QCW DRSSTC

QCW DRSSTC — особый тип транзисторных катушек Тесла, характеризующийся т. н. плавной накачкой: постепенным и плавным (а не резким ударным, как в конвенциональных катушках) нарастанием ряда параметров (а именно: напряжения первичного контура и тока первичного контура, и, возможно, напряжения вторичного контура).
В классической импульсной катушке Тесла рост тока в первичной обмотке обычно происходит в течение времени, сравнимым с длительностью периода (от 2-3 до 7-10 и более периодов) резонансной частоты, т. е. за время порядка десятков — сотен микросекунд. В QCW время нарастания составляет десятки миллисекунд, то есть больше примерно на два порядка. Простым примером около-QCW являются ламповые катушки Тесла с шифтером. Из-за 50-герцового синуса на его выходе возникает эффект полуплавной накачки, которая обеспечивает довольно внушительный прирост длины разряда относительно типичного жёсткого прерывания (по катоду, или сетке).

В результате данного приёма достигается характерный вид молний в виде длинных и практически прямых, мечевидных разрядов, длина которых многократно превышает длину намотки вторичной обмотки. Дело в том, что полное напряжение на терминале QCW DRSSTC никогда не достигает пробойного для вторички: оно всегда остаётся довольно небольшим, десятки киловольт или типа того. Возникший на небольшом напряжении стример продолжает подпитываться энергией в течение всего времени накачки, и поэтому растёт вверх, по силовым линиям поля, вместо того чтобы пробиваться сбоку тороида на страйкринг. Именно для этого и делается плавная накачка в катушках Тесла. За счёт такого приёма достигается следующий эффект: вначале появляется небольшой разряд, который затем растёт не с высокой скоростью, пробивая плазменный канал в случайном направлении, а с низкой (так, что этот процесс развития можно даже заснять обычными видеокамерами), что обуславливает его неразветвление и огромную относительно длины вторичной обмотки длину. По сути, мы постоянно подогреваем небольшой возникший разряд, который всё удлинняется и удлинняется по мере перекачки энергии во вторичную обмотку. Но напряжение на выходе такой катушки Тесла невелико и не превышает десятков киловольт.

no images were found

Есть несколько способов получить этот эффект. На настоящее время теоретически известны три из них: это buck-конвертер, фазосдвиговый мост и PDM. На практике были реализованы по крайней мере первые два, каждый со своими особенностями, достоинствами и недостатками. Помимо этого, к QCW-катушке предъявляются определённые требования:

частота резонанса должна быть не ниже 300 кГц (лучше 350-400 или выше): при более низкой частоте разряды будут неизбежно разветвляться и эффект мечевидности может пропасть;
высокий коэффициент связи (0.35 и выше): в QCW обычно делают первичную обмотку цилиндрической или конической с большим углом наклона от горизонтали, чтобы обеспечить это требование;
высокий импеданс первичной обмотки (большое число витков, малая ёмкость MMC). Поскольку транзисторы в QCW работают гораздо дольше на один пыщ, чем в обычной DRSSTC, их предельный ток следует делать как можно ниже;
малые линейные размеры резонатора (меряться соотношением разряд/вторичка — наша главная и первоочередная задача, поэтому делаем пеньки 1:2 или вообще 1:1 :))
довольно большой тороид (для стабилизации расстройки частоты, производимой огромным стримером).

Buck-конвертер.

Про работу buck-конвертера (далее просто бака) я более или менее рассказывал в записи про поющую катушку Тесла, поэтому не буду вдаваться в подробности. Там на вход бака подавалась музыка; здесь подаётся пила. Кроме того, ввиду больших пиковых мощностей бак для QCW должен быть довольно дубовым, и иметь дроссель на соответствующем сердечнике (рекомендуется ни разу не феррит, а альсифер и импортные аналоги) и огромную ёмкость по входу (десятки тысяч микрофарад). На всякий случай ещё раз напомню, как он работает. Бак — это полумост, у которого работает только один ключ (а вместо второго — диод). Ключ управляется ШИМом, и за счёт этого выдаёт импульсы с определённым заполнением на выход.

А на выходе стоит большой и жирный интегрирующий дроссель, который преобразует этот ШИМовый сигнал в постоянное напряжение определённой величины. Затем это всё просто поступает на мост, как обычное его питание. Всё. Ах, да, питание драйвера бака и затвора ключа обязательно должно осуществляться от гальванически развязанного от всего остального источника питания. Например, маленького железного трансформатора на 12В.

