UTC – это контроллер для полупроводникового трансформатора Тесла.

Стоит заметить, что контроллер – это не вся электроника, которая вам понадобится для создания трансформатора тесла. Кроме контроллера, вам понадобятся:

• Прерыватель
• Трансформаторы тока (2шт)
• GDT
• силовая часть
• в случае DRSSTC, батарея конденсаторов.

Однако, контроллер является самой технически сложной частью, поэтому его покупка оправданна.

 

Форум

Для обсуждения вопросов, связанных с использованием UTC был создан специальный форум.

 

Особенности

• Предназначен для управления DRSSTC. Возможно использование для SSTC, индукционных печей и иных резонансных преобразователей.
• Прерывание накачки в нуле тока по обоим фронтам сигнала обратной связи.
• Высокая нагрузочная способность:
  • Пиковый ток – 25А
  • Напряжение ±24В.
• Рабочая частота — 40-300кГц
• Оптический или проводной прерыватель
• Управляет реле мягкого старта.
• Основана на проверенной временем схеме Стивена Варда.

 

Максимальной допустимые значения*

Параметр	Мин	Тип	Макс	Единица
Напряжение питания			26	~В
Рабочая частота			300	кГц
Ток трансформатора обратной связи, продолжительный			1	А
Ток трансформатора обратной связи, импульсный **			20	А
Ток трансформатора ограничения тока, продолжительный			0.7	А
Ток трансформатора ограничения тока, импульсный **			20	А
Ток, потребляемый проводным прерывателем			100	мА
Ток, потребляемый реле			100	мА
Выделяемая силовых транзисторах мощность			4	Вт

* Выход за пределы этих значений может привести к выходу контроллера из строя
** Длина импульса ограничена нагревом компонентов.

 

Параметры

Если не указано иного, напряжение питания = ~24В, нагрузка – 3.6Ом + 100нФ.

Параметр	Мин	Тип	Макс	Единица
Система
Напряжение питания	20	24	26	~В
Статический потребляемый ток (без оптоприемника)		25	30	~мА
Статический потребляемый ток (с оптоприемником)
Динамический потребляемый ток		1.35		~мА/кГц
Задержка от отключения сигнала прерывателя до асинхронной “синхронизации”		82		мкС
Обратная связь
Задержка от входного до выходного сигнала (нагрузка – 3.3 Ом + 22нф)		40		нс
Защита по току
Минимальная фиксируемая длительность превышения по току		190		нс
Задержка от обнаружения превышения до ожидания синхронизации		83		нс
Проводной прерыватель
Задержка от сигнала включения проводного прерывателя до сигнала на выходе драйвера		30		мкс
Задержка от сигнала отключения проводного прерывателя до ожидания синхронизации		28		мкс
Напряжение сигнала отключения прерывателя	0.9		2.0	В
Напряжение сигнала включения прерывателя	1.7		3.15	В
Оптический прерыватель
Задержка от сигнала включения оптического прерывателя до сигнала на выходе драйвера				нс
Задержка от сигнала отключения оптического прерывателя до ожидания синхронизации				нс
Амплитуда сигнала отключения прерывателя				дБ
Амплитуда сигнала включения прерывателя				дБ
Мягкий старт и защита от пониженного напряжения
Напряжение включения драйвера		25.3		В
Задержка включения драйвера		3600		мс
Напряжение на реле		24		В
Драйвер
Нарастающий фронт (нагрузка – 3.3 Ом + 22нф)		10		нс
Спадающий фронт (нагрузка – 3.3 Ом + 22нф)		20		нс
Выходное напряжение	-27	±24	27	В

 

Механические параметры

UTC проектировался для работы в корпусе из алюминиевого профиля. Чертеж профиля:

 

Для работы внутри другого корпуса, по краям платы предусмотрены крепежные отверстия под винт М3. Диаметр шляпки винта не должен быть больше 8мм, а диаметр стойки – не более 6мм. Под головки винтов рекомендуется класть шайбу.

