Pierwsza SSTC - uszkodzenie driverów TC4421/22

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.
Sulzer
Posty: 4
Rejestracja: 14 sie 2016, 00:30

Pierwsza SSTC - uszkodzenie driverów TC4421/22

Post autor: Sulzer »

Witam serdecznie wszystkich forumowiczów

Jestem w trakcie budowy swojej pierwszej SSTC inspirowanej w dużej mierze konstrukcją c4r0, którą pewnie wszyscy znają lub kojarzą. Wcześniej miałem już przyjemność nabrać doświadczenia przy konstruowaniu dwóch małych VTTC na lampach PL504 i GU50. Wracając do STTC, poniżej umieszczam krótki opis konstrukcji:

Uzwojenie pierwotne stanowi 12 zwojów z przewodu 1.5 mm2 nawiniętego na rurę o średnicy 160 mm, a uzwojenie wtórne nawinięte zostało drutem DNE 0,2 mm na rurze o średnicy 110 mm na długości 400 mm. Spodziewana częstotliwość rezonansowa uzwojenia wtórnego to około 200 kHz.
Uzwojenia SSTC
Uzwojenia SSTC
Układ formowania impulsów i driverów został wykonany według schematu c4r0 z drobnymi modyfikacjami. Sygnał antenowy doprowadzony jest poprzez kondensator 100nF do negatorów. Wykorzystano układ bramek logicznych SN74HC14N. Sygnał przerywacza doprowadzny jest do tranzystorów NPN odpowiadających za sygnalizację pracy przerywacza i zwieranie sygnału antenowego do masy. Do sterowania GDT zastosowano scalone drivery TC4421 i TC4422. Na płytce, w pobliżu zasilania układów scalonych, znajdują się kondensatory odsprzegające o wartości 2,2 μF.

Przerywacz w odróżnieniu od konstrukcji c4r0 wykonany został na układzie TL494. Jego częstotliwość pracy może wynosić od kilku do kilkunastu Hz a wypełnienie od 0-100%.
Płytki sterowania od strony elementów. Uszkodzone drivery zostały już wylutowane.
Płytki sterowania od strony elementów. Uszkodzone drivery zostały już wylutowane.
Płytki sterowania od strony ścieżek. Uszkodzone drivery zostały już wylutowane.
Płytki sterowania od strony ścieżek. Uszkodzone drivery zostały już wylutowane.
GDT posiada 15 zwojów na każdym uzwojeniu. Uzwojenie pierwotne wykonano z dwóch przewodów połączonych równolegle, a uzwojenia wtórne wykonano z pojedynczych drutów. Wszystkie skręcono razem naprzemiennie i nawinięto równomiernie na rdzeń toroidalny. Przebiegi bramkowe sprawdzone oscyloskopem były prawidłowe. Czasy narastania i opadania zbocza wynosiły około 200 ns.
Test układów sterowania "na stole".
Test układów sterowania "na stole".
Przebiegi bramkowe MOSFETów. Proszę zignorować kursory na oscylogramie.
Przebiegi bramkowe MOSFETów. Proszę zignorować kursory na oscylogramie.
GDT2+IRFP460.BMP (329.12 KiB) Przejrzano 3124 razy

Półmostek wykonany jest zgodnie ze schematem c4r0. Mostek Greatza podaje napięcie na kondensator filtrujący 330 μF/400V. Wygładzone napięcie trafia na dzielnik z dwóch kondensatorów polietylenowych o pojemności 1 μF i dwa tranzystory MOSFET IRFP460, odpowiednio zabezpieczone diodami schottky'ego (1N5822 blokująca diodę w strukturze, i równoległa do wyprowadzeń drenu i źródła MUR860).
Półmostek od strony elementów.
Półmostek od strony elementów.
Półmostek od strony ścieżek.
Półmostek od strony ścieżek.
Schemat całej konstrukcji przedstawiony jest poniżej:
Schemat ideowy całej elektroniki SSTC.
Schemat ideowy całej elektroniki SSTC.
Przejdźmy do kwestii uruchomienia i wspomnianej usterki. Zestawiony układ wyglądał następująco: przerywacz i sterownik zasilone zostały napięciem 12 V z zasilacza impulsowego. Ustawiono małą częstotliwość przerywacza (ok 1 Hz) i duże wypełnienie sygnału (a przez to dłuższy czas blokowania sygnału antenowego). Dało się słyszeć jego pracę na GDT. Uziemienie uzwojenia wtórnego stanowił drut miedziany pogrążony w ziemi przed domem. Antena sprzężenia zwrotnego została umieszczona w odległości około 10 cm od uzwojenia pierwotnego, dolnym końcem na wysokości dolnej krawędzi uzwojeń. Następnie załączono autotransformator, który przez żarówkę 200 W połączono z układem półmostka. Przy stopniowym podwyższaniu napięcia na autotransformatorze, przy wartości około 15 V, nastąpiła eksplozja dwóch układów driverów TC4421 i TC4422, jeden po drugim, w odstępie niecałej sekundy. Wybuchowi nie towarzyszył dym a jedynie strzał i błysk. Podejrzewam możliwość zbieżności między okresem pracy przerywacza, a uszkodzeniami kolejnych driverów.

