другую пару проводов и цепляем к ней другой щуп. Если сигнал в противофазе, припаиваем его соответственно к нижнему левому транзистору так же, как держали щупом: щуповой провод к затвору, крокодиловый — к истоку. Если сигналы в фазе, то перед припайкой просто меняем их друг с другом местами, крокодиловый к затвору, щуповой к истоку.
3) Повторяем пункт 2 со следующей парой проводов и верхним правым транзистором.
4) Отцепляем первый щуп от верхнего левого транзистора и цепляем его на верхний правый.
5) Повторяем пункт 2 с последней, четвёртой парой, и нижним правым транзистором.
Для удобства дальнейшей работы очень помогает пометить своим цветным фломастером каждый из транзисторов, проводов (например, пометить только затворные провода) и точку припайки на плате.

Как делать резонатор, первичную обмотку, тор и прочее, рассказывать уже не стану, все и так в курсе, надеюсь.
Ценное замечание: при настройке положения первички и вторички очень важно подобрать удачное их взаимное расположение, чтобы соблюсти три условия: непробивание на первичную обмотку с середины вторичной (это не смертельно для схемы, но может прожечь дырки и вообще фу), значительный коэффициент связи для обеспечения большой прокачиваемой мощности, не слишком большой коэффициент связи — для ограничения прокачиваемой мощности 🙂 короче говоря, необходимо сделать на колечке измерительный трансформатор тока (например, 50 витков), нагруженный на известное сопротивление (например, 5 ом), и надеть его на провод первичной обмотки, подключив щуп осциллографа к сопротивлению. С его помощью по размаху сигнала на осцилле можно узнать ток, текущий через первичку и, соответственно, ключи. Пока ток находится в допустимом для ключей диапазоне — можно смело поднимать первичную обмотку относительно вторичной, до тех пор, пока не вырастет ток или в неё не начнёт бить разряд.

Резонатор сделан на 11 см канализационной трубе, длина намотки ок. 33 см, провод ф0.3 мм, покрыта двумя слоями полиуретанового лака. Первичная обмотка — 6 витков толстого монтажного провода (10 мм^2) на 16 см трубке. Максимальный ток при такой конфигурации около 50 ампер. Потребление в CW-режиме (огромное толстое слегка шипящее фиолетовое пламя в руку толщиной) — около 4-5 киловатт. Прерыватель обеспечивает массу очень интересных режимов работы с удивительно противными пищаще-трещащими звуками, слышимыми изо всех уголков жилища. Поистине бесподобные эффекты даёт насыпанное на разрядный терминал соединение натрия, например соль или NaOH (см. видео). Длина разряда — до 60 см и — возможно — больше (если выкрутить питание на 250В латром и/или добавить соли).

Собственно, фото и видео катушки, её узлов и работы — ниже. И, да, о чудо, СХЕМА!

   
YouTube Трейлер
YouTube Трейлер

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники
Метки: , , , , , ,

39 ответов на Полномостовая SSTC

  1. Кобелев Иван says:

    Интересно… очень интересно.

  2. Никитос says:

    а мог бы дать схему полумоста с обратной связью не на антенке а на ферритовом кольце?

  3. Александр says:

    Здравствуйте) Скажите пожалуйста напряжение конденсаторов из окончательной схемы и схемы интерраптера, везде дана только их емкость, а вот про напряжение ни слова…

    • admin says:

      Конденсаторы всегда берутся на напряжение, большее напряжения питания, указанного на входе части схемы, если же требуется на какое-то конкретное, отличное от питающего, это подписывается отдельно.

      • Александр says:

        Т.е. получается где «Power film» там кондеры на 1000-2000 В, а на всем остальном порядка 16 В?

        • Александр says:

          Блин, извините меня, пожалуйста, я совсем с ними запутался… Ведь трансформатор Тесла — устройство, работающее на высоких напряжениях и, одновременно, в принципиальной схеме присутствуют источники тока в 15В и 250В и 9В. Расскажите, пожалуйста, про них подробнее…

  4. Александр says:

    Блин, извините меня, пожалуйста, я совсем с ними запутался… Ведь трансформатор Тесла — устройство, работающее на высоких напряжениях и, одновременно, в принципиальной схеме присутствуют источники тока в 15В и 250В и 9B. Расскажите, пожалуйста, про них подробнее…

    • admin says:

      Александр, трансформатор Тесла — не более чем топология системы из двух магнитно связанных резонансных контуров. А как именно запитан первичный контур — искровым разрядником, лампой или инвертором, собственно говоря, в общем случае и неважно. Здесь происходит достаточно быстрая раскачка контуров, чтобы сотен вольт в первичном контуре хватало для десятков и сотен киловольт во вторичном.

