Первая построенная мной законченная и оформленная транзисторная катушка Тесла. Как оказалось, происходящие в них процессы гораздо легче для понимания, чем в ламповых или искровых, хотя последние намного проще сделать хотя бы как-то работающими просто за счёт копирования схемы.
Основная проблема же в построении SSTC – тонны нюансов и неочевидных для начинающего койлера свойств деталей, контуров и принципов их работы и взаимодействия, которые очень трудно узнать где-либо кроме как на собственном опыте, просто потому что все описания работающих транзисторных трансформаторов Тесла сделаны теми людьми, кто уже представляет себе эти нюансы на почти что интуитивном уровне и, как следствие, не считает достойными упоминания. Например, для меня таковыми являются осциллограммы, поэтому здесь их нету ни одной, хотя их вид – ключевой момент для понимания того, правильно ли работает катушка.
В общем случае типичная SSTC представляет собой устройство из нескольких основных блоков.
1. Силовая.
Основная часть катушки – силовая, возможные решения – полумост или мост (мост представляет собой просто два полумоста, соединённых так, чтобы раскачивать первичную обмотку с удвоенной амплитудой). Полумост представляет собой два последовательно соединённых полевых транзистора (MOSFET, далее просто фет), поочерёдно открывающихся и закрывающихся за счёт прямоугольного сигнала с драйвера. Вдаваться в теорию работы не буду, ей посвящены мегабайты текста в других местах. Для повышения выживаемости фетов последние обвязаны ультрабыстрыми диодами: один последовательно и один параллельно, и саппрессорами на нужное напряжение (для нас – 400 вольт, например, вполне пойдёт). Первичная обмотка располагается между средней точкой фетов и средней точкой из двух силовых плёночных конденсаторов, таким образом первичная обмотка качается от 0 до Vпит каждый такт работы. Недопущение открытия обоих транзисторов одновременно (такое зовётся словом «сквозняк» – по сути, закорачивание всей схемы через феты) обеспечивается т.н. дед-таймом, временем, когда оба фета закрыты. Также очень желательна обвязка фетов снабберами (RC-цепочка от стока к истоку, где характерный порядок R – 5-20 Ом, а C – 500-2000 пФ), каковые сильно увеличивают теплопотери и нагрев транзисторов, но зато весьма надёжно защищают их от бабахов – за надёжность платим нагревом.
Основное преимущество полумоста: нужно вдвое меньше деталей. Основное преимущество моста: вдвое большая возможная мощность.
В данной катушке использован полумост из соображений компактности. Но ничто не мешает расширить его до моста, что вскоре и будет сделано в следующей конструкции того же класса.
2. Управление (развязка сигналов).
Развязка необходима, чтобы гальванически отвязать друг от друга управление фетов. Применительно к катушке стоит говорить только о двух типах развязок: трансформаторная (GDT, gate-drive transformer) и оптическая (на оптронах). GDT представляет собой небольшое ферритовое кольцо, на котором максимально плотно друг к другу намотаны три (или пять для моста) обмотки: одна подключённая к драйверу и две (четыре) – к затворам-стокам соответствующих транзисторов силовой части. Оптрон – небольшая микросхемка, содержащая светодиод и фототранзистор, сигнал передаётся за счёт мерцания светодиода.
Преимущества GDT: минимум настройки, элементарное управление, значительно более низкая стоимость и простота изготовления, автоматическое формирование дед-тайма. Недостатки – необходимо отыскать хороший феррит и рассчитать и качественно намотать сам GDT – подробнее об этом писал BSVi в своей статье. Важно: при подключении необходимо следить, чтобы управление затворами транзисторов происходило в противофазе (как того требует топология полумоста). Преимущества оптронов: точное управление и минимум искажений сигнала. Недостатки – куча компонентов (на каждый канал (4 для моста, 2 для полумоста): оптрон, его обвязка (в том числе SMD керамика на ноги) и питание), необходимость формировать дед-тайм, сложность в работе, а ещё оптика страдает от помех от трансформатора Тесла.
Мой выбор – однозначно GDT.
При его использовании, кстати, желательно поставить стабилитрон на 15 вольт между истоком и затвором фета. Я их не использовал, и так всё работает, но лучше его там иметь, чтобы исключить пробой по затвору из-за глюков GDT, каковые могут возникать при издевательствах над катушкой в процессе настройки.
