Среди множества типов и подтипов катушек Тесла особую нишу занимают устройства с так называемой плавной или квазинепрерывной накачкой, для которой принято международное обозначение QCW (Quasi Continuous Wave). Наиболее часто QCW используется вместе с DRSSTC, образуя наиболее сложный из всех известных на данный момент типов катушек Тесла - QCW DRSSTC. Будучи разработанной ещё в двухтысячных, QCW DRSSTC по сей день сохраняет лидирующие позиции по соотношению размеров устройства и разрядов, создаваемых им. О том, что такое QCW, какие преимущества даёт, какие особенности и подводные камни имеет, и пойдёт речь в данной статье. Также предлагается миниатюрный макет устройства, использующего плавную накачку для формирования длинных разрядов необычной мечевидной формы - QCW RbSSTC.
CW, I, QCW, LP
Начинающий тесластроитель, скорее всего, будет озадачен этими четырьмя аббревиатурами. Однако общее представление о том, что под ними скрывается, необходимо для полного понимания предмета статьи, поэтому сразу к расшифровкам:
CW (англ. Continuous Wave) - непрерывный режим работы катушки Тесла. Вероятно, читатель уже сталкивался с ним, когда собирал качер Бровина, ибо классическая схема этого устройства как раз таки предполагает непрерывную подачу энергии во вторичный контур. Характерной особенностью CW является практически полное отсутствие звуков при работе: как правило, на малых мощностях разряд являет собой абсолютно бесшумную "иголку", на средних - шипящую "кисточку", а на больших - факел. Стоит отметить, что катушки, работающие в CW, имеют рекордно большую среднюю потребляемую мощность, например, для получения хотя бы 10 см разряда в CW, необходимо прокачивать через схему не менее киловатта мощности, причём всё время её работы. Поэтому данный режим характерен для совсем маленьких устройств. Теоретически, в этом режиме могут работать все типы катушек Тесла за исключением SGTC и схожих с ней по принципу действия, например OLTC.
I (англ. Interrupted) - прерывистый режим работы катушки Тесла. Отличается от CW тем, что накачка вторичного контура происходит не постоянно, а короткими импульсами. Это позволяет, во-первых, на порядок уменьшить среднюю потребляемую мощность (устройство будет более экономичным), во-вторых, увеличить пиковую мощность за счёт использования накопительных элементов (конденсаторов). Эти два фактора позволяют в разы увеличить длину разряда и придать ему характерную форму, напоминающую молнию. Увы, но звуковое сопровождение тому будет соответствующим. Стандартная длительность накачки составляет десятки-сотни периодов колебаний на резонансной частоте, таким образом, для большинства катушек эта величина находится в пределах от 10 до 100 мкс. Прерывистый режим работы возможен для всех катушек Тесла, при этом для SGTC(искровых) и подобных он является единственным возможным.
QCW (англ. Quasi Continuous Wave) - квазинепрерывный режим или же просто режим плавной накачки. Пожалуй, это самый сложный режим работы катушки Тесла из всех возможных. QCW предполагает линейное (или не совсем линейное, об этом далее) нарастание (и спад, в некоторых случаях) напряжения на силовой части и, как следствие, прокачиваемой через первичную обмотку и индуцируемой во вторичном контуре мощности. Причём весь процесс занимает не десятки-сотни микросекунд, как обычная импульсная накачка, а единицы-десятки миллисекунд, то есть на порядок-другой больше. На первый взгляд кажется, что в этом нет смысла: разряд просто будет расти, только медленнее. И это действительно так: рост разряда при QCW вполне можно заснять на современный смартфон, но основным эффектом от плавной накачки является сильное подавление ветвления разряда. Это позволяет, с одной стороны, получить необычную форму "молнии", а с другой - направить всю энергию в один единственный искровой канал, что заметно увеличивает его длину. В QCW могут работать все катушки Тесла, способные работать в CW, т.е. все кроме SGTC и OLTC.
LP (англ. Long Pulse) - режим длинного импульса. Как следует из названия, является обычным прерывистым режимом, но с сильно увеличенной длительностью импульса накачки. Она, к слову, одного порядка с длительностью импульса в QCW. Этот режим работы позволяет немного увеличить длину разряда и заметно повысить его жирность. Наибольший эффект от данного режима наблюдается в DRSSTC, однако на других топологиях он также присутствует.
