POZOR! Toto zařízení generuje vysoké napětí a silné elektromagnetické pole. Nikdy by němělo být provozované 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.
Toto je středně velký Teslův transformátor napájený z usměrněného síťového napětí.
Hotové zařízení (klikněte pro plné rozlišení)
Vnitřnosti zařízení (klikněte pro plné rozlišení)
Celé zařízení se skládá z několika částí. Na první desce je PLL a řízení (oscilátor, zpětnovazební obvody, PLL, podpěťová ochrana...), na druhé budič MOSFETů a napájení, na třetí generátor synchronizačních impulzů a na další usměrňovač a síťové vstupní obvody.
Celé zařízení je umístěno v krabici od ATX zdroje. Cívky jsou přidělány na desku z plexiskla.
Na tomto projektu jsem začal pracovat už před delší dobou a dělal jsem poměrně velké množství úprav - zde uvedená schémata nemusí být 100% přesná.
Sekundární cívka je vysoká 20 cm. Je navinutá na 7,5 cm polypropylenové trubce 0,15 mm drátem. Jako přídavná kapacita je použitý kulatý kus plechu s průměrem cca 12 cm. Sekundární cívka rezonuje přibližně na 350 kHz.
Primární cívka je vysoká cca 4 cm a je navinutá na 11 cm trubce. Měla 12 závitů a indukčnost cca 20 µH. Časem byly dva závity ubrány.
Obě cívky jsou umístěny na odnímatelné desce z plexiskla a připojeny pomocí banánků.
Schéma gate driveru a stabilizátoru (klikněte pro plné rozlišení)
Na této desce jsou umístěny dva regulátory napětí - 5 V pro logiku a nastavitelný pro "předbudič" - dva drivery TC4421. Ty dále budí můstek z malých MOSFETů, které přes GDT (gate drive transformer) řídí samotný "velký" můstek. Tento nápad byl převzán ze stránky bastlíře Steva Warda. Tato deska je pomocí desetižilového plochého kabelu spojena s hlavní deskou (přes konektor J4).
Schéma zapojení řídicí desky (klikněte pro plné rozlišení)
Součástky D1, R1, R2, R3, R7, Q1, D4, C2 a U1A tvoří podpěťovou ochranu.
Část zapojení s fázovým komparátorem byla převzána od uživatele "Wolfram" z fóra 4hv.org. Je založena na integrovaném obvodu 74HC4046. Pracovní frekvence je nastavená na 250-350 kHz a dá se změnit hodnotou součástek C1 a Ext_Cap1. Fázový komparátor se skládá ze součástek: U4B, XOR hradlo z U3 (PC1OUT), U1E, U1D a U5D. Porovnává zpožděný signál z oscilátoru (zpoždění zajišťuje obvod s hradly U1E, U1D a lze nastavit trimrem RV1 - kompenzuje se tím zpoždění budičů a MOSFETů) se signálem ze zpětné vazby (je zde použita zpětná vazba ze spodku sekundáru). V případě, že se fáze neshoduje, tak se frekvence adekvátně automaticky sníží či zvýší (U4B detekuje, který signál "přijde první", XOR výstup U3 sepne U5D po dobu, kdy jsou signály rozdílné). Výsledek je filtrován pomocí low-pass filtru z R15, C5 (3,3 kΩ, 4,7 nF - pro jinou frekvenci je vhodné zvýšit/snížit hodnotu C5 podobně jako u C1/Ext_Cap1). Startovací frekvenci lze nastavit trimrem RV2. Fázi zpětné vazby (0°/180°) lze přepnout propojkou J6. Se špatným nastavením této propojky nebude PLL fungovat správně.
Zpětná vazba je zajištěna proudovým transformátorem (připojeným ke konektoru J1 - cca 1:30 na vhodném feritovém jádře). Snímá se proud spodním vodičem od sekundáru, ten vede na zem. Signál je vytvarován obvodem za součástek R21, C10, R6, D2, D3, D5, D8, R22, U1B.
Přerušovač může být připojen ke konektoru J2, další ochranné obvody ke konektoru J3. Zařízení je v provozu jen pokud jsou oba vstupy v log. 1.