3. Драйвер.
Для управления достаточно «тяжёлыми» затворами транзисторов необходимо обеспечивать изрядный импульсный ток. Для этого используются специальные микросхемы, наиболее известные – серии UCC, например, UCC23721. Бывают одноканальные (выше мощность каждого отдельного драйвера, но необходимо ставить по микросхеме на каждый канал), двойные (два драйвера в одном корпусе), а также инвертирующие и неинвертирующие и с логическим вкл-выкл (он же ENABLE) или без оного. В ранее мной виденных схемах катушек Тесла на транзисторах использовались UCC27321 – 27322, одноканальные. Но, оказывается, существует замечательный драйвер UCC27425, который представляет собой идеальный вариант: содержит два канала, один инвертирующий, и второй прямой (индекс 5 в конце обозначения), а также ENABLE (индекс 4), что позволяет как подключать к нему прерыватель, так и превращать прямой сигнал в два – обычный и инвертированный. Единственный его недостаток – не очень большая мощность (4 ампера в импульсе), но, тем не менее, его полностью хватает для тягания довольно тяжёлых 47n60 полевиков. Таким образом, схема драйвера упрощается до одного единственного корпуса DIP8. На ноги микросхемы по питанию обязательно необходима SMD-керамика максимально имеющейся ёмкости (у меня 10 мкф). Никаких танталов, керамика и только керамика.
4. Генератор.
Генератор – задатчик резонансной рабочей частоты колебаний первички. Самый очевидный способ, в то же время самый неэффективный: использовать внешний генератор, например, на TL494, UC3825, IR2153 или другой соответствующей. Неэффективен он тем, что точная подстройка в резонанс без обратной связи от вторички практически невозможна: любое изменение условий работы, даже просто сам факт появления разряда, мгновенно унесёт рабочую частоту достаточно далеко для выхода из резонанса. Более прогрессивно и удобно просто использовать антеннку, которая будет ловить сигнал. Обрезая верх и низ принимаемого ей синусоидального сигнала при помощи вилки из диодов Шоттки, мы получаем прямоугольный сигнал (фактически логические 0 и 1) на входе драйвера. Ещё лучше вариант – ФАПЧ (PLL), фазовая автоподстройка частоты: внешний генератор, фаза и частота которого подстраиваются тем же способом – антеннкой, но это отдельная тема, и не факт, что PLL может быть лучше автогенератора. Тема требует более подробного изучения.
Как вариант, вместо антеннки можно использовать трансформатор тока с низа вторичной обмотки. Этот метод в общем случае сильно надёжнее, но несильно удобнее.
В этой конструкции использована антенна как наиболее простой и удобный способ.
5. Прерыватель.
Для уменьшения средней мощности, прокачиваемой сквозь катушку, и получения трескучих красивых разрядов, сигнал необходимо рвать. Благодаря наличию у UCC27425 ENABLE-входов, достаточно просто подключить к ним выход элементарного генератора на 555-м таймере. 555 не самая удобная для этого микросхема, но, определённо, самая простая и популярная. Использованная схема чуть отличается от общепринятой включением переменных резисторов. Более продвинутая версия может содержать в себе второй таймер для прерывания первого – т.н. burst-mode, двойное прерывание.
Короче, топология этой катушки: автогенератор с GDT и полумостом, драйвер UCC27425, феты FCA47N60, обвязка саппрессорами 1.5КЕ400A и ультрафастами HFA30TB60.
Резонатор (вторичная обмотка) – примерно 250 кгц частотой, размеры 11х16 см, провод 0.2 мм. Тороид свит из медной трубки и представляет полностью разомкнутый виток для уменьшения ВЧ-нагрева оного. Высота первички относительно вторички подобрана довольно точно для достижения тока в первичном контуре около 30А (предельный для диодов). Количество витков особой роли не играет, поскольку ток зависит чуть менее, чем полностью только от коэффициента связи обмоток, а оный настраивается положением первички.