  5. Eugene says:

    >был сделан простой понижающий питальник на IR2153 по классической схеме полумоста

    Хм, все схемы ИБП на ir2153 и tl494, которые я видел, были раз в 5 сложнее драйвера этой катушки. Буду признателен, государь, если вы поделитесь со мной ссылкой на эту простую схему.
    : )

  6. андрей says:

    здравствуйте уважаемый администратор, прошу Вас помочь в постороении полумостовой катушки вместо мостовой, так как мне не нужна большая мощность, дело в том что я не понимаю полностью весь процесс не знаю как мотать развязки осциологрофа нет, к сожалению по скайпу не могу связаться живу на Камчатке тут инет платный медленный и дорогой, если Вас не затруднит нарисовать схему полумоста из вашей мостовой на IGBT буду очень признателен

  7. андрей says:

    а еще обьясните пожалуйста зачем на схеме в силилуой части стоит реле и нужно ли стабилизировать напряжение на микросхемы

  8. Kasper.DoT says:

    Классная вещь! Народ, у кого-нибудь есть печатная плата моста? Оч. нужна, сам печатки рисовать толком не умею. Может кто нить нарисует, был бы оч признателен!)) Киньте сюда пожалуйста!!!

  9. юрчик says:

    мя интересует вопрос — что дает разделительный фильм-кап в мосте?

  10. Alex D says:

    !!!!!НИХ**СЕБЕ!!!!! !!!Браво!!! до полного идеала не хватает ФАПЧ

  11. Vadimus says:

    Уважаемый администратор, очень волнует вопрос о применении ГДТ между UCC и мостом драйвера. Он установлен ввиду отсутствия разноканальных фетов?

    • admin says:

      Это именно так.

      • Alex D says:

        Можно было бы использовать два обратнохода на двух полевиках каждый из них рулил бы своим кольцом каждое из которых открывало два и закрывало два игбт, схему можно подсмотреть «высоковольтные линейные усилители на транзисторах» там они гоняли 16 мосфетов на 10мгц и напряжении 6кв.

      • Пирог says:

        Приветствую! Хотел уточнить: драйвер на мосте из n-канальных фетов используется только ввиду отсутствия комплементарных фетов? Известно, что пара p-n канальных фетов сквозит и греется, что мне очень не нравится. Этот драйвер, по идее, сквозить не должен. Так ли это?
        Собираюсь разводить новую платку под дравйвер, чтобы было место под радиаторы фетам. Старая конструкция на 500кгц в цв грелась до неприличия. Что, по вашему, лучше: этот ваш драйвер, или же на комплиментарках ?

        • Вася says:

          Конструкции на ГДТ почти не сквозят. П-канальные феты чуть медленнее, чем Н-канальные.

  12. Владимир says:

    Здравствуйте. Вопрос к автору. Пробовал собрать по вашей схеме. При настройке моста из транзисторов 09n03la согласно данной вами инструкции, при подключении одной из обмоток GDT к верхнему левому транзистору, происходил сильный нагрев правого полумоста. Буквально за 2-3 секунды шел дымок от правого верхнего и нижнего транзисторов. В итоге оба сгорели. Мне кажется это из за моего самодельного генератора импульсов. При настройке пользовался самопальным генератором импульсов на TL494, сигнал которой подавался на вход драйвера с амплитудой около 5 вольт. может это и убило мост? могла ли от этого накрыться UCC? Как в таком случае лучше настраивать мост?

    • Максим says:

      выводы трансформаторов в драйвере и выходе перепутаны. в драйвере верхний правый затвор висит в воздухе. на выходе правые затворы на одной обмотке! Автору немешало бы схему подправить

  13. Алекс says:

    По-моему вы зациклились. Тот же чех Даник опубликовал схему на IR 2153 с прямым приводом FETов от МС.
    Единственное, между Gate и Source стоит стабилитрон 16 вольт. Питание конечно раздельное.
    Судя по паспорту 2153, к выводу 3 можно подключить прерыватель через N-FET, если кто хочет.
    Вопрос к admin. Как на счет под заказ собрать устройство подпитки батареи фонаря? Некоторые наработки имею, а вот экспериментировать некогда.