Индикация

UTC использует три светодиода для отображения своего состояния:

Зеленый светодиод сигнализирует о том, что питание контроллера в норме. Он загорается только после окончания задержки мягкого страта.

Синий светодиод указывает на то, что получен сигнал с прерывателя. Так как в DRSSTC используются очень короткие сигналы, этот сигнал снабжен расширителем импульсов и погаснет только если команда на запуск не поступало в течении 100мс.

Красный диод указывает на срабатывание защиты по превышению тока. Этот сигнал также снабжен расширителем импульсов и отключается только если защита не срабатывала в течении 100мс.

 

Выбор активного прерывателя

UTC поддерживает как оптический, так и проводной прерыватель. Для выбора активного прерывателя служит перемычка “Source”. По умолчанию эта перемычка установлена в режим проводного прерывателя.

Проводной прерыватель

Назначение выводов проводного прерывателя показано на рисунке:

Стоит иметь ввиду, что проводной прерыватель является источником повышенной опасности, образуя петлю тесла-человек-заземление. Напряжение, которое наводится на человеческом теле от стримером достаточно мощное, чтобы причинить ожег. Поэтому, стоит изолировать органы управления проводного прерывателя от человека или использовать оптический прерыватель.

 

Оптический прерыватель

Оптический прерыватель крайне чувствителен к наводкам, поэтому может работать только внутри металлического корпуса. Для подключения используйте оптический шнур длинной 5М, который входит в комплект.

 

Питание

Питание осуществляется от внешнего трансформатора напряжением ~24В. Важно, чтобы напряжение трансформатора без нагрузки не превышало ~27В. Полярность подключения трансформатора к разъему значения не имеет.

Трансформатор управления затворами

Выходной разъем для трансформатора управления затворами (GDT) содержит дублирование:

Рекомендуется соединить дублирующие контакты для повышения надежности.

 

Реле

Реле (или любая другая нагрузка, потребляющая ток не более заданного в таблице максимального потребления) подключается к разъему, на который подается 24В, а 0В коммутируется транзистором. Схема содержит защитный диод для подавления индуктивного выброса от реле.

Крайне рекомендуется непосредственно на выводы реле напаять конденсатор емкостью 10нф.

 

Обратная связь и защита по току

Трансформатор обратной связи подключается между выводами FB+ и FB-, а трансформатор токовой защиты – между OCD+ и OCD-.

Уровень защиты по току регулируется единственным построечным резистором. Направлению вращения против часовой стрелки соответствует увеличение предельного тока.

Напряжение на компараторе защиты по току можно контролировать мультиметром на разъеме “OCD Probe”. Пересчитать напряжение на выводе компаратора в ток ограничения можно с помощью калькулятора.

 

 

Схема

Далее разъяснены подробности работы схемы контроллера для любопытствующих. Описание предполагает наличие у читателя элементарных знаний в цифровой электронике.

Объяснения приведены по отдельным блокам схемы. Номиналы схемы даны ориентировочные и могут отличатся от реальных.

 

Обратная связь

Обратная связь осуществляется с помощью токового трансформатора, подключаемого к разъему “Feedback”

Сигнал токового трансформатора ограничивается стабилитронами D4, D5. Последовательно стабилитронам включены диоды Шоттки, так как стабилитроны закрываются медленно, а диоды Шоттки – быстро.

Получившийся в итоге биполярный сигнал превращается в однополярный диодной “вилкой” D2 и подается на триггер Шмидта U4E, после которого получаются быстрые четкие фронты сигнала.

Резистор R3 предназначен для ограничения тока через диоды, когда они “срезают” нижнюю полуволну.

В режимах с непрерывной накачкой, на стабилитронах может выделяться довольно значительная мощность, поэтому стоит удостовериться, что она не превышает предельно допустимой с помощью калькулятора.

 

Рис 1. Сигнал после ограничения стабилитронами.

 

Рис 2. Сигнал после ограничения диодной сборкой.

 

 

Защита по току

Значение тока измеряется токовым трансформатором, который подключается к разъему “Feedback”. Этот трансформатор должен быть полностью независим от трансформатора обратной связи (должно быть два раздельных трансформатора).

