Компактненькая, удобненькая, высокочастотная SSTC

Как-то насмотрелся я на толпы толкиенистов и их магов. Посохи у магов, представляли собой простые деревяшки, и появилась у меня идея сделать "магический" посох с теслой на макушке. Для этого хорошо подходила бы SSTC в E-классе — простая реализация, возможность получения неплохих искорок, низковольтное питание. Планировал я сделать посох полностью металлическим, чтобы его поверхности хватало как "противовеса". После игр с E-классом, все, что получилось получить — на снимке:

Ну раз уж вторичка была намотана, грех был не сотворить с ней чего-нить поинтереснее )) И решил я сделать полноценную CW (способную работать без пропуска периодов) SSTC.

Тут я попробую рассказать, как я рассчитываю SSTC. Сразу предупреждаю, что это повествование отражает лишь мое мнение по этому поводу и не явлется истинной в последней инстанции.

Для расчетов я использую 4 программы:

VcTesla — https://vcoder.flyback.org.ru/programs/vctesla/vctesla.html
Программа написана человеком с ником vcoder. Умеет рассчитывать резонансные частоты, индуктивности и емкости по геометрическим данным теслы.

Inca — так как адреса я не знаю, выкладываю ее прямо тут. Умеет расчитывать идуктивности и, что самое главное, коэфициент связи обмоток.

MandK — тоже программа для расчета коэфициента связи. Умеет считать несколько конфигураций подряд, но имеет несколько не привычный консольный нитерфейс. Кажется, считает точнее, чем предыдущая.

SWCad — симулятор. Собственно, очень полезная штука, чтобы посмотреть, что будет твориться в тесле.

Технология расчета примерно такая — сначала прикидываю геометрические размеры какие бы мне хотелось. К примеру, для этой катушки — 15 см в высоту и 5 см диаметром. Далее считаю в VcTesl’е индуктивности, частоту, а в MandK или Inca — коэффициент связи и вбиваю все эти параметры в модель в SWCad’е. К сожалению, моя модель потерялась при переезде сайта, так-что, извиняйте. Смотрю, что получается и как нарастает ток в первичной обмотке. Подгоном добиваюсь таких параметров, при которых он ни при каких условия не становится больше допустимого тока транзисторов. В реальной тесле присутствует еще и стример, который не даст току вырасти до таких значений так как снижает добротность колебательного контура, поэтому индуктивность первички прийдеться еще подстраивать, если хочется добиться максимального результата. Коэффициент связи для SSTC должен быть довольно большим, обычно его выбирают в пределах 0.2-0.35.

После всего этого начинаю строить силовую часть. Сначала построил на IRF740, получилось довольно хорошо. Но хотелось большего и я начал переделывать силовуху под более мощные IRFP460. Очень повезло, что с самого начала я рассчитывал места под корпуса TO247

А вот и схемка, в принципе, классический полумост, но иногда спрашивают:

Небольшое пояснение, для чего нужны диоды с сопротивления на затворах. Как известно, преобразователям необходимо так называемое мертвое время — время между переключениями транзисторов. Картинка ниже показывает (в сильно гипертрофированной форме) как это достигается в этой схеме. Затвор мееедленно заряжается через резистор и быстро разряжается через диод. таким образом можно получить эту самую паузу.

Почему навесной монтаж? Это просто. Он обеспечивает минимальную индуктивность, удобно менять сгоревшие транзисторы, да и просто красиво ) Более того, еще и не нужно травить плату )

У народа, изготовление некоторых деталей может вызывать трудности, поэтому пробегусь кратко по тому, как я это все делал. Первое, что было сделано — это вторичка. Первая трудность — как отрезать ровно трубу ? Очень просто! Берем обычный лист A4 — у него идеально ровные края, обматываем вокруг трубы, совмещаем края, так чтобы они были точно параллельны, далее намечаем линию разреза маркером (карандашом). Далее режем либо ножом (придется приложить некие усилия) либо электролобзиком.

Теперь намотка вторички. Для этого необходима опора на которой будет лежать вторичка. В данном случае я использовал штатив от фотоаппарата. Нужен так-е крепеж для катушки с проводом, который позволит ей вращаться. У меня это — стальной прут, который лежит на двух стульях. Провод должен быть натянут, и тогда наматывать будет очень удобно.

Возникает проблема — что делать с первым концом проволоки который так и норовит оторваться? Я делаю 3 отверстия и продеваю проволоку через них зигзагообразно — таким образом катушка не разматывается. Далее проволоку приклеиваю малярным скотчем к стенке вторички — таким образом предотвращаю его повреждение при намотке вторички. После того как вторичку намотал, к проволоке я припаиваю толстый изолированный провод, а место спая вплавляю в пластмассу и заклеиваю малярным скотчем.