Deska s usměrňovačem a filtrací (klikněte pro plné rozlišení)
Na vstupu jsou odrušovací kondenzátory, pojistka, NTC termistor přemostěný pomocí relé, můstkový usměrňovač a optočleny (pro synchronizaci a detekci připojeného filtračního kondenzátoru). Ke konektoru J5 je připojen vypínač pro filtrační kondenzátor (neměl by se ale přepínat za provozu). Použitý varistor může být běžný 275VAC/370VDC. Usměrňovací můstek je nutné chladit.
Můstek z MOSFETů (klikněte pro plné rozlišení)
Zapojení GDT (klikněte pro plné rozlišení)
Zde použitý můstek se skládá ze 4 MOSFETů IRFP460N. Deska s MOSFETy musí být dobře navržená (minimální indukčnost). Místo kondenzátoru C1 byly nakonec použity tři polypropylenové kondenzátory 1 µF/400 V těsně u MOSFETů. Primární cívka je připojena na konektory J5, J8 přes DC blokovací kondenzátor (opět 3 1 µF 400 V masivnější polypropylenové kondenzátory paralelně + 330 kΩ rezistor paralelně). Reaktance na provozní frekvenci (počítám zde jen s první harmonickou) je XC=1/(2*π*f*C))=143 mΩ - podstatně nižší než reaktance primáru.
MOSFETy vydávají velké množství tepla, musí být přidělány na adekvátním chladiči. Zde jsou použity kaptonové podložky a chladič pro počítačový procesor + výkonný 24 V ventilátor provozovaný přes step-up měnič z 12 V. Budeme-li uvažovat, že sekundár není připojený, indukčnost primáru 20 µH a obdélníkový průběh z výstupu můstku s amplitudou 320 V, magnetizační proud bude cca 11 A (Ipeak=V/(4*f*L)) a bude maximální v čase, kdy se MOSFETy přepínají. S vloženým sekundárem začne proud primárem připomínat sinusoidu. Zde byl naměřen proud cca 15 A špičkově, takže zhruba 11 A RMS. Vypočítaná výkonová ztráta v CW režimu s 320 V na můstku je cca 40 wattů na MOSFET. Tyto MOSFETy mají tepelný odpor mezi přechodem a zadní stranou pouzdra 0.45 °C/W, takže teplota přechodu bude cca o 20°C vyšší. Nedoporučuji překračovat 100°C, i přes to, že uvedená TJ(max) je 150°C - nad 100°C se již výrazně zhoršují provozní vlastnosti. Zde použité kaptonové podložky mají okolo 0.2°C/W.
Vodiče od GDT by měly být co nejkratší (s co nejmenší indukčností). V případě problémů se zákmity na gatech je potřeba doladit hodnoty rezistorů. Samotný GDT by také měl mít co nejmenší zbytkovou indukčnost (co největší vazbu mezi vinutími - zde je vinut pentafilárně), nesmí se přesycovat, atd... Deadtime je přidán pomocí diod přemostěných pomocí odporů (docílí se tak pomalejšího nabití a rychlejšího vybití hradel MOSFETů).
Generátor synchronizačních pulzů (klikněte pro plné rozlišení)
Tento obvod generuje impulzy pro přerušovač při každém průchodu síťového napětí nulou. "Čistí" signál z optočlenů z desky s usměrňovačem. Synchronizační signál může být užitečný např. pro provoz ve Staccato režimu.
Softstart (klikněte pro plné rozlišení)
Tento obvod řídí relé, které přemostí NTC. Nechává nějakou malou prodlevu pro nabití filtračního kondenzátoru.
Přerušovač není 100% dokončený, časem zde možná bude zveřejněno schéma a firmware.
Tento Teslův transformátor funguje dobře. Délka výbojů přesahuje délku sekundáru (kromě CW režimu).
Leden 2020 - aktualizace: v PLL obvodu je chyba. Nastavení počáteční frekvence (RV2) nefunguje správně a PLL se v každém cyklu přerušovače znovu přelaďuje. V praxi až na tuto funkci Teslův transformátor funguje správně i s touto chybou. Pro opravení této chyby je potřeba přidat ještě jeden CMOS spínač (např. nějaký z U5A-U5C) mezi U5D a R15 a připojit jeho řídicí vstup na uzel ENABLE_LAT.
Rozhodl jsem se nezveřejnit návrh DPS z důvodu možných chyb (desky byly po výrobě ještě dále upravovány).
Provoz v CW režimu (klikněte pro plné rozlišení)