Простейшая мостовая SSTC

Наиболее распространённой на сегодняшний день топологией транзисторных катушек Тесла (SSTC) после качера Бровина является мостовая (полумостовая). Высокая популярность схемы объясняется, с одной стороны, сравнительно простой настройкой и низкой стоимостью деталей, а с другой - высокой эффективностью и способностью работать на сетевом напряжении. Так, полумостовая и мостовая схемы являются двухтактными, что позволяет прокачивать через них бОльшую мощность, нежели через однотактный качер или SSTC E-класса. Между тем, к транзисторам полумоста или моста прикладывается не более одного питающего напряжения схемы, в то время как к транзисторам RbSSTC (пуш-пулл) прикладывается удвоенное, что создаёт трудности при разработке устройства с сетевым питанием.

Существует множество различных схем мостовых и полумостовых SSTC, однако, все они так или иначе содержат микросхемы, зачастую редкие, что может представлять трудность для начинающих тесластроителей. В статье предлагаются простейшие мостовая и полумостовая схемы на транзисторах, сборка и настройка которых может стать хорошим промежуточным шагом между качером Бровина и классической мостовой SSTC.

Полумостовая схема

Полумостовая схема привлекает своей простотой, однако, следует помнить, что максимальная амплитуда напряжения на первичной обмотке не может превышать половины питающего напряжения, что делает использование схемы невыгодным при низковольтном питании. За основу предлагаемой ниже схемы была взята классическая схема электронного трансформатора для галогеновых ламп накаливания. Рассмотрим её работу более подробно.

Конденсатор C4 необходим для сглаживания пульсаций и должен быть установлен как можно ближе к силовой части, в идеальном случае - напаян между коллектором T3 и эмиттером T4. Конденсатор C1 через резистор R1 медленно заряжается до тех пор, пока напряжение на нём не превысит напряжение, задаваемое делителем R2-R3 и не произойдёт открытие составного однопереходного транзистора T1-T2. Через открытый составной однопереходной транзистор конденсатор C1 разряжается на базу транзистора T4, приоткрывая его. Ток начинает течь по цепи C2-L1-T4, что ведёт к формированию импульса ЭДС на вторичной обмотке катушки Тесла L2. На короткое время ток начинает течь через первичную обмотку трансформатора обратной связи Tr1, что ведёт к появлению напряжения на вторичных обмотках, открытию транзистора T3 и закрытию транзистора T4. Направление тока в первичной обмотке L1 сменится на противоположное, что закономерно приведёт к смене направления тока через первичную обмотку Tr1, закрытию транзистора T3 и открытию транзистора T4. Процесс повторяется до бесконечности, причём частота колебаний определяется собственной резонансной частотой вторичной обмотки L2. Когда генерация в полумосте уже установилась, конденсатор C1 периодически разряжается через диод Шоттки D2 и транзистор T4, в результате чего напряжение на нём не успевает достичь порогового и импульс на базу T4 не приходит. Если генерация по какой-либо причине прекратилась, конденсатор C1 зарядится до напряжения открытия составного однопереходного транзистора и разрядится на базу T4, возобновив генерацию. Способность схемы к автоматическому возобновлению генерации является преимуществом перед качером Бровина и RbSSTC, в которых, в случае срыва генерации, она восстановится только при выключении-включении питания, причём в RbSSTC оба транзистора при отсутствии генерации будут полностью открыты и могут выйти из строя при достаточно мощном источнике питания. Заметим, что диод Шоттки D1 необходим для защиты транзистора T1 от пробоя база-эмиттерного перехода. Схема работоспособна при напряжении питания от 6 до 24 Вольт.

Заметим, что цепь запуска может быть перестроена с использованием динистора вместо однопереходного транзистора, однако, такая схема будет работать только при повышенных питающих напряжениях.

Мостовая схема

Мостовая схема получается из полумостовой путём замены конденсаторов во втором плече на транзисторы. Мостовая схема может обеспечить амплитуду напряжения на первичной обмотке вплоть до напряжения питания схемы, что делает данный вариант предпочтительным при низковольтном питании. По этой причине именно мостовая схема была выбрана для дальнейшей сборки на печатную плату. Ещё одним отличием мостовой схемы от полумостовой является подача начального импульса в точку между обмоткой трансформатора и резистором, а не между базой T4 и резистором. Объясняется это тем, что для запуска генерации в полномостовой схеме необходимо, чтобы открытой оказалась пара транзисторов T3-T6 или T4-T5, а не один транзистор. Наиболее простым способом сделать это является подача инициирующего импульса напрямую на одну из обмоток трансформатора, что приведёт к возникновению достаточного импульса на всех обмотках Tr1 и открытию соответствующей пары транзисторов.

Реализация мостовой схемы

Мостовая схема вместе с первичной и вторичной обмоткой была собрана на печатной плате и представляет собой законченное устройство.

Вторичная обмотка содержит порядка 550 витков проводом 0.1 мм типа ПЭТВ на пластиковом каркасе диаметром 25 мм и высотой около 60 мм. В качестве каркаса использован тонкостенный пластиковый кабель-канал круглого сечения. Первичная обмотка содержит 2.5 витка одножильным проводом сечением 2.5 мм² и мотается на каркасе диаметром 25 мм в том же направлении, что и вторичная обмотка, затем расширяется до примерно 30 мм в диаметре. Трансформатор Tr1 намотан на ферритовом кольце R10x6x4 производства Epcos из материала T38. Намотка ведётся 5 скрученными проводами (каждый провод - обмотка трансформатора) диаметром 0.35 мм, необходимо намотать 10 витков. Печатная плата была заказана на сервисе JLC PCB по модели, приложенной к статье.

Осциллограмма сигнала на первичной обмотке предложена на фотографии ниже. Напряжение питания схемы составляет порядка 8 Вольт.

При питании от 14 Вольт схема может поддерживать самостоятельный разряд.

Повышение напряжения до 18 Вольт даёт заметное увеличение разряда.

При повышении напряжения до 24 Вольт, разряд представляет собой "пушистик" длиной около 5 мм, однако, запуск схемы в таком режиме дольше пары секунд грозит перегревом и выходом из строя транзисторов.

Заключение

Предлагаемые в статье схемы могут быть интересны начинающим тесластроителям, поскольку могут быть собраны из легкодоступных и недорогих деталей и настроены за несколько часов. Кроме того, в случае удачного использования полевых транзисторов вместо биполярных, данная схема может превзойти по эффективности классические схемы "карманных" катушек Тесла, таких как качер Бровина и RbSSTC.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Катушка Тесла
• Высокое напряжение
• Sprint-Layout