Далее я покрываю вторичку эпоксидкой. Тут тоже есть несколько нюансов. Во-первых сразу хочу сказать — если хотите аккуратную вторичку, слой эпоксидки должен быть тонким! Настолько тонким, насколько это вообще возможно — эпоксидку стоит буквально капнуть и втирать по всей поверхности обмотки. Смысл в том, чтобы силы поверхностного натяжения смогли удержать эпоксидку и не дали образоваться каплям. Если нужен толстый слой, то можно эту операцию проделать несколько раз )

   Еще "хитрость" как узнать — достаточно ли отвердителя? Очень просто. Смешиваем эпоксидку и отвердитель и берем немного на спичку, а другой спичкой подогреваем (но не зажигаем) через несколько секунд смесь вспенится. Когда это произойдет, даем остыть смеси и пробуем на ощупь. Примерно такой-же консистенции будет и застывшая эпоксидка.

В результате всех этих манипуляций, у нас получается вторичка:

Теперь как бы к ней приделать тор? И из чего бы его сделать? К сожалению, гофр такого как мне нужно было размера я не нашел, поэтому решил сделать из пластиковой гофры — она как раз подходила. (к сожалению, фотка немного пересвечена, но, думаю, понятно)

Эта гофра очень ребристая, а поэтому после того как из нее был согнут тороид, я его хорошо обмотал малярным скотчем — это сильно сгладило ребра, дальше обмотал обыкновенной кухонной фольгой и вклеил кусочки фольги в центры, чтобы они были ровными. Фольга хорошо клеится моментом резиновым. Получилось следующее:

Следующий вопрос — как и чем ровно приклеить тор к вторичке? Мне кажется, это лучше всего делать так: Переворачиваем вторичку и ищем, как визуально со всех сторон она будет казаться вертикальной. Далее заливаем термоклеем место соединения. Термоклей держит достаточно хорошо:

Как надежно прицепить верхний провод к тору, я к сожалению, не знаю ( Я просто оголил его на 5 см, сделал отверстие в фольге и запустил его под фольгой. Надеюсь, не отвалится )))

Теперь о том, как прикрепить вторичку к корпусу. Я это делаю совсем просто — вырезаю деревянный кругляшек с диаметром, равным внутреннему диаметру вторички приклеиваю его к корпусу моментом и просто одеваю вторичку на него. Можно, конечно, еще и шурупами прикрутить, но для мини-теслы это лишнее, и так туго:

Первичку можно сделать как на фотографии выше, если нужен маленький коэффициент связи. Кто не понял провод — это антенный кабель из-за скин — эффекта его можно использовать на маленьких мощностях (пока потери в диэлектрике кабеля не плавят его) Белые штуки которые его крепят — это нейлоновые стяжки, которые сейчас на каждом углу.

Немного более технологичный вариант. Позволяет поднять первичку и увеличить коэффициент связи. Оправка вырезана из 100 мм воздухопровода и притянута стяжками к основанию. Провод притянут стяжками к оправке. Чистый Китай)

Ну теперь про электронику.

После первых экспериментов я понял, что жрать эта установка по шине 12 вольт будет неимоверно (около 700мА в CW режиме), поэтому сделал импульсный блок питания. Блок питания не представляет собой чего-то очень умного. Простой блок питания на TNY266. Схема, плата и расположение деталей вот:

Тех. задание на трансформатор можно почитать ТУТ:

Естественно, можно сделать все по проще. Ножки трансформатора в тех задании и схеме разные! Не забудте про зазор между половинками феррита — он должен быть 0.1мм!

Получилась вот такая платка:

Зачем 4 UCC ? У меня на прошлой платке у меня они жудко грелись, поэтому я решил тут поставить 4. Можно 2 убрать — это не повлияет на работоспособность, если будет греться, поставить ) Я собрал сразу с четырьмя.

Из оригинальных решений — пассивный фазовращатель. Он предназначен для компенсации задержки возникающей в схеме. Переменником R1 подстраивается фаза до тех пор, пока разряды не станут максимально энергичными. При этом на затворах транзисторов исчезнет "звон". Оптопара отвязывает интерраптер. ее применение не очень то целесообразно в этом случае, но это я понял уже после того, как сделал (ну, это как всегда), но не помешает.

После соединения этого всего проводочками разного сечения и настройки (это отдельная статья) получилось примерно вот такое:

В результате это работает примерно так:

В процессе настройки оказалось, что сердечник ГДТ насыщается от расположенной рядом первичной обмотки, а потому катушка переодически взрывалась. Я решил исправить эту досадную оплошность самым простым образом — просто поднял первичную обмотку над ГДТ. Получилось что-то типа этого:

На этом я решил остановиться, и так получился здоровый факел который без проблем зажигает аллюминий из которого собственно и сделан тороид.

Дополнение! Позднее оказалось, что такой тороид не выдерживает никакой критики. На одном из запусков он загорелся.

На скорую руку сделал прерыватель, который может играть миди файлы. Конструкцию прерывателя пока не выкладываю, как как он был сделан временно, и некачественно. Вот результат:

У этой катушки появился апгрейд.