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.
- 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.
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.
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.