Решил сделать DRSSTC
Приоритеты:
- должна воспроизводить мелодии миди;
- длина стримера не менее 50 см;
- надежность предпочтительнее всего;
- как можно более чистый звук (я понимаю, что это не высококачественная система звуковоспроизведения);
- постараюсь минимизировать затраты и максимально использовать уже имеющиеся материалы и детали.
Силовая часть - двойной мост на IGBT транзисторах типа 60N60SMD.
Драйвер - немного переделанная схема Стива Варда 2008-2010 гг.
Прерыватель готовый - SI v 1.22.
Рассчитывал использовать 110 мм картонную трубу от линолеума. Канализационные трубы мне показались не очень пригодными из-за отрицательного опыта их использования в макетах однотранзисторных автогенераторных схем. Мне не понравился из температурный коэффициент расширения. Трубы толще 50 мм сильно «гуляют» по диаметру от перепадов температуры. Намотанная внатяг обмотка на 160 мм трубе при комнатной температуре на балконе при -10 по Цельсию сильно обвисала. С 110 мм трубой не намного лучше. Почему на балконе - там покрывать лаком планировал.
Получилось:
Диаметр трубы вторичной обмотки: 107 мм
Число витков: 1470
Диаметр обмотки по меди - 0,3 мм
Высота намотки 520 мм
Первичная обмотка - конусообразная,
внутренний диаметр 130 мм,
число витков - 8, медный провод сечением 10 кв.мм
шаг - 9 мм,
высота - 40 мм
Экспериментировал с резонансами. Сделал набор ёмкостей, регулировка с точностью 1 нФ (от 1 до 87 нФ). Менял торы и подбирал резонансную частоту первички, по максимуму стримера.
По расчетам самый крутой резонанс должен быть, если вторичку заставить работать на частоте четверти длины провода вторички, у меня 500 метров, т.е около 150 кГц. Тор по расчету должен быть большой - гофра диаметром 16 см, внешний радиус тора 44 см. А на практике сильной зависимости нет. Маленький тор (внешний диаметр 20 см) тоже хорошо работает). Конечно, разница небольшая есть, но не принципиальная.
Остановился на таком размере тора, который легче изготовить. Алюминиевая гофра мне пришлась не по душе, да и мнется на раз, быстро теряет внешний вид.
В итоге в строительном магазине купил вентиляционные трубы диаметром 125 мм - 4 поворота на 90 градусов. Соединил в кольцо и обклеил алюминиевым скотчем.
Резонансная частота вторички получилась около 180 кГц.
Двойной мост на 60n60smd, максимально короткие провода, на печатную плату к силовой проводке напаяна медная шина толщиной 0.5 мм, где не полезла шина напаян многожильный медный провод. Батарея из электролитов 220 мкФ 450 В общей ёмкостью чуть меньше 3000 мкФ, силовая пленка суммарной ёмкостью 55 мкФ.
Осциллограф у меня старенький однолучевой, поэтому для настройки предиктора пришлось брать взаймы нормальный двухлучевик. Правда, получилось взять только на 1 день, поэтому я не успел наделать фотографий форм сигнала.
Предиктор настрен, силовая сильно не нагревается. Измерял пальцем. Не прикрутил регулировку частоты вращения вентиляторов они работают на максимуме.
В качестве радиатора для силовых транзисторов использовал кулер от старого процессора, он имеет приличный вентилятор и радиатор на толстой 1-см подошве. Опыт замены силовых транзисторов показал, что применение зажимных клеммников себя оправдывает на все 100%. Выход из строя транзисторов при настройке и тестировании неизбежен. Также избавился от резиноподобных прокладок и посадил IGBT на термопасту прямо на радиатор. Его пришлось распилить его на три части. Опасно конечно, но корпус будет закрытый и, надеюсь, местами экранированный.
Сложности были с конденсаторами резонансного моста. В режиме тестов использовал набор конденсаторов разных емкостей, в том числе CBB81 0,1 мкф 2000 В. Цепочка из трех последовательно включенных таких конденсатора сильно грелась, когда выставил защиту на 200 А одна цепочка CBB81 сдохла. Качество низкое, ножки железные облуженные.
