HFSSTC trochę nowocześniej

Półprzewodnikowa cewka Tesli (ang. Solid State Tesla Coil). W odróżnieniu od klasycznego transformatora Tesli iskrownik został zastąpiony obwodem elektronicznym dzięki czemu do pracy nie wymaga wysokiego napięcia.
Awatar użytkownika
Yuri
Administrator
Posty: 763
Rejestracja: 22 mar 2013, 20:12

HFSSTC trochę nowocześniej

Post autor: Yuri »

Witam,

Wraz z D3211 wykonaliśmy projekt eksperymentalnej SSTC w oparciu o tranzystory z azotku galu. Jest to dość nowa technologia, pozwalająca na produkcję tranzystorów o ekstremalnie szybkich czasach przełączania i bardzo małych pojemnościach pasożytniczych, dzięki czemu bezproblemowo mogą pracować z wysokimi częstotliwościami przełączania. Mieliśmy wielką ochotę przetestować te tranzystory, a jako że nikt jeszcze nie użył ich w cewce Tesli wybór prototypu był oczywisty. :)

Jako stopień mocy użyliśmy układów LMG5200. Są to scalone moduły, zawierające półmostek tranzystorowy wraz z wbudowanym sterownikiem. Pozwala to na łatwiejszą implementację, jednak nadal trzeba bardzo przyłożyć się do layoutu płytki, jako że przy czasach przełączania tranzystorów GaNFET nawet najmniejsze indukcyjności pasożytnicze są źródłem poważnych przepięć i oscylacji. Płytka 4-warstwowa jest tu raczej wymogiem, ze względu na możliwość wylania na wewnętrznej warstwie poligonu masy znajdującego się bardzo "płytko" pod warstwą wierzchnią. Również konieczność bardzo gęstego "upakowania" komponentów raczej skreśla płytki dwuwarstwowe.
Nad koncepcją oraz układem cewki pracowaliśmy wspólnie, jednak layout PCB oraz ręczne polutowanie płytki zostały wykonane przez D3211.
20180626_212128.jpg
Cewka pracuje w topologii pełnego mostka, ze sprzężeniem zwrotnym pobieranym z anteny. Jako detektor został wykorzystany ultra szybki komparator, co pozwala uzyskać bardzo dużą czułość oraz zminimalizować opóźnienie układu sterującego. Czas martwy został ustawiony na 5ns, co przy czasach przełączania tranzystorów mocy w okolicach 1ns jest całkowicie wystarczające. :)
38304026_1855598241168666_460486847080955904_n.jpg
Pomiar był wykonany bez obciążenia, przy zasilaniu 18V, widoczne są wyjścia obu półmostków. Widoczne oscylacje maleją pod obciążeniem, niedługo powinniśmy wykonać i zamieścić więcej pomiarów.

Cewka ma możliwości pracy w trybie CW, lub z zewnętrznym interrupterem oraz posiada zabezpieczenie przed przegrzaniem. Całość elektroniki jest zasilana pojedynczym napięciem, na płytce znajduje się przetwornica obniżająca napięcie wejściowe do 5V używanych przez układ sterujący. Cewkę można zasilać napięciem od 7V (poniżej tego napięcia zabezpieczenie nie pozwoli włączyć układu), do niemal 80V (maksymalne napięcie pracy tranzystorów).

Prototyp pracuje z częstotliwością rezonansową około 1.6MHz, możliwa jest wyższa częstotliwość pracy, jednak opóźnienie na sprzężeniu zwrotnym może okazać się problemem. Przy tej częstotliwości maksymalna moc jaką udało nam się uzyskać to około 220W przy napięciu zasilającym 48V. Dalsze testy niestety powstrzymał brak odpowiedniego zasilacza, ale spróbujemy uzyskać więcej, jako że napięcie i prąd tranzystorów są jeszcze dość daleko od wartości maksymalnych.
20180617_012324.jpg
Sprawność cewki jest na prawdę wysoka, nawet przy pełnej mocy może pracować bez radiatorów (jednak przy dużej temperaturze powietrza może przydać się dodatkowy przewiew, znaczy malutki wentylator). :) Przy 220W mocy pobieranej z zasilacza łączne straty mocy na tranzystorach to niecałe 3.5W. Przy niższych mocach (60W przy zasilaniu lampy plazmowej) grzanie tranzystorów jest ledwo wyczuwalne. Właściwie, więcej mocy wytraca się na uzwojeniu wtórnym, niż na tranzystorach. :D

