DRSSTC
Transkrypt
DRSSTC
DRSSTC Double Resonant Solid State Tesla Coil Czyli elektroniczna cewka tesli o podwójnym rezonansie Spis treści... 1. Co to jest ? 2. Jak to działa? 3. Przesunięcie fazy a gwarancja 4. Inne informacje Co to jest ? Cewka tesli o podwójnym rezonansie to innymi słowy transformator o rdzeniu powietrznym, posiada uzwojenie wtórne i uzwojenie pierwotne. Aby zwiększyć wydajność postanowiono że dwa obwody muszą pracować w rezonansie, gdzie obwód pierwotny pracuje na takiej samej częstotliwości jak obwód wtórny. W odróżnieniu DRSSTC od klasycznej cewki tesli nie potrzebuje transformatora wysokiego napięcia, ani też przerwy iskrowej na której występują bardzo duże straty mocy to właśnie sprawia iż za pomocą DRSSTC możemy osiągnąć dużo większe wyładowania przy dużo mniejszym poborze prądu z sieci. Każdy blok jest szczegółowo dopracowany bo każda niewielka różnica, mały błąd może spowodować zniszczenie DRSSTC. Zasilanie tego typu cewki tesli to 230VAC a moc którą pobiera to maksymalnie 2.5KW. W sieci możemy znaleźć wiele typów cewek tesli zaczynając od tak zwanych klasyków: CT- Classic Tesla, Cewka Tesli; SGTC- Spark Gap Tesla Coil to samo co klasyczna; RSGTC Rotary Spark Gap Tesla Coil- klasyczna z obrotowym iskrownikiem DCSGTC/DCTC taka sama cewka tesli jak klasyczna, zasilana wysokim napięciem stałym- DC; VTTC- Vaccum Tube Tesla Coil cewka tesli gdzie elementem przełączającym jest lampa najczęściej nadawcza dużej mocy, pentoda, trioda; OLTC- Off Line Tesla Coil, cewka tesli pracująca z jednym tranzystorem o podwójnym rezonansie; SISG- Sidac/IGBT Spark Gap, cewka tesli w której elementem zastępującym iskrownik są tranzystory IGBT/ Triaki połączone szeregowo przełączające bardzo wysokie napięcia SSTC- Solid State Tesla Coil cewka tesli oparta na dwóch/czterech tranzystorach mosfet o pojedynczym rezonansie Class E SSTC Cewka tesli oparta na jednym tranzystorze i topologii wzmacniacza klasy E Jak widzimy powstało dużo rodzai cewek tesli i powstają następne, bardziej zaawansowane: QCW- Quasi Continuous Wave powstała jedyna na świecie oparta na topologii wzmacniaczu typu D, budowa nadal jest tajemnicą choćby chłodzenie wodne tranzystorów i wyładowanie 4 razy większe niż sama konstrukcja DRASTIC- Dual Resonant realtime Adjustable Solidstate Tesla Instrumentation Coil obecnie największa na świecie cewka tesli działająca w topologii DRSSTC, prąd w obwodzie pierwotnym dochodzi lekko do 5KA ! A ilość zwojów, wysokość uzwojenia wtórnego względem pierwotnego regulowana jest przez mikroprocesor do uzyskania jak największego prądu w obwodzie rezonansowym. Podsumowując, powstają to coraz nowsze typy cewek tesli, każde wyładowanie różni się od siebie. Wszyscy dążymy do przedstawienia nowych rozwiązań, wytworzenia jak największych wyładowań a budowa transformatorów tesli to pasja, hobby. To co możemy teraz zaobserwować to coraz większy wzrost zainteresowaniem, ludzie budują coraz wymyślniejsze, ładniejsze i ciekawsze transformatory. Wprowadzono MIDI modulacje w cewkach Tesli dużych mocy i wiele innych. Jak to działa ? Elektroniczną cewkę tesli można podzielić na trzy główne bloki: 1. Blok rezonansowy pierwotny 2. Sterowanie bloku rezonansowego pierwotnego 3. Blok rezonansowy wtórny Blok rezonansowy pierwotny. Blok rezonansowy pierwotny składa się z uzwojenia pierwotnego i kondensatora rezonansowego. Układ rezonansowy pracuje w szeregu, to oznacza iż występuje zjawisko rezonansu napięć a impedancja tego obwodu jest bliska zeru co powoduje że prąd który płynie przez ten obwód jest praktycznie nieskończony i trzeba go ograniczać. Częstotliwość pracy tego bloku jest równa 58KHz, maksymalny prąd który płynie przez uzwojenie pierwotne to 1000A, napięcie maksymalne MMC- baterii kondensatorów wynosi 3600VDC, 1800AC a pojemność zaledwie 455nF. Uzwojenie pierwotne wykonane jest z miedzianej rury o średnicy 