Трансформатор нагружен на резистор R15, номинал которого по умолчанию – 3.3 Ома. Вы можете использовать другой нагрузочный резистор, выпаяв стандартный и заменив его своим.

Для того, чтобы не допустить выхода контроллера из строя в случае непропая или выгорания резистора R15, добавлен резистор R25, который не даст контроллеру запуститься, если резистор R15 отсутствует.

Для того, чтобы можно было обнаружить превышение тока любой из полуволн (положительной и отрицательной), использован мостовой выпрямитель на диодах Шоттки.

Выход нагрузочного резистора фильтруется RC цепью R14/C22 от высокочастотных выбросов, который могут проникнуть через емкость между первичной и вторичной обмоткой токового трансформатора.

На положительный вход компаратора подается регулируемое напряжение срабатывания ограничителя. Пересчитать этан напряжение в ток можно с помощью специального калькулятора.

На резисторе R15 выделяется значительная мощность, поэтому стоит убедиться, что она не превышает максимально допустимую для резистора с помощью калькулятора.

В случае превышения тока, на выходе компаратора U9 устанавливается лог. 0, стоит заметить, что длительность лог 0. может быть весьма коротка:

 

Поэтому, после детектора превышения тока установлен триггер, который запрещает работу теслы до следующего сигнала включения с прерывателя.

 

U6C не дает тесле запуститься, пока не снят сигнал сброса, а U6B – пока не снят сигнал ограничения тока.

Так как частота прерывателя может быть довольно высокой, может оказаться что время горения диода, сигнализирующего о превышении тока будет настолько коротким, что его не будет заметно. Для исправления этого эффекта, установлен “расширитель импульсов”  на D21, C26, R4, U1A. При превышении тока, U11B заряжает C26, который потом медленно разряжается через R4. U1A работает как пороговый элемент.

 

Справка: как работает D-триггер 74HC74
Когда сигнал на входе CLK триггера переходит из низкого состояния в высокое, на вход Q передается логический уровень, который был на выходе D.

Входы nRP и nCLR при подаче на них низкого логического уровня переводят Q в 1 или 0 соответственно. Если на обоих входах nRP и nCLR одновременно будет лог. 0, то выходы Q и nQ будут в состоянии лог. 1.

nRP и nCLR имею приоритет над D. К примеру, если одновременно на nCLR низкий уровень, на D-высокий, а состояние CLK меняется из 0 в 1, то на выходе триггера останется 0.

 

 

Сброс, защита от пониженного напряжения и “плавный пуск”

Схема защиты от пониженного напряжения предназначена для того, чтобы не допустить работу транзисторов в линейном режиме.

Под “плавным пуском” понимается процесс, при котором силовые конденсаторы заряжаются до сетевого напряжения через резистор, а, затем, подключаются непосредственно к сети с помощью реле. Это необходимо для исключения сверхтоков.

 

Узел на U10 сравнивает напряжение питания драйвера с допустимым. В случае, если напряжение больше допустимого, на выходе U10 устанавливается лог. 1. Резистор R26 обеспечивает гистерезис для исключения множественных срабатываний.

Когда на выходе U10 появляется лог. 1, конденсатор C23 медленно заряжается через резистор R21. Когда напряжение на нем достигнет напряжения переключения U6D, на ее выходе появляется лог. 1, которая через диод D17 быстро заряжает C23, это сделано для обеспечения еще большего гистерезиса схемы.

Сигнал с выхода U6:

• Включает реле мягкого пуска через транзистора Q5
• Зажигает зеленый светодиод
• Выдает сигнал “Пуск”, который разрешает работу контроллера и убирает сигнал сброса и триггера ограничения тока.

Процесс выключения происходит следующим образом:

Компаратор U10 обнаруживает падение напряжения на шине питания, на его выходе появляется лог. 0. Она отключает элемент U6D, и через диод D17, быстро разряжает конденсатор C23.

Так, как для выключения используется сигнал прерывателя, отключение теслы будет происходить в нуле тока, что полезно для выходных транзисторов.

