.
X    

SSTC III. - Polovodičový Teslův transformátor


POZOR! Toto zařízení generuje vysoké napětí a silné elektromagnetické pole. Nikdy by němělo být provozováno bez stínění. Vysokofrekvenční vysokonapěťový výstup by neměl zdravého člověka zabít či způsobit závažnou zdravotní újmu, může ale popálit. Pro osoby s kardiostimulátorem může mít fatální následky. Zříkám se veškeré zodpovědnosti za jakékoliv následky stavby tohoto zařízení. Vše je BEZ ZÁRUKY A NA VAŠE VLASTNÍ RIZIKO.


Hotové zařízení, napájení přibližně 30 voltů
Hotové zařízení, napájení přibližně 30 voltů (klikněte pro plné rozlišení)

Jedná se o malý Teslův transformátor schopný běžet na nízkých napětích


Technické parametry

  • Pracovní frekvence: okolo 1,45 MHz
  • Rozměry: podstava: 5x5 cm, celková výška (bez přídavné kapacity): 14 cm, výška sekundární cívky: 6,5cm
  • Napájecí napětí: doporučeno 8-15 V (IRLZ44N)
  • Napájecí napětí: 12-32 V (SUP85N10)
  • Délka výbojů: cca 4-5 cm (přes 8 cm při 24V s výkonnějším MOSFETem a přídavnou kapacitou)
  • Režim: přerušovaný (střída přerušování omezena, omezovač lze vypnout)
  • Oscilátor: VCO integrovaný v 74HC4046


Řídící deska

Schéma řídící desky
Schéma řídící desky (klikněte pro plné rozlišení)

V levé horní části schématu lze najít oscilátor (součástky U1, R2, R3, C3). Frekvenci lze změnit změnou kapacity C3 či odporů R2 a R3, zde používám 1 nF, 10 kΩ, 10 kΩ. Frekvenci lze hrubě ladit trimrem RV1. Pin 3 konektoru P1 lze použít pro jemné doladění. Nevyužívám zde funkci fázového závěsu. Výstup oscilátoru je přiveden přes U3A (hradlo, co "mixuje" signál oscilátoru se signálem přerušovače - oba musí být log. 1, aby byl výstup log. 1) na gate driver (budič gate MOSFETu), který řídí MOSFET na výkonové desce. Používám zde obvod UCC37322 - tím pádem je integrovaný obvod U3 trochu zbytečný, ale může se hodit, protože lze použít i gatedrivery, co nemají vstup ENABLE - např. TC4420, TC4422, TC4452...). Blokovací kondenzátory (C11 a C10) musí být co nejblíže budiči MOSFETu (aby byla případná parazitní indukčnost co nejnižší). Používám 0805 SMD keramické kondenzátory na spodku desky. Mělo by se jednat o kvalitní kondenzátory, pokud možno neelektrolytické. Čím nižší sériový odpor a sériová indukčnost, tím lépe. Pokud budou spoje moc dlouhé či kondenzátor nekvalitní, bude docházet k zákmitům na napájení a zhorší se funkčnost, může dojít i k poškození součástek.

Podpěťovou ochranu a omezovač střídy jsem implementoval na mikrořadiči ATtiny13-P s pár externími součástkami. Výstup přerušovače je připojen k pinu 2 konektoru P1. R12 a C12 tvoří dolní propust pro "průměrování" signálu z výstupu mikrořadiče (není to moc přesné, ale pro tyto účely to stačí). Limiter střídy lze vypnout propojkou JP1. R11 lze nechat neosazený, ve schématu byl jen pro testovací účely. Rezistory R9, R8 tvoří dělič napětí pro podpěťovou ochranu. Napětí z dolní propusti omezovače střídy a napětí z děliče napětí jsou čteny pomocí ADC převodníku integrovaného v ATtiny (přes piny PB2 and PB4) a porovnávány s předprogramovanými hodnotami. Pokud překročí limity, vypne se výstup (pin PB0). LED (D1) zde signalizuje stav tohoto obvodu. Svítí-li stále, vše je v pořádku, pokud bliká, tak je zde nějaká chyba (pro podpětí a příliš velkou střídu bliká jiným vzorem, toto je nastaveno firmwarově). Zařízení se vrátí do původního stavu krátce po odstranění chyby. Mikrořadič běží na 9,6 MHz, používá se zabudovaný RC oscilátor. Firmware je napsán v assembleru (.asm soubor a přeložený .hex lze stáhnout na konci stránky). Úrovně ochranného obvodu a vzor blikání lze změnit úpravou firmwaru. Pokusil jsem se o to, aby zdržení signálu mikrořadičem bylo co nejnižší, je to zde max cca 3 µs. Mikrořadič musí být naprogramován, jinak zařízení nebude fungovat. Nezapomeňte naprogramovat pojistky (fuses), hodnota HFUSE je 0xF9 a LFUSE je 0x7A.