Вводные данные
Перед рассмотрением вариантов схемотехники, обозначим желаемые параметры устройства:
*Напряжение питания: не более 24 Вольт
*Средняя потребляемая мощность: не более 10 Ватт
*Высота вторичной обмотки вместе с тороидом: не более 5 см
RbSSTC
Очевидно, что залогом хорошего результата является стабильная и эффективная работа всех узлов устройства. Важно понимать, что варианты накачки, описанные выше, являются лишь дополнением к силовой части и не могут дать хорошие разряды при использовании неоптимальной топологии и/или плохой реализации оной. Как показала практика, наиболее перспективной топологией для работы на низких напряжениях (а 24 Вольта - довольно низкое напряжение для силовой части катушки Тесла) и высоких частотах является RbSSTC (англ. Royer-based Solid State Tesla Coil). Ранее я уже писал о ней(https://cxem.net/tesla/tesla60.php), однако с тех пор схема претерпела ряд серьёзных изменений, что сделали её значительно более стабильной. Итак, сердцем устройства фактически является автогенераторный пуш-пул с обратной связью по вторичной обмотке, схемотехника которого близка к классическому генератору Ройера (отсюда и название). Сама схема представлена ниже:
Транзисторы T1 и T2 следует брать с логическим уровнем (низким пороговым напряжением) и максимально допустимым напряжением сток-исток не менее удвоенного питающего напряжения схемы. Стабилитроны D2 и D4 должны быть на напряжение чуть выше порогового для выбранных транзисторов, а D1 и D3 на напряжение не ниже 1.5 пороговых и не выше 75% от максимального напряжения затвор-исток. Резистор R1 обеспечивает запуск схемы, его сопротивление целесообразно выбирать достаточно большим. Трансформатор обратной связи Tr1 следует мотать на кольце 10x6x4 из феррита марки T38 производства Epcos. Первичная и вторичная обмотки Tr1 должны быть выполнены в виде витой пары и содержать одинаковое количество витков, равное 10-15. Первичная обмотка L1 должна иметь 1+1 виток провода, причём он должны быть свит в пару. Вторичная обмотка L2 должна содержать не менее 500 витков на каркасе не менее 20 мм диаметром. Приведённые выше данные были получены путём множества экспериментов и оказались наиболее оптимальными. Для проведения экспериментов, описанных далее, была использована вторичная обмотка на пластиковом тонкостенном каркасе диаметром 32 мм, выполненная обмоточным проводом 0.063 мм и содержащая около 500 витков (высота намотки - 35 мм). Тороид выточен из дюраля по следующему чертежу:
Сравним преимущества и недостатки других топологий катушек Тесла применительно к решаемой задаче.
На данный момент способ реализовать QCW для SGTC и OLTC неизвестен, посему эти два типа катушек можно даже не рассматривать.
VTTC довольно часто запускают в около-QCW режиме, питая её частями сетевой синусоиды с помощью синхронного прерывателя, однако присутствие в схеме электронной лампы не соответствует требованиям по миниатюризации.
Классические SSTC - мосты и полумосты - не оптимальны для низких напряжений и высоких частот: полумост делит и так невысокое напряжение надвое, а мост, пусть и способен раскачивать первичную обмотку до полного напряжения питания, имеет 4 силовых ключа, управление которыми на высоких частотах - нетривиальная задача.
E-class SSTC является интересной топологией, позволяющей снизить динамические потери на силовом ключе за счёт обеспечения его переключения при нуле напряжения, а также подбросить напряжение на первичной обмотке за счёт резонанса. Проблемой является необходимость точной настройки схемы для её нормальной работы, что довольно трудно обеспечить ввиду большой ёмкости разряда, уводящей резонансную частоту вторичной обмотки от исходной.
DRSSTC на низких напряжениях и высоких частотах имеет те же проблемы, что и SSTC, более того, встаёт проблема ухода резонанса, как в SSTC e-класса.
QCW
Как было указано в начале статьи, QCW предполагает плавное повышение напряжения на силовой части, за счёт чего достигается характерная форма разряда. В простейшем случае накачку производят пилообразными импульсами:
Довольно часто возникает проблема: разряд не срывается, ветвится, либо слишком тонкий. Решается это путём изменения длительности импульса накачки Tн. Следует обратить особое внимание на скорость нарастания напряжения Uпик/Tн: если она слишком высока, то разряд станет тоньше и тусклее, а также начнёт сильнее ветвиться; если слишком низка, то разряд начнёт превращаться в CW-шную кисточку. Таким образом, оптимальная длительность накачки, во всяком случае порядок величины, определяется пиковым напряжением Uпик.