 

Прерыватель

Для подключения прерывателя может использоваться как оптический, как и проводной интерфейс. Оптоприемник установлен на плате UTC, так как он чувствителен к помехам. Для подключения проводного прерывателя предназначен разъем “Interrupter”. Переключение между оптическим и проводным прерывателем осуществляется джампером “Source”.

 

Сигнал с проводного прерывателя подтягивается резистором R12 к нулю, фильтруется от помех фильтром на R8/C7 и ограничиваются диодами D22. Гистерезис обеспечивается инвертором U4C.

Резистор R10 защищает в случае “забытого” или не контактирующего джампера.

Так как оптический прерыватель выдает сигналы в инверсной форме (наличию света соответствует лог. 0), установлен инвертор U4B.

В DRSSTC длительность сигнала включения прерывателя весьма мала, поэтому установлен расширитель импульсов на U6A, D9, C4, R7, U4A. Описание работы расширителя смотрите в разделе “Защита по току”

 

Синхронизатор

Задача этого узла – обеспечить отключение силовых транзисторов в нуле тока. Это достигается синхронизацией сигнала отключения (от прерывателя, детектора превышения тока или от сигнала сброса) с любым из фронтов сигнала обратной связи (ОС на картинке). Если синхронизация невозможна (фронт обратной связи не появляется в течении некоторого времени), должен произойти асинхронный сброс синхронизатора.

 

Когда на выходе прерывателя устанавливается лог. 1, триггера U5A и U5B устанавливаются в состояние лог. 1. С помощью входов nPR. Таким образом, разрешается работа теслы (и производится ее запуск, смотрите секцию “драйвер”). Одновременно, быстро разряжается конденсатор С11.

Когда на выходе прерывателя появляется лог. 0, начинается процесс синхронизации.

• В случае, если на линии ОС первым поступает возрастающий фронт, триггер U5A устанавливает свой выход в лог 0.
• В случае, если на линии ОС первым поступает спадающий фронт, U5B на своем выводе Q устанавливает лог. 0, который производит асинхронный сброс триггера U5A.
• Если линия OC не меняет свое состояние в течении времени заряда конденсатора C11 через резистор R11, происходит асинхронный сброс триггера U5B, который. в свою очередь, сбрасывает U5A.

 

Драйвер

Секция драйвера отвечает за запуск и передачу сигналов от теслы, а так-же усиления их до уровня, достаточного для управления силовыми транзисторами.

Секция преддрайвреа реализует следующую таблицу истинности:

ОС	Разрешение работы	Выход 1	Выход 2
X	0	1	1
0	1	0	1
1	1	1	0

X – не имеет значения.

 

Обратите внимание, что при переходе сигнала разрешения работы из лог. 0 в лог. 1, Сигнал на выходах меняется. Это изменение передается на затворы силовых транзисторов и обеспечивает запуск теслы.

 

Выходной каскад выполнен по схеме с накачкой заряда.

Когда на вход подается лог. 1, открывается нижний транзистор. Так, как на нижнем электроде C2 напряжение увеличивается, через него начинает течь ток, заряжая затвор Q1. Излишний ток уходит в шину Vgdt через диод D1. Таким образом, транзистор Q1 закрывается.

Когда на вход подается лог. 0, нижний транзистор закрывается, а верхний открывается за счёт падения напряжения на резисторе R1.

 

Калькуляторы

Калькуляторы "понимают" стандартные множители: p, n, u, m, k, Meg. К примеру, 1 килоом можно ввести как 1000 или 1k

 

 

RPhoto

Отказ от ответственности

Покупая драйвер, вы принимаете и соглашаетесь со следующими положениями:

1. Трансформатор Тесла – сложное и опасное устройство. Я не несу ответственности за последствия, связанные с использованием вами драйвера UTC, включая материальные потери или вред здоровью.
2. Покупатели сами несут ответственность за выбор и использование драйвера.
3. Покупка драйвера не означает предоставление личных консультаций, связанных с его использованием. Свой вопрос вы можете задать у нас на форуме.