Przedstawiam kolejny projekt HV mojego autorstwa jakim jest ogromna cewka Tesli. Po dotychczasowych sukcesach postanowiłem zbudować coś naprawdę dużego. Oczywiście miało to być DRSSTC. Do sprawy podszedłem kompleksowo wzorując się na poprzednich własnych konstrukcjach a także innych znalezionych w internecie.
Wybór padł na tranzystory IGBT produkcji Mitsubishi Electronic - CM300DY24HA parametry nominalne to: maksymalny prąd ciągły - 300A maksymalne napięcie C-E 1200V.
Udało się je stosunkowo tanio kupić na serwisie aukcyjnym. Wybór ten został podyktowany doświadczeniami innych użytkowników, którym udało się zmusić je do pracy w rezonansie z częstotliwościami 60kHz i więcej.
Lepsze byłyby te same tranzystory produkcji Powerex-u ale są one u nas trudniejsze do zdobycia.
Testy wykonane przez budowniczych tesli w Stanach Zjednoczonych wykazały, że tranzystory te są w tej aplikacji w stanie wytrzymać bez szwanku impuls rzędu 4kA (wybuchają przy około 5kA w skutek wyjścia z nasycenia) a można ich spokojnie używać przy prądach impulsowych do 2kA.
Tranzystory są zabezpieczone TVSami zdolnymi rozproszyć około 12kW a także snubberami 5uF/1kV na zasilaniu.
Oczywiście żadna DRSSTC nie może funkcjonować bez porządnego kondensatora rezonansowego i tu właśnie pojawił się największy problem - moje jak i innych obserwacje mówią jasno - im większa pojemność tym lepsza zabawa ale także chudszy portfel...
Nie bez znaczenia jest także napięcie przebicia minimum to jakieś 8kV jednak wiadomo, że im więcej tym lepiej.
Po wielu rozważaniach i kalkulacjach zdecydowałem się ostatecznie na parametry 600nF/10kV, co oznaczało konieczność zakupu stu sztuk kondensatorów CDE942C20P15kF.
Nie są to jedyne kondensatory nadające się do tego celu ale inne są jeszcze droższe i to znacznie.
Natomiast tańsze nie są dla mnie wystarczająco pewne aby zainwestować w nie około 1000zł.
Kolejnym etapem było zaprojektowanie części mechanicznej, rozmieszczenie kluczowych elementów itd. Najwięcej problemów sprawiło uzwojenie pierwotne. Rozważałem kilka koncepcji. Jedną z nich było uzwojenie stożkowe, które początkowo najbardziej mi się podobało jednak zdecydowałem się ostatecznie na płaskie, ze względu na znacznie lepszy rozkład pola u podstawy wtórnego. Przeszło mi przez myśl nawet zastosowanie chłodzenia wodnego i cieńszej rurki jednak ostatecznie zdecydowałem się na rurkę o większym przekroju.
Uzwojenie jest wykonane z miękkiej miedzi średnicy 15mm i grubości ścianki 1mm.
Nie małym problemem były także wsporniki mocujące rurkę do podstawy. Wycinanie ich ręcznie z materiałów typu plexiglas to katorga, gdyż materiał ten z definicji nie daje się sensownie obrabiać mechanicznie w taki sposób aby to jakoś wyglądało a przynajmniej ja nie umiem go tak obrobić – zawsze jest krzywo brzydko i niedokładnie albo pęka.
Zdecydowałem się więc odżałować kolejną niezbyt małą kwotę gotówki na zlecenie wypalenia laserem bądź wycięcie w inny sposób wsporników.
Okazało się to jednak trudniejsze niż myślałem, gdyż firmy świadczące usługi cięcia plexi oferujące się na znanym portalu aukcyjnym są z definicji nastawione na wykonywanie banerów reklamowych a do tego niespecjalnie zainteresowane jednostkowym zamówieniem na kilka sztuk drobiazgów.
Dodatkowy problem to konieczność wykonania z dość grubego materiału.
Na szczęście kolega namierzył lokalną firmę palącą laserem, która wykonała z bardzo dobrym rezultatem potrzebne elementy z materiału odpowiedniej grubości.
Jak się później okazało inwestycja była bardzo trafiona, gdyż znacznie uprościła wykonanie uzwojenia.
Kolejnym niezbędnym elementem jest uzwojenie wtórne.
Tutaj nie wykazałem się specjalna inwencją twórczą jest to klasyczne rozwiązanie wykorzystujące jako formę rurę kanalizacyjną PVC średnicy 200mm wysokości 1m.
Przeszło mi przez myśl zastosowanie rury z plexi jednak ich ceny są kosmiczne przy tych wymiarach.
Uzwojenie zawiera około 2300 zwojów drutu 0.4mm. Jest to prawie 2kg miedzi i około 1.5km przewodu. Uzwojenie tradycyjnie polakierowane parkietolakiem w celu spojenia.