В простейшем случае работа бака в QCW выглядит так: микроконтроллер (например, Attiny13) генерит пилообразный сигнал с нужными параметрами, через оптрон (опторазвязка в баке обязательна, см. статью про аудиокатушку) подаёт её на драйвер, драйвер рулит транзистором бака. Это весь драйвер бака. Остальное — силовая часть.

В силовой части бака необходимо правильно выбрать транзистор, диод и сердечник дросселя. Я активно предлагаю всем использовать IRGP50B60PD1, возможно спараллеленные, ибо лучше этих транзисторов сейчас на рынке просто нет. В качестве диода подойдёт HFA серия, например HFA50, на напряжение 500-600 вольт, не ниже. В дроссель надо ставить чем больше и толще, тем лучше, колец из материала альсифер или KoolMu (его аналог). По хорошему, дроссель надо рассчитывать, но я просто взял три самых жирных кольца KoolMu что имелись, и вмотал их до заполнения проводом ПВ1 1.5мм. Держат 60 кВт в импульсе 😀 На фото по соседству приведён сгоревший по перегрузке бак.

no images were found

Очень важно напихать как можно больше ёмкости перед баком. Дело в том, что именно из электролитов берётся вся та энергия, которая вкачивается в разряд (сеть просто не отдаст столько, да ещё так быстро). И если электролиты к концу пыща сильно просядут, то и разряд просядет, поскольку максимально доступное напряжение будет сильно ниже начального на электролитах. Я рекомендую выбирать их так, чтобы в разряд сливалось не более 10-20% их энергии. То есть, если в пыхе 200 джоулей, то ставим электролиты не менее чем на 2000 Дж, и так далее.

Фазосдвиговый мост.

Про фазосдвиговый мост хорошо писал в своей статье украинский коллега BSVi. В этом случае мы избавляемся от дросселя и лишних транзисторов/диодов, но сильно теряем на охлаждении. Вкратце, две половинки моста (кто не в курсе как работает мост — об этом немного написано у меня в статье про полномостовую SSTC) работают не в чёткой противофазе, а с определённым программируемым сдвигом. За счёт этого достигается тот же эффект плавного нарастания напряжения на мосте, что и в баке. Плюсы: вся хитрая электроника QCW помещается в общий драйвер моста, что даёт огромное преимущество цифровым драйверам, которые могут просто включить такой режим в себя, как одну из опций. Минусы: дикий нагрев одной из половин моста, которая всегда вынуждена работать в режиме хардсвича.

В ходе экспериментов было установлено, что длина разряда и общая крутость работы зависит не столько от тока первичного контура, сколько от напряжения на входе моста. Этой не совсем корректной фразой я пытаюсь сказать, что можно повышать не только ток за счёт наращивания MMC, но и напряжение (вследствие чего и ток повысится, и стример вырастет). В самом деле: ключи на 600 вольт, электролиты на 450, а используем мы только 310, да и то не целиком (т. е. проседают электролиты в процессе пыща). Исправить это можно при помощи boost-конвертера.

Boost-конвертер.

Буст — это как бак, только наоборот. Бак может выдать любое напряжение от 0 до входного; буст же — любое от входного до пикового, на которое он настроен. По сути это тот же полумост, только у него другой (чем в баке) ключ заменён диодом, а дроссель служит для подбрасывания входного напряжения за счёт выбросов самоиндукции.

Про силовой буст я ещё напишу отдельную статью. В данном случае оптимальным выходым является напряжение где-то в 430-440 вольт, на каковое мы его (буст) и настроили. Получается примерно так: во время пыща и сразу после буст активен и во всю мощь восполняет утраченный заряд электролитов, а непосредственно перед ним отдыхает, поскольку всё заряжено. На практике установка буста показала прирост более чем 60-70% длины разряда и огромный прирост пиковой мощности.

Мост

Разумеется, мотором QCW DRSSTC должен быть мост. Полумосты можно сразу засунуть куда-нибудь ещё, мы здесь выжимаем всё из транзисторов, на что они способны. Несколько десятков сожжёных IRGP50B60PD1 показали, что их предел в данном режиме — не более 200 ампер (порядка 160-190). Поскольку при установке буста ток подскакивал до 300+ ампер, ничего не оставалось, кроме как сделать сдвоенный мост, итого 8 транзисторов (плюс 2 в баке (в параллель), плюс один в бусте). Что важно: на мосте отсутствуют электролиты, а напаяны только плёнки. Поскольку входное напряжение у нас рулится баком, электролиты на мосте совершенно излишни и вредны.

