DRSSTC (Трансформатор Тесла) ~90 см разряд

DRSSTC (Dual Resonant Solid State Tesla Coil) относительно сложный тип Катушки Тесла. Углубляться в принцип действия ее я сильно не буду, в простейшем исполнении, с искровым разрядником SGTC (Spark Gap Tesla Coil) это резонансный трансформатор на воздушном сердечнике сделанный буквально из нескольких деталей. Все остальные типы это усложнения использующие в основе те же принципы, но дающие крутые возможности, такие как проигрывание музыки, изменение формы разряда, большее время работы, компактность, и т.д. 

Общий вид. Высота 60 см.

Первичная обмотка 5 витков 6 мм медной трубы под небольшим углом.

Вторичная обмотка около 1000 витков проводом 0.3 мм на трубе 11х30 см

Нахождение резонанса осуществляется подстройкой частоты первичного или вторичного контура. Например изменением емкости контурного конденсатора, количества витков первичной/вторичной обмотки, емкости тороида (размером) Простым перебором, убавляя прибавляя добиваемся наибольшего стримера. Приблизительно рассчитать резонанс, что было от чего отталкиваться, можно на tqfp.org. Там есть бесплатный онлайн калькулятор.

Для удобства электронику можно разделить на несколько блоков.

1. Драйвер.
Занимается обработкой сигналов с прерывателя и обратной связи (направления тока в первичной обмотке). В драйвер так же встраивают разнообразные функции типа защиты по току в первичной обмотке, защиты от низкого напряжения и прочее. Самые навороченные версии делаются на основе МК.

Всю плату драйвера обязательно необходимо экранировать, засунуть в металлический заземленный корпус, например.

Трансформатор тока на схеме (ТТ) это трансформатор обратной связи OC. С его помощью драйвер понимает в каком направлении течет ток в первичной обмотке, и в какую сторону ее нужно толкать. С него же идет сигнал на компаратор LM311. Представляет собой 1000 витков провода на ферритовом кольце. Через него продевается один виток первичной обмотки (как показано на схеме силовой части ниже) Одним витком считается одно прохождение провода через центр сердечника, как кольцо на пальце. Что бы не мотать 1000 витков можно сделать  2 трансформатора по 32 витка, от одного из них продеть виток через другой трансформатор.

Иногда тесла может не запускается, при условии что все остальное собрано правильно, если фазировка этого трансформатора не правильная, нужно просто перевернуть ТТ и надеть его на провод первички другой стороной.

Резистор на AD8561 настраивает смещение фазы, так что бы транзисторы силовой переключались в нуле тока. Здесь должны быть осциллограммы, но у меня нет осциллографа, по этому я все сделал на авось и молился что бы оно работало. Неправильно настроенное переключение приводит к нагреву ключей, а если совсем не повезет может даже взорвать.

Резистором на LM311 можно регулировать максимальную величину тока в первичной обмотке (защита по току или OCD). Если он будет превышен, драйвер отключит теслу, избежав взрыва транзисторов. Настраивается так что бы при разрядах в воздух OCD не срабатывала.

Резистор на DS1233-5+ настраивает защиту от пониженного напряжения на драйвере. При первой сборке его нужно выставить в среднее положение, и аккуратно крутить при настройке (при срабатывание защиты загорится светодиод) иначе, в крайнем положении, может сгореть стабилитрон. Так же стоит учесть, что при работе теслы напряжение на драйвере просядет, не нужно настраивать впритык.

2. Прерыватель.
Это генератор П-образных импульсов, которые через драйвер управляют транзисторами силовой части. Именно прерыватель позволяет играть музыку. Он может быть очень простой на NE555, но что бы развлекаться по полной нужны более сложные схемы.

В моей конструкции используется покупной Bluetooth прерыватель от BSVi. Управляется с телефона, через специальное приложение.
Длительность импульса до 90 мкс. Максимальный Коэффициент заполнения 0.05.

Не уверен что стоит публиковать схему и прошивку его старого прерывателя, разрешение я не спрашивал, но он есть в открытом доступе, называется i1 BSVi. Хорошо работает, можно воспроизводить музыку с MIDI клавиатуры или USB через специальный адапрет.

Похвастаюсь своим i1, но сейчас уже им не пользуюсь. Проводной прерыватель, имеет ряд недостатков в отличие от Bluetooth, но тоже работает.

3. Силовая.
Часть которая раскачивает первичную обмотку. Здесь используются мощные MOSFET транзисторы способные выдерживать большие импульсные токи. В средних КТ, вроде моей, это сотни ампер, в больших тысячи ампер.