Toroidy to także konstrukcja klasyczna wykonana z rur wentylacyjnych spiroflex. Uprzedzając pytania zastosowanie dwóch toroidów poprawia rozkład pola elektrycznego wokół uzwojeń dzięki czemu iskry niechętnie trafiają w pierwotne. Oczywiście zastosowałem także zwoje zabezpieczające w ilości 2szt – jeden powyżej, drugi poniżej płaszczyzny pierwotnego. Górny zwój z drutu jest tymczasowy. Docelowo będzie tam rurka miedziana 18mm tylko, że potrzeba jej około 3m więc musi poczekać jeszcze trochę – drut spełnia tak samo dobrze swoje zadanie ale źle wygląda.
Dolna część obudowy mieszcząca elektronikę będzie obłożona siatką na razie obłożyłem tylko stronę frontową aby mieć łatwy dostęp do elektroniki w czasie prac uruchomieniowych.
Oczywiście potężne tranzystory wymagają równie masywnego radiatora.
Udało się go tanio zdobyć za pośrednictwem jednego z for jednak jego powierzchnia była nierówna ale po ofrezowaniu jest równy jak szyba.
Jest on dodatkowo wspomagany dwoma potężnymi wiatrakami 120mm. Mimo że całkowita ilość ciepła do odprowadzenia nie jest jakoś przesadnie duża, to lepiej utrzymywać struktury w tak niskiej temperaturze jak to tylko możliwe stąd wielki radiator i wiatraki – podczas pracy radiator jest praktycznie zimny.
Następnym kluczowym elementem są kondensatory filtrujące zasilanie.
Jako, że urządzenie pracuje impulsowo potrzebne są wysokonapięciowe elektrolity o znacznej pojemności przeznaczone do pracy impulsowej – niskoimpedancyjne. Udało się takie znaleźć na znanym portalu aukcyjnym.
Z noty wynika że są lowesr.
Jako, że w planach od początku było zasilanie mostka napięciem wyższym niż sieciowe 320V (po wyprostowaniu) konkretnie około 650 700VDC konieczne były elektrolity zdolne pracować z takim napięciem jednak najwyższe napięcie jakie kiedykolwiek widziałem na jakimkolwiek elektrolicie to było 500V a to nadal za mało. Konieczne stało się więc połączenie dwóch elektrolitów szeregowo co oznacza połowę mniejsza pojemność i konieczność zastosowania czterech kondensatorów.
Konstrukcja elektryczno/mechaniczna jest taka aby zminimalizować odległości miedzy kondensatorami a tranzystorami a także móc zastosować jak największe przekroje. Uciekłem się do konstrukcji widocznej na poniższych zdjęciach podpatrzonej u jednego z użytkowników forum 4hv.org.
Jedyną jej wadą jest rozrost wymiarów mostka w szerz.
Sterownik to tradycyjnie już predikter zasilający mostek pośredni na mosfetach. Jednak tym razem pośredni mostek zasilany jest stabilizowanym napięciem 80V, które to zasila specjalnie skonstruowany transformator sterujący bramkami tranzystorów IGBT. Przekładnia tego transformatora to 4:1:1:1:1. Konstrukcja taka pozwala uzyskać typowe 20V na bramkach a jej stosowanie ma na celu znaczne zmniejszenie czasów przeładowania bramek.
Uzyskanie napięć stałych rzędu 650VDC nie jest niczym skomplikowanym wystarczy podwajacz napięcia - obecnie stosuję takie rozwiązanie.
Jednak ma ono poważne wady. Między innymi bardzo psuje kształt przebiegów w sieci energetycznej. Następnym krokiem jest budowa przetwornicy PFC zasilanej trzema fazami. Musze móc pobrać jakieś 8-10kW.
Ogranicznik prądu w obwodzie pierwotnym w chwili obecnej jest ustawiony na 1400A i dział a tylko przy zapaleniu się iskry do uziomu.
Częstotliwość rezonansowa to około 42kHz.
Uzyskuję jak na razie iskry rzędu trzech metrów. Są one obłędnie głośne i niesamowicie jasne.
Całe urządzenie mierzy ponad 2m wysokości a średnica górnego toroidu to około metr.
Kosztorysu nie podaję ale na pewno przekracza on 3000zł.
Załączam fotki i filmy:
Link
Fajne!
). Jak w miarę bezpiecznie się uruchamia takie urządzenia i przy nich dłubie? Masz jakąś osobistą klatkę Faradaya ?
ale wtedy oczywiście sprawność spada gdyż sprzężenie jest zbyt małe. Dlaczego płaskie pierwotne ? W tej skali zapewnia najlepszy rozkład pola elektrycznego u podstawy dzięki czemu cewka nie strzela sobie w pierwotne wyładowaniami 