SSTC - teslův transformátor s polovodičovým budičem

    Na zahraničních stránkách je označován zkratkou SSTC neboli Solid State Tesla Coil. Používají se dva základní druhy. Jednodušší z nich je principielně stejný jako VTTC, tedy zpětnovazební, ale místo elektronky je použit bipolární, případně i unipolární tranzistor.
    Podstatně složitější, ale mnohem výkonnější je můstkové zapojení. Používá se buď poloviční můstek, kde protější stranu tvoří kapacitní dělič nebo plné můstkové zapojení, kde je na obou stranách komplementární dvojice unipolárních tranzistorů MOSFET, pracující v protifázi. K napájení se používá přímo usměrněná síť, takže VN trafo odpadá.
   U obou verzí se volí co nejtěsnější vazba mezi primární a sekundární cívkou. Používá se proto válcová primární cívka. Sekundární cívka musí být vinuta silnější vodičem, jinak by se díky vysokému střednímu výkonu zahřívala.

Koncový stupeň můstkového SSTC

    Tranzistory T1 a T2 střídavě připojují jeden konec cívky na kladné nebo záporné napětí. Čas sepnutí a rozepnutí musí být co nejkratší, jinak vzniká na tranzistorech ztrátový výkon, který je značně zahřívá a je tím větší čím vyšší je frekvence spínání. Ve chvíli, kdy je sepnut T1 prochází proud přes primární cívku a dělič C1, C2, čímž vznikne kolem cívky magnetické pole. Při následném rozepnutí T1 a sepnutí T2 teče proud přes cívku opačným směrem a magnetické pole kolem cívky se přepóluje. Díky této velice rychlé změně se v sekundární cívce naindukuje docela vysoké napětí. Toto napětí není dáno jen poměrem počtů závitů, jak tomu je u klasického tesláku, protože se zde uplatňuje vyšší rychlost změny magnetického toku. Kondenzátory C1 a C2 zároveň slouží jako blokovací kapacita napájecího napětí. Místo děliče C1, C2 lze zapojit primár i přes vazební kondenzátor jako u audio zesilovače, ale napájení musí být stejně blokováno dalším kondíkem, takže se nic neušetří. Existuje ještě jeden zvláštní případ připojení primáru, a to je připojit ho přes takovou kapacitu, aby spolu s indukčností primáru tvořil sériový rezonanční obvod naladěný stejně jako primár. Rozkmit napětí na primáru se tak znatelně zvětší, ale také se zvětší odběr. Takto zapjený kondenzátor musí být na musí vyhovět parametrem dU/dt - chce to použít sérivo-paralelní kombinaci impulzních kondíků.


    U plného můstku jsou sepnuty vždy dva tranzistory do kříže (T1 a T3 nebo T2 a T4). Rozkmit napětí na cívce je u plného můstku teoreticky dvojnásobný. U této varianty se do série s cívkou zapojuje kondenzátor s kapacitou asi 1 uF poskládaný z paralelní kombinace kvalitních fóliových kondenzátorů třídy X2. Kapacitní dělič je zde vypuštěn, takže musí být napájení blokováno kondenátory C1 a C2 třídy X2 s kapacitou asi 1uF.


    MOSFETy mají integrovanou "ochrannou" diodu, zapojenou mezi vývody S a D. Ta je však dosti pomalá a musí být vyřazena z činnosti. To se provede pomocí schottkyho a rychlé diody zapojené podle schématu nahoře. Na místě schottkyho diody se používá často například 1N5822 a na místě rychlé diody je třeba použít typ s co nejkratší dobou zotavení a proudem alespoň několika ampérů (já používám typ MUR860 I=8A, U=600V, trr=35ns). Diody kolem každého tranzistoru pochopitelně nejen integrovanou diodu vyřazují z obvodu, ale také přebírají její funkci, takže musí být dimenzovány na dostatečný výkon.
    Pro vysvětlení funkce ochranných diod (pro poloviční můstek) vezměme v úvahu situaci, kdy je sepnut T1. Primárem teče proud. Nyní T1 rozepne a T2 zatím zůstává uzavřen (tento časový úsek se anglicky označuje dead time). Magnetické pole kolem primáru zaniká, což je změna magnetického toku ΔΦ a při změně magnetického toku se v cívce indukuje napětí, ale s opačnou polaritou. V okamžiku, kdy toto napětí přesáhne napájecí napětí, otevře se dioda D4 a proud začne téct přes C1, C2, které musí být připojeny co nejblíže u diod D1 a D4. Díky tomu by napětí na tranzistoru nemělo přesáhnout průrazné napětí. Následně sepne tranzistor T2 a přebere proud diodou D4. Obdobně funguje i D2. Zde je tedy vidět, že čím kratší bude doba, kdy není sepnut žádný tranzistor, tím menší bude ztrátový výkon na D2 a D4. Mezi G a S každého tranzistoru se zapojují dvě anti-sériově zapojené 15V nebo 18V zenerky. Místo zenerek lze použít i obousměrný transil, který však má sám o sobě docela velkou kapacitu. 