MMC

MMC лучше всего делать, вы не поверите, из К15У. Характерный порядок емкостей, требующихся в QCW DRSSTC — около 10 нф (8-15 нф). Набрать из их К15У оказывается компактнее и надёжнее всего, тем более что они рассчитаны на нифиговые квары, которые текут здесь. Впрочем, в нижеописанной катушке удалось обойтись синими плёнками от EPCOS по 100нф 1кВ каждая (всего около 40 штук).

Драйвер

Конечно же, мостом надо управлять. Поскольку частоты здесь высокие (300-400, напомню, кГц), а затворы суммарно тяжёлые, требуется в обязательном порядке предусилитель на мощных и лёгких полевиках. Типичное решение можно утащить у Стива Варда в его широко знаменитом UD2.0 (да и всё остальное оттуда же). Несомненно, требуется предиктер, иначе мост превратится в пекло из-за жёсткого переключения. Наши последние разработки используют RC-предиктер, без дурацкой переменной индуктивности. Впрочем, RL-предиктер тоже должен отлично работать. Однозначно необходима защита по току (OCD), настроенная не более чем на 200А (для одиночного моста из 50B60) или 400А (для двойного моста): без неё катушка однозначно обречена на бабахи по самым разным причинам. Обратная связь берётся непременно по первичной обмотке, через классические каскадные трансформаторы тока. В отличие от обычной ДРки, прерыватель и обработка прерывателя как таковые здесь отсутствуют: всё необходимое используется в управлении баком, в частности переменные резисторы подстройки частоты BPS и времени нарастания тока (длины рампы). Об этом и кое-каких подводных камнях чуть ниже.

Подводные камни и прерыватель

Поскольку мост всё равно полностью рулится через бак, нет смысла делать отдельный прерыватель для моста. Вместо этого всё необходимое можно засунуть в прошивку контроллера, управляющего баком. Необходимый минимум содержит в себе обработку двух потенциометров: один управляет BPS, другой управляет временем накачки. Лично мне кажется, что можно добавить на гипотенузу пилы излом, и сделать третий переменник, который будет управлять участком до излома, но это уже скорее излишество.

Первый подводный камень, с которым приходится столкнуться, таков: разряд не хочет зажигаться. Соль здесь в том, что если плавно наращивать напряжение с нуля, то ток может дойти до величин, сильно превышающих OCD, а стример так и не появиться. Проблема эта решается т. н. фитилём: перед основной накачкой мы резко подаём довольно много вольт на мост, которые поджигают небольшой CW-разрядик, и в течение десятков миллисекунд греем им воздух, после чего этот фитиль становится затравкой для роста основного стримера. Минусы этого дела — избыточно долгая работа моста в полном CW во время фитиля. Увы, с этим ничего сделать толком нельзя.
Второй подводный камень: при малой ёмкости MMC запуск DRSSTC в принципе оказывается очень затруднён. Для решения этого применяется следующая хитрость: вместо каскадного трансформатора обратной связи надо взять одиночный с большим количеством витков (100-200).
Третий подводный камень: стример у нас огромный, а тороид мелкий (если взять большой тороид, то растёт и ток первичного контура, причём растёт почти впустую без видимого прироста эффективности). Ёмкость выросшего стримера может даже превосходить ёмкость тороида и сильно уводить резонансную частоту от той, на которой работала катушка вначале запуска (если кто не в курсе, стример имеет немалую ёмкость и влияет кардинальным образом на работу всей системы контуров в DRSSTC). Решается, увы, только увеличением тороида.