Střída vf výstupu by měla být pod 50%. Toho je zde docíleno pomocí rezistoru R13, diody D2 a kondenzátoru C13. Zde používám 470 Ω a 100 pF. Toto učiní náběžnou hranu signálu pomalejší než sestupnou. Dohromady s funkcí vstupu budiče UCC37322 (vstup má Schmittův obvod) to trochu sníží střídu. Budičem posílený signál je připojen na P2 a připojen k výkonové desce pomocí krátkého krouceného kablíku. Do signálové cesty jsem přidal 4.7 Ω odpor.

Napájení je připojeno ke konektoru P3. Na napájecím kablíku je malé feritové jádro.

Všechny blokovací kondenzátory (C5, C6, C8, C10, C11) musí být co nejblíže příslušným integrovaným obvodům.

Tento obvod je navržen na provoz s externím přerušovačem, ten je také popsán na této stránce.


Cívky a výkonová deska

Schéma výkonové desky
Schéma výkonové desky (klikněte pro plné rozlišení)

Koncový stupeň je jednočinný.

Napájení 8-19 V je připojeno ke konektoru P1, + na pin 1 a zem na pin 2.

Signál pro buzení MOSFETu je připojen k P4. Pin 1 je připojen na gate, pin 2 na source/zem. R1 a D1 jsou zde pro omezení případných napěťových špiček.

Sekundární cívka má 600 závitů 0,1 mm drátem na odpadní PP trubce s průměrem 4 cm. Její spodní konec musí být uzemněn.

Primární cívka má 2 závity 1.5 mm2 repro drátem vinutým na 5 cm PP trubku. Je zde ještě rekuperační cívka. Tyto 2 cívky musí být co nejblíže - vazba by měla být co nejblíže k=1. Tyto 2 cívky jsou vinuty najednou repro dvojlinkou. Vazba mezi primárem a sekundárem je (odhadem) někde kolem 0,3.

Kondenzátory C9, C10 musí být kvalitní, nejlépe pulzní fóliové, musí vydržet několik ampérů RMS. Nepoužívejte elektrolytické kondenzátory.

Primární cívka je připojena ke konektoru P5, k pinům 1 a 3. Rekuperační cívka je připojena k pinům 2 a 4. Správné fázování je kritické pro správnou funkci zařízení. Oba začátky cívek (nebo oba konce) musí být připojeny k pinům 1 a 2.

Rekuperační/ochranný obvod se skládá ze součástek D2, C9 a C10. Tyto kondenzátory se chovají na zde použitých frekvencích téměř jako zkrat (reaktance XC=1/(2*π*f*C)=1/(6,28*1450000*1µ)=cca 100 mΩ). Pro stejnosměrný proud mají téměř nekonečný odpor. Funkční princip (napájení=12 V):

  1. Primární cívka je stejnosměrně "posunuta" na +12 V, zatímco rekuperační je posunuta o 0 V. Cívky se chovají jako téměř zkrat pro SS proudy. Mezi těmito cívkami je silná magnetická vazba a mezi sebou se chovají jako transformátor s poměrem 1:1. Takže je na nich kromě SS posunu prakticky stejné napětí.
  2. MOSFET se sepne. Napětí na jeho drainu (pin 2) klesne skoro na 0 V. Napětí na anodě D2 klesne na cca -12 V. Proud primární cívkou (a prakticky i rekuperační cívkou) začne růst. Růst proudu by šel spočítat takto (bez sekundární cívky): ΔI=V*ΔT/L. V tomto případě (1.45 MHz s cca 40% střídou (délka zapnutí = 0.4/(1.45*106)) a primární indukčností okolo 190 nH (spočtena pomocí Rayer's online TC calculator) Se proud zvýší na 12*(0.4/1450000)/(190*10-9)=~17.423 A. Toto je potřeba spočítat pro maximální používané napájecí napětí a MOSFET patřičně dimenzovat (nejlépe na alespoň 2-násobek tohoto proudu). Část energie se přenese do sekundární cívky.
  3. MOSFET se rozepne. Zbývající zanikající magnetické pole primární cívky způsobí to, že se na ní napětí obrátí a napětí na drainu začne růst nad +12 V. Napětí na anodě D2 začne také růst (anoda D2 je připojena k rekuperační cívce). Jakmile přesáhne 12 V, dioda D2 se otevře a vrátí přebytečnou energii do filtrační kapacity (C1-C4, C9). Protože je napětí mezi kontakty primární cívky téměř stejné, kromě +12 V SS posunu, omezí se napětí na drainu MOSFETu na 24 V (12 V nárust z cívek + 12 V posun.)
  4. Cyklus se opakuje a více energie se přenáší do sekundární cívky, která rezonuje (díky její indukčnosti a parazitní kapacitě: fres=1/(2*π*sqrt(L*C))) na správné frekvenci.