6mm. Kable łączące te części są przekroju 15mm^2 Uzwojenie pierwotne dodatkowo jest zabezpieczone otwartym zwojem podłączonym do uziemienia, gdyby wyładowanie miało by uderzyć w uzwojenie pierwotne uderzy w ten zwój. Sterowanie bloku rezonansowego to najbardziej skomplikowany element DRSSTC. Jest to układ falownika z tranzystorami IGBT połączonym z kontrolerem prądu, sprzężeniem zwrotnym, przesuwnikiem fazy, ogranicznikiem prądu – interruperem i układem sterowania tranzystorów. Układ falownika podaje napięcie przemienne o wartości 320VDC po odfiltrowaniu przez ogromny kondensator elektrolityczny o pojemności rzędu 4700uF, na układ rezonansowy bloku pierwotnego. To powoduje przepływ prądu, który ma przebieg sinusoidalny co jest spowodowane elementami LC bloku pierwotnego. Interrupter czyli kontroler prądu pozwala precyzyjnie regulować ilość cykli prądu w uzwojeniu pierwotnym oraz czas odstępu między każdą „paczką” ustawionej ilości cykli. U mnie maksymalna ilość to 12 cykle. Wraz z każdym cyklem narasta wartość prądu, zmniejszając ilość cykli zmniejszamy wartość płynącego prądu. Po zakończeniu zadanej ilości cykli pojawiają się od trzech do pięciu cykli wygasających w których wartość prądu maleje. Ogranicznik prądu składa się z kaskady dwóch przekładników prądowych o przekładni 1:1000 założonej na uzwojenie pierwotne. Coś jak cewka rogowskiego, wyindukowane napięcie jest prostowane i podawane na układ porównujący wartość napięcia do wartości napięcia zadanego. Jeśli napięcie z przekładnika prądowego przekroczy zadaną wartość to na wyjściu komparatora pojawia się stan wyzwalający generator monostabilny który na określoną ilość czasu (kilka nS) zatrzymuje pracę cewki aż prąd w uzwojeniu pierwotnym zmniejszy się. Najczęściej czas stopu to czas jednego cyklu pracy. Po co nam ogranicznik prądu jeżeli jest interrupter ? Podczas pracy często bywa tak że gdy wyładowanie uderza w uziemiony przedmiot, prąd w uzwojeniu pierwotnym natychmiastowo rośnie do wartości które mogą zniszczyć falownik. Kontroler prądu jest urządzeniem które cały czas jest trzymane w rękach, tak więc aby wyeliminować możliwość porażenia prądem interrupter powinien być połączony z cewką tesli za pomocą światłowodu. Sprzężenie zwrotne jest zrobione tak jak ogranicznik, założony jest przekładnik prądowy, sygnał z przekładnika trafia na przerzutnik Schmitta który powoduje przemianę sygnału sinusoidalnego w sygnał cyfrowy, który jest przekazywany na układ sterowania tranzystorami. Tak więc nie ma innej możliwości by prąd płynący w obwodzie pierwotnym nie był prądem rezonansowym. Oscylogram przebiegu prądowego w uzwojeniu pierwotnym, 100A/Dz., 12 cykli narastających, 5 opadających. Blok rezonansowy wtórny to część wtórna naszego transformatora. Składa się nań rura PCV na którą nawinięte jest uzwojenie wtórne drutem miedzianym emaliowanym o przekroju 0.255mm i terminal czyli dwie rury kominowe aluminiowe które stanowią pojemność względem otoczenia. Obie rury kominowe są w taki sposób nawinięte by zmienić gradient potencjału tak aby wyładowanie nie trafiało w uzwojenie pierwotne. Tak więc mamy tutaj kolejny obwód rezonansowy. Kiedy przez uzwojenie pierwotne płynie prąd z częstotliwością rezonansową uzwojenia pierwotnego i częstotliwością rezonansową uzwojenia wtórnego w uzwojeniu wtórnym indukuje się ogromne napięcie i prąd. Dół uzwojenia wtórnego jest uziemiony. Współczynnik sprzężenia uzwojenia wtórnego i pierwotnego wynosi 0.18% Uzwojenie wtórne zawiera około 4 km drutu nawojowego więc musi być odpowiednio polakierowane by nie zostało uszkodzone poprzez współczynnik rozszerzalności temperaturowej miedzi. Dodatkowo na terminalu jest zamieszczony tak zwany breakpoint czyli punkt „przełamania” z którego wytwarzane jest wyładowanie. Wracając do gradientu potencjału jest on tak ustawiony by wyładowanie nie uderzało w uzwojenie pierwotne co by doprowadziło