Вместо них собрал из кучи конденсаторов той же марки номиналом 22 нФ на 2000В. Каждая цепочка из 4 включенных последовательно конденсаторов (получается 5,5 нф, 8000 В). Последние работают хорошо. Всего задействовано 60 конденсаторов, соответственно батарея состоит из веток по 8, 4, 2 и 1 цепочки. Еще есть цепочка 2,2 нф из конденсаторов меньшей емкости. Используя выключатели (значения 44, 22, 11, 5,5, 2,2 нф можно включать любую цепочку по отдельности и их любое сочетание) легко подбирать резонанс.
Предиктор настроил, силовая не нагревается. Измерял в основном пальцем. Не прикрутил регулировку частоты вращения вентиляторов они работают на максимуме.
Чуть позже поставил китайские цифровые модули измерения температуры и управления термостатом, вместо которого подключил вентиляторы. Сильнее всего при комнатной температуре грелся радиатор блока питания - на нем силовой мост, мост системы охлаждения (12 В, 0,7 А), параметрические стабилизаторы на 5, 12, 25 В.
Драйвер работает на два GDT. Планировал сделать его двухканальным, но не реализовал. Кольца использовал большие около 45 мм наружного диаметра. Каждый GDT понижающий 4 витка к 3. Провода вторичных обмоток взяты из толстых кабелей, они одножильные около 1 мм диаметра, первичная обмотка - толстая внешняя оплетка. Мост у меня двойной, поэтому от тонких проводов FTP пришлось отказаться. Амплитуда выходного сигнала драйвера 25 В, к затворам доходит соответственно 18,75 В. Сечение кольца GDT позволяет запитать сразу все ключи, но практика показала, что так меньше выбросы на затворах.
Спойлер - расчет тепловыделения для полного моста
Статические потери.
Считаем, что транзистор работает с небольшой перегрузкой по току. Примем
(Справочно: 60N60smd. U(кэ нас)=2 В, Т откр+Т закр=122 нс, I (кэ макс имп)=180 А)
I (кэ макс имп)=225 А, напряжение питания моста 300 В.
Мощность, выделяемая на открытом ключе для пост тока P=U*I
Для симметричного меандра считаем полпериода P1=0.5*P
Учитываем коэффициент заполнения для всего сигнала и примем для упрощения вычислений модель линейного нарастания тока в импульсе. Выражение для тепловой мощности, выделяемой на одном ключе: P2=0.5*P*0.5*К.заполн=0,25*К.заполн*P=0,25*К.заполн*U*I=0,25*0,05*2*225=7,5 Вт.
В мостовой схеме 4 ключа, итого 30 Вт суммарной рассеиваемой мощности.
Справедливости ради надо отметить, что ток нарастает не совсем линейно (что будет увеличивать тепловыделение) и форма импульсов тока близка к синусоиде (уменьшает реальное тепловыделение), а не прямоугольная.
На всякий случай цифра: при коэффициенте заполнения близком к 1 тепловыделение на мосте возрастет до 600Вт.
Динамические потери. Тут расчеты посложнее. Считаем максимально упрощенно.
Частота 180 кГц (просто у меня такая). Наш драйвер идеален, задержка фронтов идет только за счет силовых ключей.
Потери при переключении
P=0.5*F*I (кэ макс имп)*Uпит*Tпереключения.
Учитывая предыдущие расчеты, учитывающие форму сигнала и коэффициент заполнения
P=0.25*К.заполн*F*I (кэ макс имп)*Uпит*Tпереключения=0,25*0,05*180000*225*300*1,22Е-7=18,5 Вт.
В мостовой схеме 4 ключа, итого 74 Вт суммарной рассеиваемой мощности.
Теперь учтем влияние звена RD в затворной цепи. Время заряда приблизительно увеличится на величину Тзадержки, получившейся из резистора и емкости затвора. Немного топорно, но позволяет оценить примерно. У меня стоит резистор 10 Ом, входная емкость затвора 2800 пФ, T=R*C=10*2.8Е-9=28 нс, что почти в два раза увеличивает время открывания и в общем итоге на 23% увеличивает время нахождения ключей в режиме переключения (было 122 нс, станет 150 нс). Время выключения почти в 8 раз больше времени включения и резистор, шунтируемый диодом Шоттки, не существенно его увеличит. Теплопотери пропорционально возрастут на 23%, имеем около 91 Вт. Слаботочка в драйвере достаточно шустрая и по сравнению с силовой частью почти не увеличивает длину фронтов. Основная проблема это обеспечение необходимого тока выходного каскада драйвера для открытия силовых ключей. Я осознанно делал очень приблизительные расчеты влияния резисторов в затворной цепи, реально транзисторы при большом размахе управляющего сигнала начнут открываться пораньше, но справочники и книги «Силовая электроника...» и им подобные могут взорвать мозг своими формулами читающих форум, а мне не нужна высокая точность.