Uszkodzeniu uległy same układy scalone driverów. Diody 1N5819 zabezpieczające drivery od strony GDT są sprawne. Także układ przerywacza i formowania impulsów z anteny pozostały nienaruszone i działają po ich zasileniu i pomiarach. Bramki logiczne podające sygnał wejściowy na drivery również są sprawne.
Uszkodzony driver TC4422
Uszkodzony driver TC4422
Uszkodzone drivery
Uszkodzone drivery
Cały układ był wcześniej testowany przy zasileniu mostka napięciem 12 V z zasilacza impulsowego oraz obciążeniem w postaci rezystancji 7,5 Ohm. Sygnał antenowy był wówczas zastąpiony generatorem na układzie NE555 pracującym z częstotliwością 189 kHz. Pozostałe układy zasilane były zasilaczem laboratoryjnym.

Opisywana sytuacja to pierwsza i jedyna do tej pory nieprawidłowość od początku budowy SSTC. Względem warunków testowych, podczas uruchamiania SSTC, można było wyróżnić następujące różnice:
- rzeczywista antena zamiast generatora na NE555
- zasilanie układów przerywacza i sterownika zasilaczem impulsowym, a nie laboratoryjnym
- zasilanie mostka autotransformatorem bez separacji od sieci, a nie niskim napięciem z zasilacza impulsowego
- połączenie masy sterowania z przewodem PE przez zasilacz impulsowy; teoretycznie to nie powinno być istotne, ponieważ separację i tak zapewnia GDT, który nie został przebity, jednak jest to jedyne połączenie galwaniczne masy sterowania z instalacją elektryczną
- obciążenie mostka uzwojeniem pierwotnym, a nie rezystancją

Jaka może być przyczyna uszkodzenia układów TC4421 i TC4422?
Awatar użytkownika
lodzik1990
Posty: 316
Rejestracja: 30 sty 2012, 16:33
Lokalizacja: GG 28328507 T:796782195

Re: Pierwsza SSTC - uszkodzenie driverów TC4421/22

Post autor: lodzik1990 »

W jaki sposob moze dojsc do uszkodzenia GDT?:-). Wymien ten zasilacz impulsowy na transformator sieciowy
Wykonam uzwojenia wtórne na dowolny wymiar od 0.125mm.
lodzik1990@gmail.com / BBM: 2C163574
Sulzer
Posty: 4
Rejestracja: 14 sie 2016, 00:30

Re: Pierwsza SSTC - uszkodzenie driverów TC4421/22

Post autor: Sulzer »

Co masz na myśli pisząc o uszkodzeniu GDT? Transformator GDT nie został oczywiście uszkodzony, jedynie oba drivery i żaden inny element. Zasilacz impulsowy został zastąpiony stabilizowanym transformatorowym, jednak muszę czekać na zamówione drivery zanim znów podejmę próbę uruchomienia SSTC. Do tego czasu chciałbym zrozumieć z jakiego powodu mogło dojść do uszkodzenia i wyeliminować najbardziej prawdopodobne przyczyny tak, aby nie skończyć z wiadrem rozerwanych driverów. ;)
Awatar użytkownika
Mania-C
Moderator
Posty: 820
Rejestracja: 2 paź 2010, 12:47

Re: Pierwsza SSTC - uszkodzenie driverów TC4421/22

Post autor: Mania-C »

A skąd jesteś pewien ze GTD jest sprawne ? testowałeś ? jak ?

Wszystko wskazuje na przebicie gdt jest jeszcze jedna możliwość , przebicie przez powrót energii z wtórnego. Efekt zbyt dużego sprzężenia ale u Ciebie tak to nie wygląda. No chyba że masz pierwotne zwoje zwarte.

PS źle testujesz powinieneś po pierwsze nie testować sstc na dużym wypełnieniu po 2gie musisz wyeliminować prblemy z przerywaczem poprzez monitorowanie jego pracy czy działa poprawnie.
Po 3cie nie testuj tego od razu na zasilaniu sieciowym nawet przez autotrafo. nawin proste trafo z wyjściem o napięciu 50V AC do testów.

