Ze znajomym na konkurs mamy zamiar zbudować cewkę Tesli. Aby nie było za łatwo, chcemy aby miała możliwość generowania dźwięku.
Znaleźliśmy taki projekt, ale wiele części nie jest dostępne na polskim rynku. Czy ma on prawo działać poprawnie? (trochę to podejrzane, bo pochodzi ze strony znanego wszystkim elektryka, któremu wszelakie porażenia niestraszne)
2:34 schemat
Projekt wydaje nam się prosty i jesteśmy go w stanie wykonać, jednak chcielibyśmy dowiedzieć się, czy ma prawo to się udać.
Z tym układem mogą być następujące problemy:
1. Sterowanie Q1..Q4 wymaga sporych prądów, w sumie może nawet parę A - czy U4 jest w stanie dostarczyć wystarczającego prądu?
2. Wyłączanie Q1..Q4 powoduje indukowanie wysokiego napięcia i ono może je spalić - trzeba dobrać parametry cewki i tranzystorów.
3, Aby układ działał poprawnie, czas wyłączenia tranzystorów Q1..Q4 nie powinien być za krótki - on zależy od ustawienia POT2 i od sygnału, przesterowanie może spalić Q1..Q4 - przydałoby się zabezpieczenie.
Jest błędny z założenia - sztywny generator to projektowa pomyłka w SSTC, nimi należy sterować synchronicznie z rezonansem w obwodzie wtórnym... Dobra metoda na palenie kluczy.
Jeżeli to ma być tylko zabawkowa mini-ceweczka zrobiona jak najprościej, zastosuj taki obwód sprzężenia zwrotnego jak poniżej, na jego wyjście daj driver MOSFET (np TC4420) i pojedynczy klucz do uzwojenia (nie ma sensu dawać kilku równolegle).
Schemat zapożyczony od http://uzzors2k.4hv.org/ . Nie jest to cewka wykonana zgodnie ze sztuką, ale taka zapewne przekracza w tej chwili Wasze możliwości i budżet. Sprawność będzie niska, ogromne grzanie elektroniki i bardzo małe wyładowania, ale niski koszt i zdolność odtwarzania "czystego" dźwięku powinna wystarczyć...
Będziecie musieli wyliczyć rezonator pod zakres pracy układu - albo elementy obwodu czasowego PLL-a do częstotliwości roboczej rezonatora jaki wykonacie.
Inne uwagi: należy pamiętać o odpowiednim odprzęganiu obwodów mocy i dobrym layoucie PCB (tak małe cewki pracują z dość dużymi częstotliwościami).
Przecież tam POT1 służy do regulowania częstotliwości - po to, żeby się dostroić do rezonansu. Ze stosowaniem PLL jest kwestia, czy będzie utrzymywać prawidłowe przesunięcie fazy. A w wersji z regulacją wystarczy dostroić generator tak, by uzyskać jak największe napięcie (najdłuższe iskry). Tyle, że trzeba ręcznie regulować częstotliwość, żeby dostroić.
Poza tym trzeba tak zrobić cewkę Tesli, żeby uzwojenie wtórne (z pojemnościami, które będą do niego podłączone) miało rezonans powyżej 20kHz - żeby nie było go słychać. Sygnał modulujący ma zawierać tylko częstotliwości poniżej połowy tej rezonansowej. No i należy zadbać o to, żeby zakres regulacji częstotliwości generatora zawierał ten rezonans.
Problem w tym, że właśnie sztywny generator nie wystarczy - częstotliwość rezonansowa obwodu wtórnego jest bardzo dynamiczna (zależy od środowiska, a nawet wyładowania, wszkaże ustalają ją m.inn. pojemności rozproszone względem otoczenia) - zachowanie dobrego zestrojenia bez sprzężenia zwrotnego nie jest możliwe. Dryft częstotliwości wynikły ze zmian takich jak przysunięcie dowolnego obiektu do cewki może bez problemu przekraczać kilkanaście procent.
W takich maluszkach można się jeszcze "bawić" (małe moce i toporna konstrukcja wybaczają więcej), ale w większych SSTC sztywny oscylator to najszybsza droga do palenia kluczy wiadrami (każdy coiler z jakimkolwiek doświadczeniem wie, że taka budowa cewki to głupota). Ma to znaczenie zwłaszcza, że póki zachowujemy bardzo dobrą synchronizację z rezonansem tenże wymusza sinusoidalny przebieg prądu na kluczach co znacznie ogranicza straty przełączania (dobrze zaprojektowana SSTC pracuje prawie w ZCS, z niedoskonałściami wynikłymi z opóźnień układu sterowania itd), zaś sam rezonator prezentuje dla układu obciążenie niemal czysto rezystywne. Jednak przy nawet niewielkim rozstrojeniu rezonator da ostro "popalić" elektronice zwracając doń zmagazynowaną przez obwód LC energię...