Согласно тем же хитромудрым источникам, тепловыделение при использовании резонансной схемы (у нас DRSSTC с предиктором!) можно снизить на 80-90 процентов. Примем 80%. Итого динамические потери на мосте около 18,2 Вт.
Это конечно расчеты для тепловыделения идеального сферического коня в вакууме, но их можно принять за основу.
Общие тенденции:
- Для реальной схемы тепловыделение будет всегда больше.
- Тепловыделение растет с увеличением рабочей частоты и временных задержек вкл/выкл ключей.
- В реальной схеме динамические потери будут больше статических.
- При «жестком переключении» тепловыделение возрастает до 5 раз.
После окончания периода «накачки» ток не сразу снижается до нуля. Накопленная энергия в контуре в первые такты свободных колебаний частично будет рассеиваться на внутренних диодах IGBT, это дополнительное тепловыделение.
Сам драйвер добавит длительности фронтов включения/выключения.
Сквозной ток всегда присутствует, мы его снижаем RD Цепочками, но не полностью убираем.
Суммарное тепловыделение на мостовой схеме из IGBT ключей 60N60SMD с ограничением по току 225 А, на частоте 180 кГц не может быть меньше 48 Вт. В реальной схеме мощность, выделяемая на силовых транзисторах будет выше. Думаю можно ориентироваться на значение 100 Вт при отлаженном предикторе.
При повышении температуры кристаллов ключей их характеристики существенно ухудшаются, что вызовет еще больший перегрев. И так далее лавинообразно.
При отключенных вентиляторах после 5 минут проигрывания температура поднялась с 25 до 40 градусов, второй радиатор с силовыми ключами - до 35 градусов. А потом стример влетел в первичку и модули измерения температуры сдохли. Не должны были, но это произошло. Жду новые из Китая. Пока опять постоянно работают на максимуме. После удаления изолирующих термопрокладок и распила радиатора палец совать опасаюсь...
Хотел сделать подробный отчёт, когда чистовой корпус запилю. Но, видимо, это будет совсем нескоро. Требуху электронной начинки тоже неудобно выкладывать - куча недоделок. Платы от канифоли не отмыты, провода не уложены.
Был печальный момент, когда я повредил вторичку, порвав несколько ее витков. После переделки решил, что просто покрыть лаком недостаточно. Теперь на вторичку надета защита из разрезанной вдоль вентиляционной трубы 125 мм, скрепленной термоклеем. Надо было двухсторонний скотч использовать - соединение внахлёст.
Про настройку контуров. Конечно я использовал различные калькуляторы. Опишу самое интересное. Поскольку изначально планировал настраивать первичный контур не подбором числа витков катушки, а подбором емкости то использую описанный выше MMC. При замене вторичной катушки или тороида приходится все настраивать заново.
Я экспериментировал с кучей разных резонаторов. В общем, процесс настройки очень простой.
Из расчетов и экспериментов я знаю минимальную емкость ММС для катушки без тороида (для моего конструктива это 33 нф) с нее и начинаю подбирать емкость в сторону увеличения.
Включаю прерыватель на небольшую длительность импульсов - около 20 мкс.
Постепенно добавляю емкость ММС - вблизи резонанса стример из коротенького - в несколько сантиметров пушистика вытягивается до 15-20 см.
Про полюса двух связанных резонансных контуров можно почитать на форуме в разных местах и других источниках. На практике это выглядит следующим образом. Емкость ММС изменяется в сторону увеличения, соответственно сначала частота резонанса первичного контура выше, чем у вторичного. Длина стримеров достаточно быстро возрастает при приближении к резонансу. При увеличении времени накачки возникает ощущение, что стримеры лезут «изо всех щелей», т.е. с любой неоднородности тороида. При проигрывании мелодий ощущение, что звук немного более «шипящий». Очень хорошо воспроизводятся и короткие и длинные импульсы, на слух это диапазон регулирования громкости отдельных нот.