Je zde propojka označená "VSEL". Piny 1-2 by měly být propojeny pro napájení budiče MOSFETu/části řídící desky (její napájecí vstup je spojen s P3) regulovaným napětím (10 V ze stabilizátoru (7810) - nakonec jsem použil 12V stabilizátor místo 10V, ale princip funkce se nemění). Propojení pinů 2-3 propojky VSEL způsobí napájení řídící desky přímo napětím na P1- doporučeno a bezpečné pouze s napájecím napětím <12V

MOSFET i dioda se musí chladit. Pozor, jejich pouzdra nejsou elektricky izolovaná. Jako chladič používám 5x5x1 cm kus hliníku, který používám zároveň i jako podstavec zařízení.

Blokovací kondenzátory (C5-C8) musí být blízko stabilizátorů (U1, U2) a výkonové součástky (C9, C10, Q1, D2) by také měly být co nejblíže. Používejte co nejkratší dráty, jak to jen jde.

MOSFET typu IRLZ44N není vhodný pro velké výkony, ale spíše pro malá vstupní napětí. Pro vyšší napětí doporučuji spíše SUP85N10, nebo podobný.

Spodek sekundáru je potřeba dobře uzemnit!


Přerušovač

Schéma přerušovače
Schéma přerušovače (klikněte pro plné rozlišení)

Přerušovač
Přerušovač (klikněte pro plné rozlišení)

Toto je obvod přerušovače, je připojený přes kabel k řídící desce. P2 je připojen ke konektoru P1 na řídící desce. Zde jsou piny číslovány opačně. (Pin 1=+5V, pin 2=ladění, pin 3=signál přerušovače, pin 4=GND).

Je zde také potenciometr (RV1) pro jemné ladění vf oscilátoru na řídící desce.

Obvod je postaven na známém časovači 555 a jeho účelem je generovat krátké pulzy s určitou opakovací frekvencí. Délka pulzů je nastavena trimrem RV2 (malý trimr na desce) a frekvence opakování potenciometrem RV3. Dráty k potenciometrům by měly být co nejkratší kvůli rušení.

Je zde i externí opticky izolovaný vstup (P3). Pro lokální generování pulzů se spojí piny 3 a 2 konektoru P4, pro externí vstup se spojí piny 1 a 2. Může se použít i přepínač, ale pozor na délku vodičů.

Ke konektoru P1 jsou připojeny dvě indikační LED.


Fotky

Výboje při 19 V, IRLZ44N
Výboje při 19 V, IRLZ44N (klikněte pro plné rozlišení)

Výboje při 19 V, IRLZ44N
Výboje při 19 V, IRLZ44N (klikněte pro plné rozlišení)

Elektronika
Elektronika (klikněte pro plné rozlišení)


Vyšší výkon, další doporučení

Na napětích nad 15 V často odcházel MOSFET IRLZ44N, takže pro získání ještě delších výbojů jsem vyměnil výkonový MOSFET a diodu za SUP85N10 a MUR1560. Dále jsem vyměnil odpor před gate za 2.2 Ω, přidal k němu paralelně diodu (anoda na gate) a před tuto kombinaci jsem ještě přidal miniaturní ferit. Dále jsem přidal kapacitu na sekundární cívku (dočasně v podobě kusu chladiče položeného na vršek, poté jsem použil kovový výstřižek posunutý několik mm nad vršek sekundáru). Nejdelší jiskry do vzduchu přesahovaly 8 cm. Pro tuto kombinaci je lepší nastavit podpěťovku na napětí okolo 10 V. Napájení budiče by mělo být 12 V, použijte stabilizátor 7812.

Na takovýchto výkonech je potřeba lepší chlazení. Povedlo se mi přehřát několik MOSFETů. Nyní tam mám IRF3205 (ten je ale dost pomalý a napěťově poddimenzovaný). S napájením 32 V mají výboje do uzemněného předmětu až 10 cm.

Další podstatný problém vzniká, pokud je deska s řídící elektronikou příliš blízko cívek - dostává se do ní rušení. Proto je zde mezi elektronikou a cívkami ještě kus kuprextitu a distanční sloupky.

Pro snížení rezonanční frekvence je vhodné přidat na vršek sekundáru nějakou přídavnou kapacitu.


Ke stažení

Firmware - podpěťovka vypne zařízení při 6.5 V, znova spustí při 7 V - ZIP archiv HEX a ASM souborů. Verze 1.0

Firmware - verze 1.1 - přidána přepěťová signalizace (přerušení funkce a blikání "SOS" při 14,5 V na budiči), podpěťová ochrana nastavena na 9/8,5 V.

 


 
Reklama (od webhostingu):