Pozdrawiam

Pozdrawiam
Sulzer
Posty: 4
Rejestracja: 14 sie 2016, 00:30

Re: Pierwsza SSTC - uszkodzenie driverów TC4421/22

Post autor: Sulzer »

Mania-C pisze:A skąd jesteś pewien ze GTD jest sprawne ? testowałeś ? jak ?
Po uszkodzeniu driverów zrobiłem proste "drivery" na parach komplementarnych tranzystorów. Nie w celu uruchomienia SSTC, tylko w celu sprawdzenia GDT. Wówczas działało poprawnie. Teraz sprawdziłem GDT miernikiem rezystancji izolacji IMI-11 500 V (taki akurat mam) i podczas pomiarów wskazywana rezystancja izolacji przekraczała 100 MΩ między każdą parą uzwojeń. Inne sposoby sprawdzenia GDT nie przychodzą mi do głowy. Mam świadomość, że pomiar rezystancji izolacji miernikiem induktorowym nie ujawnia wszystkich możliwych jej uszkodzeń, ale nadal... to było tylko 15 V AC. To mnie dziwi najbardziej.
Mania-C pisze:po pierwsze nie testować sstc na dużym wypełnieniu
Chodzi Ci o duże wypełnienie czasu przerwania, czy czasu pracy mostka? Ja testowałem na dużym wypełnieniu czasu przerywania, a więc krótkim czasie pracy mostka. Wydawało mi się to poprawne.
Mania-C pisze:po 2gie musisz wyeliminować prblemy z przerywaczem
Jakie problemy z przerywaczem masz na myśli? Do chwili uruchomienia nie było (i w sumie nadal nie ma) problemów z przerywaczem. Poniżej oscylogram przebiegu bramkowego jednego MOSFETa (kanał 1) z przerywaczem:
Przerywacz.jpg
Mania-C pisze:Po 3cie nie testuj tego od razu na zasilaniu sieciowym nawet przez autotrafo. nawin proste trafo z wyjściem o napięciu 50V AC do testów.
Mam transformator 230/18 V/V ok. 50 VA. Mógłbym go użyć, a jeśli to napięcie jest zbyt niskie to wykombinuję taki 50 V. Miej na uwadze, że do katastrofy doszło przy napięciu ok. 15 V, więc mógłbym w ten sposób odtworzyć podobne warunki, tylko z separacją od sieci.
Mania-C pisze:jest jeszcze jedna możliwość , przebicie przez powrót energii z wtórnego.
W jaki sposób przepięcie z mostka mogło uszkodzić drivery, których wyjścia zabezpieczone były diodami Shottky'ego tak jak na schemacie? Diody pozostały sprawne. To świadczy o braku skuteczności takiego zabezpieczenia?

Dziękuję za rzeczową odpowiedź. ;)
Awatar użytkownika
lodzik1990
Posty: 316
Rejestracja: 30 sty 2012, 16:33
Lokalizacja: GG 28328507 T:796782195

Re: Pierwsza SSTC - uszkodzenie driverów TC4421/22

Post autor: lodzik1990 »

a rdzeń GDT to przynajmniej z materiału 3e25 jest?.
http://allegro.pl/rdzen-ferrytowy-rtf-2 ... 69299.html
Wykonam uzwojenia wtórne na dowolny wymiar od 0.125mm.
lodzik1990@gmail.com / BBM: 2C163574
Sulzer
Posty: 4
Rejestracja: 14 sie 2016, 00:30

Re: Pierwsza SSTC - uszkodzenie driverów TC4421/22

Post autor: Sulzer »

Zastosowałem rdzeń kupiony kilka lat temu, którego materiału nie jestem w stanie określić. W każdym razie pracuje nieporównywalnie lepiej niż rdzenie z chińskich zasilaczy. Ten nie pochodzi z odzysku, tylko jest całkiem nowy. Bazując na zagranicznych stronach traktujących o wpływie rdzeni na przebiegi bramkowe, uznałem że moje przebiegi są idealne i zostawiłem ten rdzeń w pełni usatysfakcjonowany rezultatami. Czytałem wcześniej, że 3E25 jest najlepszym materiałem na GDT, ale skoro przebiegi są poprawne to czy należy tutaj szukać źródła problemu? Chyba, że rzeczywiście materiał rdzenia może mieć wpływ na uszkodzenie driverów to oczywiście zawsze można rdzeń zmienić.
ODPOWIEDZ