Ze względu na wysoką częstotliwość oraz możliwość ciągłej pracy z dość sporą mocą, cewka doskonale nadaje się do zasilania lamp wyładowczych. Poniżej efekty uzyskane w żarówkach 200W oraz 1kW (która okazała się wypełniona mieszanką na bazie helu, więc zamiast oczekiwanego fioletowo-niebieskiego wyładowania wyszło pomarańczowe, ale i tak efekt jest bardzo ładny):


Obrazek Obrazek Obrazek


Na pierwszym zdjęciu cewka pracuje z zewnętrznym interrupterem i zasilaniem 36V, modulacja pozwala na uzyskanie bardzo ciekawego zachowania wyładowań. Następne zdjęcia były wykonane w trybie CW, z zasilaniem 18V (pobór prądu sięgnął około 3.5A, zaś przy wyższym napięciu szkło żarówki zbyt mocno się rozgrzewało).

Ciekawie wygląda również młynek Franklina:
20180620_203251.jpg
Ogólnie efekty projektu są bardzo ciekawe i jesteśmy zadowoleni z rezultatów, dużą zaletą cewki jest brak konieczności jakiekolwiek strojenia - wystarczy podłączyć uzwojenie, zasilanie i włączyć. :D Wadą jest niestety koszt, oraz skomplikowanie (przede wszystkim poprawne wykonanie PCB jest trudne). Ceweczka pokazuje jednak potencjał tranzystorów GaN i planujemy jeszcze wiele projektów z ich wykorzystaniem.

Postaramy się zrobić więcej zdjęć i może nagrać jakiś filmik, a tymczasem pozdrawiam i zapraszam do dyskusji. :)
Awatar użytkownika
Thor
Posty: 283
Rejestracja: 23 paź 2014, 08:34
Lokalizacja: Warszawa

Re: HFSSTC trochę nowocześniej

Post autor: Thor »

Lepsze efekty przy zasilaniu tak małych cewek można uzyskać, dzięki topologii Kacher, bez potrzeby ponoszenia aż takich kosztów i trudów...
Awatar użytkownika
Yuri
Administrator
Posty: 763
Rejestracja: 22 mar 2013, 20:12

Re: HFSSTC trochę nowocześniej

Post autor: Yuri »

Thor pisze:Lepsze efekty przy zasilaniu tak małych cewek można uzyskać, dzięki topologii Kacher, bez potrzeby ponoszenia aż takich kosztów i trudów...
Możesz w ten sposób uzyskać dużą moc CW (kilkaset watów), wytracając przy tym tak mało ciepła że nie musisz chłodzić kluczy? Sprawność była jednym z głównych celów projektu, nie długość wyładowań - które też można by zwiększyć chociażby rezygnując z pracy CW.

Nie mniej, właściwym celem nie była nawet budowa SSTC, a jedynie przetestowanie tych tranzystorów, do późniejszego zastosowania przetwornicach etc. Wybór padł na teslę, żeby było więcej zabawy przy prototypie. :)
Awatar użytkownika
Yuri
Administrator
Posty: 763
Rejestracja: 22 mar 2013, 20:12

Re: HFSSTC trochę nowocześniej

Post autor: Yuri »

Drobna aktualizacja. :)

Do kuli plazmowej kupiliśmy dwie żarówki, okazało się jednak, że podczas gdy pierwsza napełniona jest helem, druga normalnie - azotem z domieszką argonu. Mamy więc dwie barwy wyładowania. :)

Zwiększyliśmy trochę moc, teraz już przy 30V pobór prądu sięga 5,6A, a więc prawie 170W (parametry użyte do wykonania poniższych zdjęć) i dalej rośnie z napięciem. Liczymy na uzyskanie około 350W przy pełnym napięciu zasilania, wciąż musimy jednak zdobyć potężniejszy zasilacz.

Poniżej nagranie fioletowej kuli pracującej z interrupterem. Przy odpowiedniej modulacji udaje się uzyskiwać bardzo ładne, tańczące wyładowania, ale efekt widać dobrze niestety jedynie na żywo.

[youtube]https://www.youtube.com/watch?v=DpXzuLy ... e=youtu.be[/youtube]

A także kilka zdjęć:

Obrazek Obrazek Obrazek Obrazek
Arek
Posty: 14
Rejestracja: 3 mar 2017, 23:20

Re: HFSSTC trochę nowocześniej

Post autor: Arek »

A modulacja audio? :)
Awatar użytkownika
Yuri
Administrator
Posty: 763
Rejestracja: 22 mar 2013, 20:12

Re: HFSSTC trochę nowocześniej

Post autor: Yuri »

Na razie tylko przez interrupter, w stylu DRSSTC. ;)
ODPOWIEDZ