Mam w tym temacie trochę doświadczenia.
O zbyt niską rezonansową się nie martw, raczej zbyt wysoką. Cewki rozmiarów takich, jak na filmiku pracują z częstotliwością >500kHz. Rezonator na 20kHz byłby ogromny, największa cewka Tesli w Polsce pracuje z rezonansową 36kHz generując wyładowania potrafiące przekroczyć długość trzech metrów...
częstotliwość rezonansowa obwodu wtórnego jest bardzo dynamiczna (...)
póki zachowujemy bardzo dobrą synchronizację z rezonansem tenże wymusza sinusoidalny przebieg prądu na kluczach W cewce Tesli mamy słabe sprzężenie uzwojenia pierwotnego i wtórnego, więc odstrojenie obwodu wtórnego niewiele wpływa na rezonans "odczuwany" przez klucz. Natomiast rozstrojenie się obwodów spowoduje małe tłumienie obwodu pierwotnego, więc może prowadzić do dużej amplitudy w tym obwodzie (a małej we wtórnym). Może to jest powodem palenia się kluczy, może trzeba wyłączać generator (albo wprowadzać tłumienie), kiedy amplituda staje się zbyt duża?
Przy rozstrojeniu obwodów pierwotnego i wtórnego, połączonym z dostrojeniem generatora do obwodu wtórnego, generator będzie obciążony obwodem pierwotnym, który nie będzie w rezonansie, przez co generator będzie pracował z dużą mocą bierną, co moim zdaniem grozi właśnie spaleniem klucza poprzez to, o czym piszesz: przy nawet niewielkim rozstrojeniu rezonator da ostro "popalić" elektronice zwracając doń zmagazynowaną przez obwód LC energię...
Przypominam, że mówimy o SSTC, nie DRSSTC. W SSTC nie występuje pierwotny obwód LC, rezonator jest sterowany bezpośrednio przez obwód kluczujący. Dlatego zestrojenie jest tak problematyczne i ważne. DRSSTC to kompletnie inna bajka
Akurat w cewkach typu SSTC sprzężenie musi być wysokie (względem SGTC czy DRSSTC), k na poziomie 0,7 to norma. Nie mając pierwotnego obwodu rezonansowego potrzebujemy wysokiego sprzężenia aby skutecznie przekazywać energię do rezonatora. Dlatego pierwotne wykonuje się w formie śruby w miarę możliwości ciasno otulającej wtórne na sporej długości. I niestety, rezonans jest bardzo mocno odczuwany przez klucze, wystarczy wziąć dwukanałowy oscyloskop i jednym kanałem mierzyć napięcie, a drugim prąd na kluczu. Póki cewka pracuje ze sprzężeniem i jest dobrze dostrojona ukarze nam się prostokątny przebieg napięcia oraz sinusoidalny prądu (o "zerze" bardzo blisko miejsca przełączenia kluczy), tranzystory pracują niemal "na miękko", jakiekolwiek szpile są minimalne i wynikają tylko z niedoskonałości elektroniki (którą, nota bene, można skompensować i uzyskać czysty ZCS. Niestety, w SSTC ze względu na dynamikę układu jest to trudne, za to w DRSSTC gdzie elektronika jest dostrajana do pierwotnego obwodu LC takie rozwiązania są z powodzeniem stosowane do przełączania prądów sięgających w szczycie kliku kiloamperów bez konieczności stosowania jakichkolwiek snubberów [chociaż na wypadek rozstrojenia układu lepiej je i tak dać]).
Gdy w miejsce sprzężenia podamy sygnał z generatora funkcyjnego i rozstroimy się delikatnie od rezonansu, rezonator przestaje zachowywać się jak obciążenie rezystywne - jeden z komponentów impedancji (indukcyjny lub pojemnościowy) szybko zaczyna dominować nad drugim i przebieg prądu ulega przesunięciu w fazie względem napięcia sterującego kluczami. To przesunięcie następuje dość gwałtownie i powoduje, że w chwili przełączania przez klucze płynie duży prąd, a przy mocach i częstotliwościach z jakimi pracują większe cewki wynikłe straty przełączania i przepięcia zwykle wystarczają żeby wykończyć klucze.