Napájení můstkového SSTC

    SSTC lze napájet několika způsoby. První možností je jednocestné usměrnění, kdy se využívá jen jedna půlvlna sítě. Výboje hučí kmitočtem 50Hz a vytažený oblouk je díky přerušování dost slabý. Výhodou je nižší střední výkon, takže lze budit cívku vyšším špičkovým výkonem a dosáhnout delší výboje. Druhou možností je usměrnění můstkem - využití obou půlvln. Střední výkon je dvojnásobný a díky menším mezerám mezi půlvlnami jde táhnout docela solidní oblouk. Výboje se mi zdají tišší a hučí kmitočtem 100Hz. Jinou možností je usměrněné napětí filtrovat elektrolytem. Výboje pak jsou nepřetržité a je slyšet jen syčení. Střední výkon a také oblouk je maximální. Další možností je SSTC napájet přes fázový regulátor s tyristorem nebo triakem s usměrňovačem. Je-li úhel sepnutí nastaven na 90° (špičkové napětí sítě), jsou výboje poněkud "vychrtlé" a vypadají asi jako u klasického tesláku a jsou dost hlučné. Střední výkon je poměrně nízký.
    Všechny metody však mají nevýhodu v tom, že SSTC dodává do cívky vzhledem ke klasickému tesláku značný střední výkon a tím vpodstatě limitují maximální délku výbojů, která je při půlvlnném usměrnění a příkonu asi 1000VA "jen" nějakých 50cm, zatímco u klasického TC je to kolem 1,5m. Výboje lze prodloužit jedině zvýšením budícího výkonu, ale to už je potřeba použít opravdu masivní MOSFETy.
    Problém s délkou výbojů odstraňuje až tzv. ISSTC, který je napájený vyhlazeným napětím, ale budič pracuje vždy jen krátku chvíli a pak je realtivně dlouhá pauza a tím se sníží střední výkon.

