Malé SSTC na vysoké frekvenci ve třídě E s filtrovaným napájením. Výboje do vzduchu až 5cm, do země 5,5cm oblouk hrubě obalený plazmou Velmi dobrý plasma speaker

 

Dříve jsem experimentoval s jednoduchým SSTC (VCO s 4046, jednočinný konec) a zkoušel audiomodulaci. No i při malém výkonu asi 70W to neskutečně topilo, že v misce s vodou se MOSFET pekl… Takže bylo na čase udělat nějaké sofistikovanější zapojení, jako je například třída E. Je to zapojení, kdy se paralelně k MOSFETu dá vhodná kapacita, která tvoří rezonanční obvod s indukčností primáru (ale nemusí mít stejnou rezonanční frekvenci jako provozní frekvence tesláku). Kapacitu kondenzátoru a indukčnost primáru se musí doladit do korektního Ečka, pak je účinnost velmi vysoká Ladění bude popsané níže…

Schéma hlavní desky:

Napájecí napětí koncového stupně je 24VAC z 150VA toroidu. Následuje zdvojovač s můstkem (když se spojí jeho střídavé vstupy, vzniknou 2 paralelní větve dvou diod v sérii = 2 diody 10A v sérii) a kondenzátory 4,7mF. V koncovém stupni jsem použil 2 MOSFETy IRF740 (400V, 40A pulzně, 0,55R, 125W, 35nC) paralelně. Ve třídě E mohou pulzy dosahovat výšky až 5*U_IN (změřeno) a proud údajně až 4*I_IN .

Schéma budiče: 

Celý budič je v malé uzemněné krabičce z cínovaného plechu (GES cca 25Kč…). Jsou zde 2 integráče. CD4046, z něhož je využito pouze VCO (napětím řízený oscilátor) a UCC27321 – invertující gatedriver. Co se týče funkce VCO…odpory 8k2 a 11k spolu s kondem 100p nastavují spodní a vrchní hranici frekvence. Napětím na pinu 9 se reguluje frekvence v tom pevně nastaveném rozsahu. Na regulaci je na hlavní desce potenciometr a navíc přes malý elyt CINCH. Při připojení audiosignálu se napětí na pinu 9 mění v rytmu hudby, tím se rozlaďuje frekvence. Jelikož TC je laděný rezonanční obvod, tak rozlaďováním se mění jeho výkon => výboj hraje hudbu a písnička by měla jít naladit na rádiu někde na středních vlnách. Zpátky k obvodu… výstup 4046 je signální a potřebuje zesílit. Já jsem zvolil gatedriver UCC27321, který je schopen dodat až 600mA RMS a pracuje do 105°C. Jednoduchým výpočtem I=Q*f pro 2 IRF740 a frekvenci cca 1,5MHz vychází I=105mA. Vstup gatedriveru je vhodné přizemnit odporem, jinak při odpojení od výstupu 4046 se může rozkmitat a shořet. To stejné platí o gejtu, nesmí zůstat odpojen, takže G-S zařadit odpor. Výstup gatedriveru je s gejty trandů spojen krátkým tenkým koaxem, kvůli nižší indukčnosti, je to docela kritické.

Sekundár je na PP trubce průměru 5cm, výška vinutí je cca 10cm, >450 závitů drátem 0,22mm. Primár má 7 závitů drátem 0,75mm2 na PVC trubce o průměru 7,5cm. Mezi závity jsou cca 3mm mezery, pro zvýšení vazby, výška vinutí je cca 3,5cm.
MOSFETy mají malý žebrovaný chladič (pravděpodobné od Celeronu ) 5*5*2,5cm a malý 5cm větrák (omezen na cca 0,3W). Myslím si, že na cca 275W příkon je to úspěch co se týče účinnosti

Ladění:

S třídou E se často spojují pojmy ZVS a ZCS – Zero Voltage (Current) Switching. Korektní průběh třídy E nastává, když při sepnutí MOSFETu je na D-S napětí 0V a teče tudy 0A. Jak je vidět na druhém oscilogramu, průběh na D-S MOSFETu připomíná půlsinus.

Podmínky pro třídu E:

• pulzy D-S musí mít tvar půlsinusu (při rozladění tam mám cca klesající pilu, to je špatně!)
• musí klesat k nule (při sepnutí FETu tam nesmí být kladné napětí, záporné tam být nemůže – substrátová dioda)
• napětí pulzu musí klesnou ještě chvilku před sepnutím FETu (to nemám úplně správně, ale jaksi mi to nešlo vyladit líp, no jako přidává to jen ztráty)
• při špatném naladění může po pulzu vzniknout další pulz až poloviční amplitudy, ikdyž má být MOSFET seplý (a kondenzátor zkratován). To je hodně špatně, účinnost jde o dost dolů!
• Průběh na gejtu by neměl mít zákmity jako je vidět na druhém oscilogramu. Experimentoval jsem dlouho, zabít se mi je nepovedlo – zase, jen to bude víc topit. Možná to je jen zarušená sonda osciloskopu – nevím

Výkon, výboje:

Při sršení do vzduchu je RMS napětí na filtraci asi 55V a proud 5A RMS, takže přibližně 275W. Při tahání oblouku kvůli klesnutí f₀ se proud zmenšuje, napětí na filtraci se zvyšuje díky nižšímu zatížení, ale i tak výkon klesne. Výboje do vzduchu jsou cca 4,5-5cm, oblouk cca 5,5cm, je velmi horký a svisle plazma dosahuje výšky až 8cm.

Audiomodulace:

Při rozladění pár kHz mimo rezonanci hraje opravdu čistě, bohužel výboje při 1,5MHz jsou ještě dost slyšet. Překvapilo mě zpracování basů, na mobilu jsem měl v ekvalizéru zesílené basy a výšky oproti středům a zapnutý bass booster. Basovalo to určitě líp a čistějc, než malý středobasák. Ale mikrofon foťáku jaksi ořezává nízké frekvence, takže na videu to slyšet není.

Fotky konstrukce:

Fotky výbojů:

Videa:

 

Zdroje, poděkování:

http://rayer.g6.cz/teslatr/microtc.htm#class-e
http://www.richieburnett.co.uk/hfsstc.html
http://uzzors2k.4hv.org/index.php?page=4MHzclassE1
http://uzzors2k.4hv.org/index.php?page=classecoil1
Jan Martiš