W maluszkach, jak na filmiku, zazwyczaj ułatwia to jedynie smażenie jajecznicy na radiatorze, ale nawet tak małe cewki mają tendencję do palenia kluczy w pracy "na sztywno".
Innym, ciekawym fenomenem występującym w SSTC (i tylko w tym jednym typie cewek) jest zjawisko nazywane w środowisku żartobliwie "cofką". Występuje ono przede wszystkim jeżeli "przeciążymy" rezonator zbyt dużą pojemnością wtórną (wystarczy za duży torus), często też gdy nie ma żadnego sensownego breakpointa. W takiej sytuacji energia zgromadzona w obwodzie wtórnym zamiast uwolnić się w formie wyładowania znajduje sobie inną drogę - przez obwód pierwotny, indukując w nim gigantyczne oscylacje. Czasem zdarza się to też przy pracy z niedostrojeniem. W cewkach z podwójnym rezonansem jest to normalne zjawisko, nie raz występujące w każdym cyklu pracy, tam ta energia zostaje odebrana przez pierwotny obwód LC i znów "zwrócona" do rezonatora. Jednak w SSTC nie mamy takiego obwodu i kończy się to unicestwieniem kluczy.
_jta_ wrote:
W cewce Tesli mamy słabe sprzężenie uzwojenia pierwotnego i wtórnego, więc odstrojenie obwodu wtórnego niewiele wpływa na rezonans "odczuwany" przez klucz. Natomiast rozstrojenie się obwodów spowoduje małe tłumienie obwodu pierwotnego, więc może prowadzić do dużej amplitudy w tym obwodzie (a małej we wtórnym). Może to jest powodem palenia się kluczy, może trzeba wyłączać generator (albo wprowadzać tłumienie), kiedy amplituda staje się zbyt duża?
W sposób jaki opisujesz zachowują się DRSSTC, ale metodologia ich budowy jest inna. Mostek tranzystorowy (zazwyczaj zbudowany z potężnych modułów IGBT) jest połączony z szeregowym obwodem LC znajdującym się po stronie pierwotnej. Te cewki wymagają jednak bardziej wyrafinowanego sterownika uzyskującego idealny ZCS - posiadającego bardzo precyzyjny układ kompensacji opóźnień elektroniki i pobierający sprzężenie z pierwotnego obwodu rezonansowego. Tu jednak przyczyna są gigantyczne prądy. Praca cewek DRSSTC jest zorganizowana w krótkich (trwających zwykle 100-200µs) cyklach pracy, podczas których prąd narasta do wartości zależnej od rozmiarów cewki. W małych, biurkowych są to okolice 200A, większe 1-2kA. Rekordziści nawet >4kA...
Czas trwania cyklu pracy takiej cewki jest kontrolowany przez dwa mechanizmy. Pierwszym jest interrupter, który wykorzystując zestaw timerów kontroluje zachowanie cewki poprzez zadawanie odpowiedniej długości cykli w kontrolowanych odstępach czasu. Drugi to ogranicznik prądowy który postulowałeś, kończący cykl w chwili gdy natężenie osiągnie zadany limit.
I co do tych cewek masz rację - dzięki ogranicznikowi niedostrojenie pomiędzy obwodami pri-sec zazwyczaj nie ma konsekwencji innych niż zmniejszenie wyładowań. No i oczywiste pierwotny obwód LC zapewnia nam dużo większą stabilność - nawet mimo tego, że praca obwodu wtórnego jest wstanie go w widoczny sposób przestroić.
Gorzej ze źle skalibrowanym sterownikiem obwodu pierwotnego...
Właśnie brak anteny do strojenia generatora mnie niepokoił. Przyłożenie ręki na tyle odstroi rezonator, że juz częstotliwosci nie bedą identyczne
Jestem teraz w trakcie wykonywania układu z http://c4r0.elektroda.eu/_hv/index.php?page=hv/sstc&lang=0 Wydał mi się on rozsądny i niezbyt trudny. Jeśli będę miał kłopoty to się odezwę, na tę chwilę temat zamykam.
Ma to znaczenie zwłaszcza, że póki zachowujemy bardzo dobrą synchronizację z rezonansem tenże wymusza sinusoidalny przebieg prądu na kluczach co znacznie ogranicza straty przełączania (dobrze zaprojektowana SSTC pracuje prawie w ZCS, z niedoskonałściami wynikłymi z opóźnień układu sterowania itd), zaś sam rezonator prezentuje dla układu obciążenie niemal czysto rezystywne. Jednak przy nawet niewielkim rozstrojeniu rezonator da ostro "popalić" elektronice zwracając doń zmagazynowaną przez obwód LC energię...