Budič můstkového SSTC

    Nejdůležitější součástí je budič, řídící gejty výkonových MOSFETů. Řídící elektroda MOSFETů má proti vývodu S poměrně vysokou kapacitu. U malých tranzistorů to není ani 1nF, ale u vysokonapěťových typů se tato kapacita pohybuje v jednotkách až desítkách nF. Při spínání na nízkých frekvencích je tato kapacita vcelku zanedbatelná, ale např. při 1 MHz by už tekl poměrně značný kapacitní proud, a proto se jeví jako výhodnější frekvence pod 300kHz. U SSTC je třeba zajistit na gejtech obdélníkový signál s co nejstrmějšími hranami. Napětí na gejtu sepnutého tranzistoru musí být alespoň 8V a na rozepnutém nejlépe záporné, aby se předešlo možnosti nechtěného otevření v důsledku rušení. Tranzistory je navíc nutné řídit přes budící transformátor - GDT (Gate Drive Transformer), protože jejich emitory nejsou na stejném potenciálu, a to celé zapojení ještě více komplikuje. V zahraničních návodech často naleznete schémata sice velmi kvalitních budičů s hranami hodně pod 100ns, ale ty téměř vždy obsahují u nás patrně nesehnatelné speciální obvody. Proto je často třeba improvizovat z dostupných součástek, a pak to často dopadá jako na obrázku níže.
    Budiče se dají rozdělit na několik druhů. Nejjednodušší z nich generuje signál s pevně nebo ručně nastaveným kmitočtem. Jde v podstatě jen o napětím řízený oscilátor s tvarovačem a výkonovým zesilovačem, schopným budit budící transformátor. Nevýhodou je, že při narůstání délky výboje se rezonanční kmitočet sekundáru snižuje a ten se odlaďuje od nastavené frekvence. To lze částečně vyřešit podladěním budiče, takže se s narůstající délkou výboje sekundár doladí do rezonance a výboje se mírně prodlouží. Lepší metodou je v závislosti na okamžitém napájecím napětí na koncovém stupni, na kterém je přímo závislá délka výboje, rozlaďovat směrem k nižšímu kmitočtu budič. Pokud se nastaví vhodná úroveň rozlazování, bude sekundár téměř v rezonanci a výboje se prodlouží a stiší.
    Druhým typem je zpětnovazební budič, který udržuje cívku stále v rezonanci. Do pomocného vinutí nebo anténky se indukuje VF napětí ze sekundáru. Toto napětí se tvaruje na obdélník, zesílí a přivede na vstup budícího trafa. Pro rozběh je však potřebný nějaký oscilátor, který se pak odpojí.
    Posledním typem je budič s fázovým závěsem, který rovněž udržuje budič v rezonanci se sekundárem. Zpětnovazební signál se opět odebírá z pomocného vinutí nebo anténky. Tento signál se přivádí spolu s kmitočtem místního VCO na vstup fázového diskriminátoru, jehož výstup dolaďuje kmitočet VCO na stejný, jako rezonanční kmitočet sekundáru. Výhodou je, že není potřebný rozběhový oscilátor.

Budící transformátor - GDT

    Na strmost hran má velký vliv také provedení budícího transformátoru - vinutí by mělo být kvůli co nejsilnější vazbě provedeno trifilárně (stočí se 3 vodiče a vinou se jako jeden) a jádro musí být z kvalitního feritu. Při nízké vazbě může vzniknout následující problém, se kterým jsem si dlouho nevěděl rady. Indukčnost sekundárního vinutí spolu s kapacitou gejtu tvoří rezonanční obvod, který bohužel často rezonuje právě na kmitočtech které, používáme. Za hranami budícího signálu pak vznikají nepříjemné tlumené kmity, které značně přesahují 15V, takže je pohlcují zenerky, které pak nadměrně topí.

    Tlumené kmity lze do značné míry omezit sériovým rezistorem s odporem několika ohmů, který však zároveň prodlužuje hrany budícího signálu a tím i "dead time". Pokud je však vazba mezi vinutími dostatečně silná a budič má nízký výstupní odpor, tak jsou kmity pohlceny budičem. A aby toho nebylo málo, tak se ještě velmi nepříznivě projevuje tzv. Millerova kapacita, což je parazitní kapacita mezi D a S tranzistoru. Vezmeme-li v úvahu, že při sepnutí tranzistoru "spadne" napětí na D až o nějakých 300V a to během několika desítek ns, tak to logicky vyvolá značný proud zmiňovanou kapacitou, který působí proti proudu budícího vinutí. Také z tohoto důvodu je třeba dodržet co nejsilnější vazbu.

Několik zásad pro SSTC

1. Vývody kapacitního děliče u polovičního můstku připojit co nejblíže rychlým diodám D2 a D4. U plného můstku musí být blokovací kondenzátory připojeny co nejblíže k rychlým diodám.
2. Konce primární cívky připojit co nejblíže k rychlým diodám a teprve odtud vést spoj k MOSFETům.
3. Vývody budícího transformátoru připojit co nejblíže k MOSFETům - vyvarovat se společného spoje pro silový obvod a budící obvod, resp. zkrátit tento úsek na minimum.
4. Veškeré propojení v silové části provést co nejsilnějším a nejkratším vodičem.
5. Veškeré silové spoje na desce plošných spojů vytvořit co nejsilnější, nejkratší a pocínovat je silnou vrstvou cínu.

Poslední aktualizace: 20.5.2004

webzdarma.cz