Proof of Concept (или собственно катушки в железе)

Конкретная конструкция, на которой были выявлены методом научного тыка вышеописанные особенности и закономерности, претерпела три этапа своего развития. На первом этапе, от которого уже ничего не осталось, она имела следующие характеристики:

вторичка: 16х15 см (15 в высоту), проводом 0.4, с частотой вместе с тороидом ~320 кГц;
тороид 8х18 см (выкрашен в зелёный: особая зелёная краска сильно увеличивает эффективность любой QCW DRSSTC, которая работает с этим тороидом);
первичка 6-7 витков почти вплотную ко вторичке;
MMC 10-12 нФ;
3000 мкф в накачке бака;
безымянный IGBT в баке (20N60);
дроссель бака: три феррита от строчника с зазором 1.5 мм или типа того;
мост на MOSFETах (FCA47N60) 🙂
обратная связь по вторичке через надетый на её земляной конец трансформатор тока.

Эта итерация давала разряд в 70-90 см, что казалось чудом и верхом технологии. По сути, это была первая QCW DRSSTC в России. Подробее про неё можно почитать в записи: QCW DRSSTC. Поскольку её в конечном варианте чуть менее, чем полностью, дизайнил sifun, и выглядело это как куча разбросанных по фанерке модулей, оно в итоге почило в бозе без шансов на реанимацию.

Вторая итерация, QCW 2.0, была сделана полностью с нуля и чуть более продуманно, с вырезанными на ЧПУ стойками первички и общей претензией на аккуратность. Параметры были следующие:

вторичная обмотка: 12х25 см проводом 0.335;
тот же зелёный тороид;
первичная обмотка: конус с углом примерно 60 градусов, 8 витков; также добавлен страйкринг;
5700 мкф в накачке бака (впоследствии заменено на 12000 мкф);
два KoolMu колечка в баке, общим сечением порядка 5 см^2;
бак на IRGP50B60PD1 и диоде HFA30;
мост на 50B60;

Благодаря обновлённому сифуньему драйверу и добавленным органам управления в виде потенциометров времени накачки и БПС, эта катушка была доведена до приличного режима, в котором она на сетевом напряжении выдавала разряды до 150-170 см длиной и чрезвычайно радовала всех, кто за ней наблюдал. К сожалению, она по-прежнему оставалась дико сопливой: например, драйвер бака и драйвер валялись вне корпуса и втыкались двумя отдельными вилками, а питание обязательно подавалось через ЛАТР на вход бака. Все постоянно дико боялись, что она шарахнет загнувшимся разрядом в свой драйвер и всё убьёт. Но в итоге я её угрохал, выкрутив защиту по току до 200+А и подняв жирность (время накачки).

no images were found

После этого катушка несколько месяцев стояла в сгоревшем виде, пока я не нашёл время, чтобы сделать буст и двойной мост. Помимо этого, путём невероятного усилия воли, все сопли были размещены на пластине поликарбоната внутри цилиндрического корпуса, добавлены собственные понижающие питальники драйверу и баку, добавлены наконец кулеры и реле плавной зарядки банок электролитов. MMC упакована в корпус, электролиты тоже, и катушка приобрела ужасно неряшливый, но хотя бы более или мене законченный вид. И она стала теперь QCW 2.1:

вторичная обмотка, тороид: те же (тороид впоследствии увеличен);
первичная обмотка: страйкринг использован как 9-й виток, дополнительно намотан на соплях 10-й виток;
на входе бака 24000 мкф 450В Cornell Dubilier серии 500C;
в баке два IRGP50B60PD1 в параллель (одиночный выбило после выкручивания опять-таки времени накачки выше 20 мс);
в дросселе бака три KoolMu общей площадью типа 7.5 см^2;
двойной мост на IRGP50B60PD1;
boost-конвертер по входу, повышающий напряжение до 440 вольт.

Буст дал совершенно волшебные результаты. Катушка превратилась в маленького и невероятно злого монстрика, с более чем двухметровыми разрядами (максимальный точно зарегистрированный и измеренный — 230 см), причём в точке старта эти разряды в руку толщиной! Из параметров осциллограмм тока первичного контура можно прикинуть мощности и энергии:

ток первичного контура до 300А;
напряжение первичного контура до 430В;
время накачки порядка 20 мс;
пиковая мощность в стримере 60+ кВт (и такая же мощность качается через бак);
энергия в стримере 400+ джоулей.

Катушка издаёт при работе невероятный гулкий «бух», иногда заменяющийся резким щёлкающим треском (когда по причине граундстрайка или аномалий развития стримера срабатывает OCD). К сожалению, управлять параметрами во время работы невозможно ввиду опасности получить изогнувшимся разрядом в щячло или макушку. Макушка после попадания отчётливо воняет жжёной шерстью 🙂