Порядок сборки и настройки примерно таков. Вначале конструируем связку прерыватель-драйвер. Далее мотаем GDT. Используя внешний генератор на частоту близкую к нашей рабочей, проверяем работоспособность драйвера. Делаем силовую часть (лучше всего на радиаторе от процессора компа, они почти идеальны для этого, только просверлить дырки под крепёж фетов и диодов), не забывая изолировать все детали прокладками от радиатора, подключаем свободные выводы GDT к затворам и истокам и смотрим, как он справляется с передачей сигнала на ёмкостную нагрузку затвора. Если сигнал хороший (более-менее ровный прямоугольник), значит всё работает как следует. Других вариантов (плохой сигнал) тонны, как с ними справляться – по ссылкам внизу, масса теории и практики по теме. Собственно, после этого остаётся дособрать питание силовой части, подключить резонатор и аккуратно, через латр и балласт, попробовать запустить катушку.
При отсутствии реакции надо подёргать положение и размер антенны, а также попробовать сменить фазировку первичной обмотки.Нужно мониторить ток в первичке (например, трансформатором тока на ферритовом колечке подходящей проницаемости) и настраивать положение первичной обмотки так, чтобы он не превышал рабочий для диодов и/или транзисторов.
Самое ценное: схема. Постарался сделать её как можно более понятной и читаемой. Внимание, у 555 для удобства изображения нумерация ног произвольная – не путать и делать согласно их реальному нумерованному порядку, а не геометрическому расположению на схеме! Минусы питания и драйвера – не соединять.
UPD: исправил мелкий косяк в схеме: точка пересечения антенны, входа драйвера и диодов Шоттки 1n5818. Их всех следует спаять вместе.
ВАЖНОЕ ИСПРАВЛЕНИЕ: нога #5 у 555 таймера не идёт на землю, а подвешена в воздухе (не подсоединена)!
Полностью собранная катушка умещается внутрь корпуса от питальника компа, и остаётся довольно много места в запасе под что-нибудь ещё.
Рекомендуемые к изучению ссылки (без них я вряд ли бы что-то сконструировал):
http://stevehv.4hv.org/SSTCindex.htm – основная референтная страница от гуру полупроводниковых катушек, Стива Варда. Его самая популярная для копирования катушка SSTC-5 частично послужила основой для данного моего проекта.
http://bsvi.ru/raschet-i-primenenie-gdt/ – расчёт и применение GDT от BSVi.
http://rayer.ic.cz/teslatr/teslatr.htm – некто RayeR, годный чех с годными катушками и идеями.
http://www.richieburnett.co.uk/sstate.html – Richie Burnett, мастрид в области теории работы катушек. В том числе http://www.richieburnett.co.uk/mosfail.html - причины умирания мосфетов и http://www.richieburnett.co.uk/sstate2.html – теория работы драйвера SSTC.
http://danyk.wz.cz/ – ещё один годный чех, в том числе с весьма сумасшедшими проектами, типа видеорентгена.
http://flyback.org.ru/viewforum.php?f=9 – раздел Флайбека по SSTC, ценен количеством хоть как-то запущенных констрактов, и даже некоторых успешных.
По ссылкам с ссылок сверху можно найти ещё кучу всякого интересного по теме.
Большая благодарность за ссылки! Очень полезно!
Класс!!! Полезно очень, спасибо!
>на PLL CD4046 сделана моя полномостовая катушка.
Зерг, так у тебя скоро будет мостовая тесла?
Угу, сделаны драйвер и силовая, в процессе – интерраптер и проверка что и как оно вообще.
типо дешиво и сердито но очень мощьно завидую
у меня тоже уже все есть но лень силнее меня
Вопрос к констуктировщику :
На что влияют параметры вторички по мимо рабочей частоты устройства?
В том плане что можно ли к подобному девайсу применить вторку диаметром 6см и высотой намотки примерно 37см рабочая частота приблизительно 300кГц.
На добротность в основном. Применить можно, но эффективность будет хуже.
И такой ещё вопрос: там на схеме есть некоторые непонятки…
например первый транзюк показан с закорочеными ногами «исток-сток»
и во включении УЦЦшки 2 и 4 нога показаны замкнутыми… это глюк отображения?
Заранее спасибо)
ЗЫ : я просто взялся за сборку девайся по такойже схеме, только у меня под него есть на заказ сделанный корпус. А могу ли я создать тут запись о процесе постройки своего девайса?
За транзистор благодарю (впрочем, это совершенно очевидно просто косяк при проведении соединений). Ноги UCC действительно замкнуты: каналы спараллелены по входу.
Так а какой смысл тогда?
ну если 2 и 4 нога УЦЦшки будут замкнуты, то что пришло с антенки не будет иметь вообще веса….Или я чего-то не понимаю?