do jego zniszczenia. Przykładowe zdjęcie wyładowania o długości ok.180cm. Co i jak można zrobić? Urządzenie może posłużyć jako pokaz wyładowań elektrycznych o długości dwóch metrów. Może też posłużyć jako prezentacja przesyłu energii przez powietrze bezprzewodowo gdy postawimy obok w odległości 5-10 metrów drugie uzwojenie wtórne z uzwojeniem pierwotnym, kondensatorem rezonansowym na mniejszy prąd i np. podłączonymi kilkoma żarówkami. Kolejnym bardzo widowiskowym zastosowaniem jest stworzenie interruptera który byłby zmodulowany za pomocą MIDI, efektem czego DRSSTC grała by muzykę, co prawda prostą ale bardzo efektywną. Filmy w internecie można znaleźć wpisując „MIDI DRSSTC” Przesunięcie fazy a gwarancja Wszystkie przerzutniki, bramki logiczne, wzmacniacze itd. wprowadzają opóźnienia tzw. czasy propagacji. Części falownika takie jak kondensator, mostek prostowniczy i tranzystory IGBT muszą być połączone płaskownikami a to z kolei stanowi indukcyjność. Tranzystory muszą przełączać napięcie w zerach prądu tzw. ZCS (Zero Cross Switching) Wprowadzone czasy propagacji powodują iż tranzystory nie przełączają w zerach tylko obok, co je dociąża. Płynie większy prąd przez płaskowniki, jako iż praca odbywa się przy 50-60KHz indukcyjności połączeń zaczynają wprowadzać szpile napięciowe dodatnie o dwukrotnej a nawet większej, wartości napięcia zasilania: Kolor błękitny to przebieg prądowy, kolor żółty u góry to przebieg napięcia- przełączanie tranzystora. Efekt ten jest niepożądany gdyż większość tranzystorów pracuje przy napięciu maksymalnym 600VDC, przy zasilaniu z 320VDC szpile od razu by zniszczyły tranzystory. Tak więc ktoś wymyślił że sygnał z sprzężenia zwrotnego można przesunąć w fazie za pomocą indukcyjności i porównawcza stworzonego na komparatorze. Potrzebny do tego jest bardzo szybki komparator, odpowiednio zaprojektowana płytka PCB tak aby wyeliminować niewskazane inne indukcyjności i pojemności. Obecnie oscylogram po dostrojeniu i wyregulowaniu przesunięcia fazowego wygląda: Wystarczyło tylko niewiele przesunąć fazę a szpile dodatnie od razu znikły. Tranzystory są dużo mniej obciążone a to wydłuża ich żywotność. Nie ma też ograniczenia napięciowego, można spokojnie podać nawet 450VDC na mostek. Pomysłodawca od razu postanowił przerobić ogranicznik prądowy stosując również ultra szybkie komparatory co przyczyniło się do powstania „sterownika idealnego”. Dodatkowym jego elementem jest pełny mostek pośredni, który służy do wysterowania dużego transformatora sterującego bramkami tak aby uzyskać czasy narastania zbocza rzędu 200nS, zapobiec wyjściu z nasycenia tranzystorów podając odpowiednie napięcie na jego bramki i odseparować galwanicznie część sterującą od falownika. W projekcie tegoż sterownika jest też miejsce na światłowód do interruptera. Jest to przełomowy sterownik który daje niemalże wieloletnią gwarancję niezawodności. Wadą sterownika jest cena niektórych elementów które trzeba by dodatkowo sprowadzić za oceanu, ale to już mniejszy problem. Zdjęcie sterownika zaprojektowanego przez Finn-a Hammer-a, odkrywcy tego rozwiązania: Inne sterowniki nie dają takiej gwarancji, często niszczone są tranzystory IGBT których koszt jest dużo większy niż sterownika Hammer-a po kilku „strzałach” falownika. Po każdej zmianie otoczenia DRSSTC trzeba przestrajać sterownik od nowa gdyż każdy przedmiot wprowadza zmianę częstotliwości rezonansowej. Ważnym elementem niezawodnej pracy jest też uziemienie które bywa pomijane co jest błędem. Uziemieniem mogą być dwie rurki półtorametrowe wbite w ziemie o dużej powierzchni połączeń z przewodami prowadzącymi do DRSSTC. Przewody powinny być o jak największym przekroju. Inne informacje Kilka słów odnośnie bezpieczeństwa. Wpływ tak wysokiego pola magnetycznego, elektrycznego i jonizacji gazów na pewno działa negatywnie na wszelkie urządzenia elektroniczne dookoła. Wiadomym