Одним из наиболее популярных вариантов инициализации разряда, позволяющий решить проблему его нестабильного возникновения, является т.н. фитиль, т.е. небольшой прямоугольный импульс до основной стадии накачки.
Напряжение Uфит выбирают таким, чтобы его хватало для создания катушкой начальной ионизации воздуха у терминала.
Ещё одна проблема, которая может возникнуть - разряд слишком тусклый и тонкий, однако улучшить его параметры путём манипуляций с длительностью накачки не удаётся. Судя по всему, такая проблема характерна для низковольтных конструкций. Экспериментально было получено, что добавление небольшой полки на пике пилы накачки позволяет повысить жирность разряда, не теряя других его характеристик.
В качестве дополнительной опции можно добавить плавный спад импульса накачки, это позволит немного сгладить звук разряда.
Как правило, длительность спада в несколько раз меньше времени нарастания.
Реализация в железе
Основную сложность реализации QCW составляет необходимость изготовления мощного управляемого понижающего преобразователя напряжения, который должен создать импульс сложной формы непосредственно на силовой части катушки Тесла. Как правило, для этих целей используется buck-конвертер - эффективный неизолированный импульсный понижающий преобразователь напряжения. Тем не менее, на малых мощностях и сравнительно небольших напряжениях можно использовать линейные регуляторы, что и было сделано на практике. Использование линейного регулятора вместо импульсного преобразователя несколько снизило общий КПД устройства, однако позволило существенно упростить его схему, уменьшить габариты и немного повысить помехоустойчивость, что особенно важно для управляющих модулей катушек Тесла.
На транзисторах T1 и T2 собран мультивибратор, задающий длительности импульсов накачки и пауз между ними. На транзисторе T3 реализована цепь сброса. Транзистор T4 с резисторами R6, R7 и R8 образуют источник тока, обеспечивающий линейное нарастание напряжения на конденсаторе C3. На транзисторе T5 собран истоковый повторитель, модулирующий силовую часть пилообразными импульсами. C4 предназначен для фильтрации ВЧ выбросов, создаваемых RbSSTC. D(1-4), T(6, 7), R9 и Tr1 составляют RbSSTC - силовую часть установки.
Стоит обратить внимание, что номиналы, отмеченные * следует подбирать для настройки схемы в оптимальный режим. Так, C1 и R2 определяют длительность паузы между импульсами накачки (частоту их следования); C2 и R3 задают полную длительность импульса накачки (пила + полка на пике); R8 необходимо выбирать исходя из длительности импульса накачки и ёмкости конденсатора C3; C3 следует выбирать таким, чтобы его ёмкость была как минимум на порядок выше ёмкости затвора T5, сопротивление R8 не опускалось ниже 1 кОм, пиковое напряжение на затворе T5 относительно массы было максимально близко к напряжению питания схемы (24 В), а длительность полки на пике пилы не превышала 1/2 времени нарастания напряжения. T5 желательно брать с минимальным пороговым напряжением затвора и достаточно большим допустимым током сток-исток. Стоит также обратить внимание на максимальную рассеиваемую мощность стока. Чем она больше, тем лучше.
Сборка проводилась на беспаячной макетной плате, источником питания макета служит сетевой импульсный блок питания 24 В 1 А.
Результаты
Разработанный макет позволил снять разряд максимальной длиной примерно в 1.5 высоты вторичной обмотки, что значительно больше, чем при обычной импульсной накачке.
В следующих частях...
В ходе экспериментов выяснилось, что повышение напряжения с 24 Вольт до 50 (с заменой ряда компонентов в схеме) даже без точной настройки существенно увеличивает разряд, в связи с чем планируется повышение штатного напряжения питания до 50 Вольт с подбором наилучших параметров схемы.
Ещё одним приоритетным направлением работы является разработка новой конфигурации резонансного трансформатора с целью повышения прокачиваемой через него мощности.
Помимо вышеперечисленного, в настоящий момент ведётся разработка регулируемого управляющего блока, который позволит регулировать в широких пределах все основные параметры накачки с помощью потенциометров, а не прямой замены компонентов.
Прикрепленные файлы:
- QCW_multisim.zip (637 Кб)