Ну как же не будет? В даташите вполне определённо – нога 2 INA, нога 4 INB, входы для первого и второго канала.
а как по внешнему виду определить где у УЦЦшки верх, в даташите ниччего не сказано по этому повод.
Ключ – небольшая выемка с края микросхемы. Она есть и на актуальной микре, и на схеме. Обозначает обычно условный «верх».
Собрал сегодня до конца схемку управления(связка драйвер- прерыватель), и оно не заработала((
при чём обе микрухи грелись как я не знаю…
что это может быть?
не правельно понял схему?
или прогресирующая жопорукость?
если не сложно ответьте в скайпе : artemij901
Можно ли как-то связаться с автором девайса на прямую, например в скайпе?
вполне возможно что схема не рабочая, ВНИМАНИЕ уважаемые тесластроители замечены ложные сайты в которых имеются неправельные схемы,испортите силовые транзисторы,потом будите винить себя за невнимательность и искать ошибки которых нет. после будете обсуждать на форуме от того же сайта с сомнительными собеседниками и авторами фальшь-сайта,кода поймете что вас развели… подведение итогов 1. интернет трафик(милион всегда состоит из рублей),2. ведро спаленых транзисторов и т.д.,3.желание собрать ТТ на ФЕТАХ усилинное в 10 раз(по себе знаю)4. на следующий сайт с нерабочими схемами,ГДЕ ДАЖЕ ВИЗУАЛЬНО ВИДНО ОШИБКИ И НА НЕКОТОРЫХ ДЕТАЛЯХ НЕТ МАРКИРОВКИ,НЕ ОТЧАЕВАЙТЕСЬ ПРЕЖДЕ ЧЕМ СОБИРАТЬ ВСЕГДА СВЯЗЫВАЙТЕСЬ С ТЕМИ КТО ПОВТОРИЛ АВТОРА, ОН БЫЛ ТАКОЙ ЖЕ КАК ВЫ… УДАЧИ
Тц-тц-тц, сколько шума. Причина неработоспособности конструкций тесел на полевиках – совпадение двух факторов: а) сборщики ничерта не понимают в силовой электронике и тупо копируют по схеме, б) авторы схемы тоже люди и тоже могут косячить (тем более что никому ничего не должны). В конкретно схеме этой катушки был мелкий косяк в контуре прерывателя на 555, о чём подписано чуть выше.
выкладывая схему она по умолчанию считается принципиальной и в ней не должно быть ошибок,а про силовую электронику жесть! ЮМОР купил мощный транзистор mosfet но производитель не выложил даташит на него, пологается на профи потребителей! вот и Dem9LH собрал и не работает…вы не обязанны ни кому но и отнимать чужое время, расходы повторяющих схему с ошибками, не имеете права… еще раз повторюсь выложите схему принципиальную, где каждая деталь обозначена 4.7Мф какое напяжение догадываться? и тт.д.
Про принцип AS IS что-нибудь слышали? Заплатите за разработку – выложу, и технические данные, и схему, и паспорт, и что угодно ещё )) а оправдывать собственную инженерную неграмотность мнимыми ошибками в чужих схемах, простите, верх самомнения пополам с глупостью.
вот вот схемы чужие… однажды в возросте 7 лет я случайно подключил электродвигатель к элементу питания, ротор начал вращаться. с того времени все изменилось, будучи учеником 4 класса я размышляя о электричесве как о природе подключил на выход усилителя звуковой частоты катушку от стартера тоесть магнето, без подключенного сигнала на вход, между концами вторичной обмотки возникла непрерывная дуга длинной 1см. после этого подключил на вход сигнал от магнитофона,и услышал что дуга поет, поставил в другой комнате приемник укв и нашел песню,которая играла от синала идущего на усилитель… трансформатор тесла я соберу видемо без вашей помощи, разработанную мною схему выложу везде,где только можно бесплатно,перестав читать школьную физику с того времени как преподаватель не смог объяснить что такое диодный мост,наступило прозрение о искаженном образовании! виликий тесла то же сталкивался с морганами и маркони,а вам платить не за что.деньги в быдломире для вас истина…
Привет всем.Я сделал по схеме выше, при включении на выходе микросхемы сигналы в одной фазе при подключении транса развязки микруха сгорела ярким пламенем.Где то есть косяк в схеме, автор перепроверь пожалуйста.Обращаюсь ко всем участникам если у кого есть печатка выложите где нибудь.Спасибо
В твоей конструкции косяк, схема уже успешно собиралась другими конструкторами без моих подсказок (независимая проверка). Синфазных сигналов у UCC27425 вообще быть не может – у неё один канал инвертирующий, другой неинвертирующий.