Все транзисторы FGH60N60SMD, на керамических прокладках (можно и обычные резиновые использовать) на одном радиаторе. В DRSSTC ключи практически не греются, и такой радиатор, как у меня, избыточен.
В основном греются ММС, конденсатор питания и конденсаторы делителя силовой. 

Питается прямо от сети через диодный мост и конденсатор на 400 вольт 680 мкФ. При первых запусках и настройке лучше подключать через ЛАТР, чтобы уменьшить вероятность взрывов.

Не маловажным является контурный конденсатор или MMC, т.к. найти конденсатор на подходящее напряжение и емкость трудновато потому используется последовательно параллельное соединение маленьких. У меня конденсаторы К78-2 общей емкостью 110нФ и напряжением 3.2кВ.  Неплохо работают конденсаторы CBB81, но иногда они попадаются плохого качества.

Стабилитроны 1.5КЕ400СА ставятся на каждый транзистор, как можно ближе к ключам, они напаяны прямо на ноги, на плате их нет.

Через конденсаторный делитель (красные штуки на фото), центральной точкой которого является один конец первичной обмотки, протекает сотни ампер, поэтому их лучше ставить побольше, что бы общее сечение проводников было достаточным. 



Связь между силовой и драйвером осуществляется через GDT (Gate Drive Transformer). Просто несколько витков скрученных между собой проводов на ферритовом сердечнике. В моем случае 6 витков на синем тороидальном сердечнике EPCOS сечением 58 мм^2 работают нормально. Здесь, опять же, должны быть осциллограммы хорошего GDT и плохого, но посмотреть их мне нечем. Очень важно соблюдать фазировку вторичных обмоток. Они должны быть в противофазе. Иначе при включении оба ключа откроются и тупо замкнут на себя питание. 

Количество витков GDT определяется по формуле:

N – количество витков, штук.
V – максимальное напряжение которое будет присутствовать на GDT на протяжении времени t, В
t – время на которое будет подано напряжение V, сек
B – индукция насыщения сердечника, Тл
Ae – сечение сердечника, м^2

Рассчитать GDT можно онлайн на tqfp.org

Еще не намотанный GDT. Я использовал в качестве первичной обмотки медный экран, внутри витая пара.
Важно хорошо изолировать первичную обмотку и вторичные, они могут пробивать. Как-то я не мог понять почему горит драйвер, оказалось по этому...

Заземляется тесла на среднюю точку конденсаторного делителя (на схеме драйвера он есть). Для корпуса драйвера я сделал отдельный делитель, возможно это лишнее, все должно работать и с одним общим делителем, но сделал как сделал.
В моей конструкции есть страйкринг (большое кольцо над витками первичной обмотки), он заземлен вместе с нижним концом вторичной обмотки (Важно! Кольцо страйка не должно быть замкнуто, иначе оно создает КЗ виток, первичка его будет греть) Если разряд пробивает на него, то вторичка замыкается сама на себя и ничего не взрывается.
В теории тесла должна переживать и удар в первичную обмотку, т.к. установлены два конденсатора С2 и С3 емкостью 100н 2Х, через них сливаются наводки на силовую часть. Но я решил не рисковать, да и эстетически мне нравится так.

Пара слов о бусинке. Необходима она для уменьшения наводок на драйвер. Просто маленькое ферритовое кольцо через которое продевается один виток (сразу оба провода) от первичной обмотки GDT.

Для того что бы при включении в сеть не летели искры (зарядный ток конденсатора выпрямителя достаточно большой) сделана плавная зарядка через резистор. Резистор не нужен особо мощный, пара ватт подойдет, а вот реле лучше поставить помощнее.

Тороид 9.5 Х 30 см. Сделан ротационной вытяжкой. Сейчас, к сожалению, такой купить достаточно сложно. Подойдет любая металлическая фиговина, но нужно стараться избегать острых краев, с них будет прошивать. Можно сделать из вентиляционной алюминиевой/стальной гофры. 
Терминал не маловажная часть. Должен быть максимально острый, и с его длинной можно поиграть. Без терминала запускать DRSSTC нельзя. При условии, что у вас гладкий тор, как у меня. Так то с какой-нибудь кастрюли разряд будет нормально и сам стрелять

Большие наглядности. Корпус, платы, и оргстеклянные элементы резались на ЧПУ фрезере MOSKI 1310.

Теги:

• Катушка Тесла
• Тесла
• Высокое напряжение
• Sprint-Layout