jest to że żarówka jarzeniowa świeci się w odległości nawet 5 metrów od cewki tesli. Niewiadomym jest jak różny wpływ mogą mieć emitowane pola na urządzenia bardzo czułe typu rozruszniki serca, komputery telefony komórkowe itp. Moją propozycją jest budowa klatki Faradaya, oraz wywieszenie prośby o wyłączenie telefonów komórkowych podczas pokazów. Kolejnym elementem byłby transformator separujący 230V/230V 2KW Wpływ zakłóceń na urządzenia podłączone do tej samej sieci jednak jest niewielki np. uruchamiałem cewkę tesli w tym samym pokoju w którym był włączony komputer i nic się z nim nie działo. Inne zabezpieczenia falownika to łączone szeregowo diody typu transil 1.5KW, 110V tak aby dopuszczalna moc strat wynosiła 6KW. Kondensatory snubber o ultra-niskiej indukcyjności i dużym prądzie w impulsie do „łykania” szpil napięcia w razie rozstrojenia chwilowego sterownika, stosowane powszechnie w wszystkich falownikach IGBT. Na wszelki wypadek powinien być też zastosowany bezpiecznik 16A bezpośrednio przed wejściem zasilania. Zasilanie DRSSTC jak wspomniałem wcześniej odbywa się z 230VAC, prosto z sieci lub przez odseparowanie za pomocą transformatora 2KW. Sterownik jest zasilany z transformatora 100W 2x15VAC. Falownik w konfiguracji pół-mostka wraz z starym sterownikiem wygląda tak: Na zdjęciu możemy dostrzec grube czerwone kable, o przekroju 15mm^2 bardzo duży radiator do którego przykręcony jest pół-mostkowy moduł tranzystorowy IGBT, obok radiatora po prawej stronie leżą dwie kaskady przekładników prądowych. Na radiatorze leży też transformator sterujący, i rdzeń ferrytowy na którym jest kilka zwojów- jako indukcyjność znosząca wysokie częstotliwości w przypadku przebicia transformatora separującego. Widać też terminal podłączeniowy, transformator zasilania sterownika, dwa duże kondensatory pracujące jako filtry napięcia oraz jako „masa”. Zastosowany jest tak duży radiator o grubości podstawy 2cm aby oddać jak najwięcej ciepła ze struktury modułu tranzystorowego, Żółte kondensatory służą jako snubbery. Nawiew nie jest potrzebny, zamontowałem go gdyż falownika używałem do różnych rzeczy np. nagrzewnicy indukcyjnej gdzie częstotliwość pracy jest prawie czterokrotnie większa a więc tranzystor IGBT wprowadza większe straty mocy które są oddawane w postaci ciepła. Możemy tutaj zobaczyć MMC- baterie kondensatorów z dodatkowymi kilkoma kondensatorami by zmienić częstotliwość rezonansową kiedy falownik pracował z nagrzewnicą indukcyjną. Jako ciekawostka dołączam zdjęcie nagrzanego klucza francuskiego w 20sekund przy podaniu tylko 1/3 mocy na falownik. Podsumowując DRSSTC nie jest prostym zagadnieniem. Wiele szczegółów decyduje czy urządzenie jest sprawne. Budowa pierwszej wersji od postaw nie mając żadnej wiedzy na jej temat zajęła nam rok. Piszę nam gdyż równolegle budował swoją wersje Krzysztof Jaworski i z lekkim opóźnieniem Łukasz Sterczewski. Razem w trojkę jesteśmy jedynymi w Polsce konstruktorami swoich DRSSTC. Nasza współpraca dawała nam nadal daje wiele korzyści, np. przy zamawianiu elementów z Teksasu, Stanów zjednoczonych zamawiając razem płaciliśmy mniej. Razem też szukaliśmy wszyscy wspólnie informacji, projektowaliśmy sterowniki i falowniki. Obecnie każdy z nas ma swoją własną cewkę Tesli typu DRSSTC. Współpracowaliśmy razem nawet z osobami z innych krajów: Lineas, Hammerton który udostępnił nam pierwszym schemat sterownika. Dlatego Zamieszam tutaj serdeczne podziękowania dla tych osób. Co do zdjęć w prezentacji, to zdjęcie samego sterownika jest wykonane przez Krzysztofa, jest to jego sterownik, a zdjęcia- dwa oscylogramy z przebiegiem prądowym i napięciowym w temacie przesuwania fazy są zaczerpnięte z filmu Hammera. Zdjęcia wyładowań są robione przez Łukasza podczas wizyty u mnie w garażu, aparatem o długim czasie naświetlania. Autorem reszty zdjęć, dokumentacji jestem ja- Robert Małocha.