Да действительно у меня был косяк (генератор,которым я драйвил схему для проверки давал одно полярные импульсы) Сейчас всё работает.Если кому надо могу выложить печатку.
А микруха сгорела, потому что феррит вошёл в насыщение и естественно ток вырос, удалось исправить ситуацию повышением количества витков на колечке.
Korney 555 в основе, он и дает прямоугольный импульс.а уцц один прямоугольник пропускает, другой инвертирует в противоположную сторону, и вот два прямоугольных сигнала без задержки идут на феты через развязку и вот вопрос феты при такой схеме откроются вместе и верхний и нижний, что не допустимо! они должны открываться по очередно, 1.открытие верхнего ключа 2. заряд блока конденсаторов 3. закрытие верхнего ключа 4. разряд в первичную обмотку с нижним ключем то же самое, только по очереди.видимо в этой схеме нужно развернуть на развязке одну из двух катушек.
Почему они должны открыться вместе?На выходе колечка двухполупериодный сигнал по одной обмотке на каждый фет.Единственная проблема нет дэдтайма, но это можно исправить с помощью сопротивления и диода включённых паралельно(только диод в обратную сторону)на затворе.
а мог бы дать схему полумоста с обратной связью не на антенке а на ферритовом кольце?
сегодня узнал стоимость транзисторов вопервых это суперфет! тоесть усовершенствованный до невозможности его стоимость приблизительно 700 рублей, UCC27425 вообще почти не применяют из за низких характеристик самого драйвера,для полумоста схема в соотношении мощность/затраты экономически невыгодна, требуется изменить ее полностью, или отказаться вообще. в сравнение полумост на IR2153 по деталям обошелся мне 340рублей,мощность конечно может и по слабее ,но в этой схеме слабый драйвер и поэтому такие дорогие ключи с низким током затвора! обычно все стремяться найти золотую середину цена качество ,а эта схема просто и дорого…
ну что за херня…
1) ключи мне обошлись в 2.2$/шт, а сколько с вас требуют недобросовестные реселлеры вопрос уже другой.
2) 27425 идеальная для теслы микросхема ввиду сочетания высокого выходного тока, энейбла и инвертора одного из каналов.
3) ир2153 – говно с отвратительно низким выходным током (миллиампер триста там, что ли), совершенно непригодное в качестве драйвера, разве что в качестве генератора или под ультралёгкие ключи с <1000пф, и то на частотах до сотен кгц, но никак не в теслу.
4) заменить ключи на ирфп460 может помешать только непонимание силовой электроники как таковой.
а можно здесь использовать UCC37324D?
а можно здесь использовать UCC37324D и tl494? вот только запитал UCC37324D подал на нее сигналы с тл494 и на выходе плохой искаженный сигнал. UCC питал по максимуму через стабилизатор 15в, главное с тл494 сигнал идеален, а вот после уцц,силное искажение.понизил напряжение питания уцц сигнал выровнялся но о 4амперах на выходе не может быть и речи,осциллограф стоял без делителя на выходе gdt, там же имитировал резистором и кондером нагрузку ключа, мне кажется сигнал слабенький и не сможет правельно управлять затвором. что делать посоветуйте специ, пожалуйста без флуда.естественно схема без обратной связи.
зачем тебе ставить драйвер именно ucc/max/ir/и т.д. все легко построить на парах биполярных транзисторов.tl494для этих вещей не годится она больше для оптодрайверов подходит. на биполярах каскады строй сколько нужно, только не переусердствуй,затворы качай хорошим м…ом. стабилизаторы на каскады ставь с плавной регулировкой по току и напряжению, если на первом каскаде не удается получить хороший меандр, строй еще один пока не будет идеальный.и вообще ключи только IGBT они хоть и по дороже, зато не всегда требуют лишней обвязки, т.к. мосфет в обвязке имеет плохие данные.если полупроводники сильно греются совершенствуй схему, при хорошей работе полевики не должны нагреваться выше 40-50 градусов,никакого принудительного охлаждения.только радиатор.