  14. Аноним says:

    Напряжение С1 и С2 должно быть чем больше?

  15. wm5 says:

    Интересует вопрос заземления вторичной катушки, нужно оно или достаточно виртуальной земли как на схеме?

  16. Дмитрий says:

    Здравствуйте. Не подскажете, можно ли использовать для управления мостом схему отсюда http://www.icct.ru/Practicality/Papers/05-07-2010/Invertor-02.php

  17. Алексей says:

    Хороший драйвер, главное обвязать по питанию конденсаторами, чтобы помехи не мешали работать, и поместить в корпус экранированный с заземлением, все работает, автору за это благодарность.
    На счет SSTC, я бы переименовал ее в DRSSTC, т.к. присутствует кондер в первичном контуре. Автор, поясните пожалуйста, в первичном контуре два капа, тот что на 4.7u как разделительный, а второй?
    Могу предположить, что 150n кап создает идеальные условия формирования импульса, при любом раскладе даже если стример растет и длина волны увеличивается, конденсатор обеспечит короткий импульс и кратные ему гармоники, которые не окажут сопротивления стоячей волне, а так же он выполняет роль фильтра, длительность импульса не превысит четверти длины волны, и кроме всего эта емкость попадает в резонанс, но в то же время установлен 4.7u . Проведите ликбез пожалуйста по этому поводу.

    • Артем says:

      Неправильные выводы. Это сделано для безопасности. Если вдруг драйвер зависнет или еще что-нибудь с ним случится, без этих капов получилось бы КЗ через пару открытых транзисторов. Так как частота упадет, реактивное сопротивление первички упадет до 0, а активное у нее тоже почти 0.

  18. Артём says:

    Ведь можно использовать IR2153 вместо UCC27425? С соответствующими изменениями в схеме конечно.

  19. Алексей says:

    Автору привет!
    Есть вопрос, на сколько критично использовать в питании силовой электролит с номиналом по напряжению 400v 3300uf. У меня опасения по выбросам в момент переключения ключей, возможно ли что электролит пробьет? Индуктивность всей платы не нулевая, причем далеко не нулевая)) Чем его защитить, кроме как 1.5ke400CA (или два последовательно 1.5ke200CA)
    Посоветуйте, а то конденсатор один и жаль его терять 🙁

  20. Иван says:

    Добрый день !
    Я новичок в этом деле , может кто нибудь подсказать как рассчитать необходимую емкость конденсаторов для катушки , у меня есть 1 трансформатор с микроволновки и конденсатор от туда го , как узнать хватит ли его емкости для катушки , все остальные составляющие уже готовы , могу скинуть фото кодера и трансформатора .
    Помогите пожалуйста !!))

  21. Denis says:

    мне кажется, или все-же нумерация выводов от GDT к выходным транзисторам напроч перепутана?

  22. Максим says:

    и у выходных ключей тоже перепутаны выводы на трансе

  23. Нихаз says:

    А разряды можно трогать?

  24. Василий says:

    Привет, администратор! Очень нужна помощь в построении полумостовой SSTC. Дело в том, что я собрал схему полумостовой катушки, но по неизвестной причине нет генерации. Все сделано согласно вашей (только полумост) схеме. Кольцо — EPCOS N-87 — может в этом причина? И еще вопрос: транзисторы HGTG12N60A4D — напряжение 600В, а ток — 54А, если я поставлю их в схему, она будет работать? (предыдущие HGTG20n60A4 сгорели)и, тому же они на порядок дешевле. Катушка — 20 см высота, 10 см — диаметр, провод — 0,2мм. Прошу, пожалуйста, помоги…

  25. Валентин says:

    Здравствуйте, прясните пожалуйста, что такое GDT?

  26. КоротыШ says:

    и как сигнал на ГДТ с маленького моста хорошо выглядит )?

  27. Болван says:

    Они такие и нужны, немного растянутые, если будут резкие могут хлопнуть транзисторы или сильно греться в CW

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.