По мере увеличения ММС частота резонанса первичного контура снижается. Мелких «левых» стримеров с поверхности тора становится меньше. Звук становится более резким. При дальнейшем понижении частоты резонанса первичного контура звук становится «рваным». Стример выше определенной длины (соответственно при превышении определенного порога длительности импульса) снижает резонанс вторички и энергия первички как бы всплеском передается во вторичную. Выглядит это при проигрывании музыки как уменьшение «пушистости разрядов» и увеличении на 10-15 см их длины. Возникает как бы порог. Тихие звуки играют еще тише, при преодолении определенного порога громкость и длина скачком увеличивается. Все, что я описываю характерно для моей конструкции, у других авторов я этого описания не видел. Читал только, что стример немного длиннее на нижнем полюсе.
Прибавка длины стримера - это хорошо, но ухудшение чистоты мелодии мне не понравилось. Подбираю резонанс чуть ниже верхнего полюса, чтобы звук оставался чистым.
Статистика.
Ограничение по току 240 А. Регулирую длительность импульсов в режиме прерывателя. После 65 нс громкость не растет, длина стримеров не увеличивается (срабатывает защита). Максимальная длина стримера всегда на более высокой частоте, на частоте 730 Гц (при более высокой коэффициент заполнения больше 0.05, стараюсь его не превышать) около 60-80 см. Если первичный контур пониже настроить, как писал ранее - добавляется десяток с небольшим сантиметров.
Ограничение по току 440 А, максимальная длительность около 120 мкс, частоту не поднимал выше 416 Гц, длина метр точно есть, но места на балконе уже нет. Шьёт в раму, стены, потолок, сколько максимум не знаю. Надо менять место тестирования и обеспечить хорошее заземление.
Теперь немного хронологии доведения до ума схемы.
Начну с того, что первоначально схема не запускалась. При касании входных цепей обратной связи запуск был, но неуверенный и работал, пока палец не уберу. Нашел выход - из свободных элементов логики драйвера собрал одновибратор. Он дает короткий импульс по фронту сигнала от прерывателя на вход схемы обратной связи. Этого оказалось достаточно для запуска.
При первых испытаниях на больших токах вылетали силовые ключи, при этом радиаторы были холодными. Позже я понял, что стример попадал в первичный контур и выбивал силовые ключи моста и драйвера. Доставалось и диодам Шоттки в затворных цепях силового моста.
Чтобы повысить надежность работы поднял повыше выше страйкринг (незамкнутый заземленный виток поверх первичной катушки. Землю подключал по рекомендованной схеме на этом форуме. На все провода, идущие к драйверу (GDT , оба токовых трансформатора, шлейф подключения SI) надеты ферритовые колечки, так чтобы минимум один виток через кольцо было. Результаты стали ощущаться только на среднем кольце (внешний радиус 26 мм) и числе витков более 4. Вообще на все соединительные провода (к прерывателю, вентиляторам и проч) надел ферритовые кольца.
Еще нашел, откуда высоковольтная бяка лезла в драйвер. Новые большие кольца GDT с нажимом прижимались к радиаторам (без изолирующих прокладок) силовых транзисторов. Как назло именно к тем, чей коллектор является выходом моста. Изоляция там была тонкая, площадь соприкосновения большая. Вот и лезла всякая гадость через паразитную ёмкость. Также не стоит забывать, что в последовательном колебательном контуре, образованном первичной обмоткой и батареей конденсаторов (а точнее в точке их соединения) возникает приличное напряжение в несколько киловольт. Провода нужно хорошо изолировать и проложить их подальше от сигнальных цепей.
Ниже схема-скан рисунка из блокнота. Может быть я найду время перерисовать ее по-человечески. Нарисовано только полмоста силового, причем плечи моста по схеме одинарные, у меня они двойные, у каждого транзистора свой комплект RD цепочек. Ещё на втором листе у меня схема блока питания, там ничего интересного, 5, 12 и 25 вольт, схема на параметрических стабилизаторах lm7805, lm7812, lm7825. Также схема силового выпрямителя на kbpc5010 и схема плавного заряда конденсаторов на 10 амперной релюхе и таймере 555серии.