HF SSTC - 7,8MHz


HF-SSTC        VF plameňov som spravil už niekoľko, no všetko len s elektrónkami (HF-VTTC). Teraz som sa pustil do polovodičového, že si skúsim aj s tranzistorom niečo malé, jednoduché, samokmitajúce na vysokej frekvencií rádovo na MHz. Do rúk som si vzal overenú klasiku IRFP460, ktorých som mal zároveň aj dostatočné množstvo v zásobe (za lacno z aliexpress), ak by priebeh ladenia oscilátora nebol práve najlepší. Ako sa nakoniec ukázalo, celé to ladenie obvodu je veľmi citlivé a silno náchylne na vyladenie, polohu cievok, rozmery cievok, fyzické rozmiestnenie súčiastok atď. takže nakoniec, aj keď to vyzerá jednoducho, vôbec ani zďaleka to nie je také jednoduché vyladiť. Spraviť takýto VF plameň s elektrónkou je oveľa jednoduchšie, ako s tranzistorom. Toto tranzistorové zapojenie kvázi tesláku na vysokej frekvencií sa volá HF-SSTC alebo High-Frequency Solid State Tesla Coil. Tu patrí všetko, čo už beží rádovo na jednotkách MHz až desiatkach MHz.

       Cieľom, bolo si vyskúšať pokusne aj takéto zapojenie a tiež vidieť, ako sa bude správať plazma pri takto vysokej frekvencií. Vzal som si náhodne nejaké fungujúce zapojenie z internetu, ktorých je na internete dosť, nech mám nejaký základ a niečo, z čoho sa môžem odpichnúť a vychádzať. Prvotné zapojenie bolo od Lukáša Kovala. Nakoniec aj tak hodnoty súčiastok a cievky sú odlišné. Toto nie je typ zapojenia, ktorý by sa dal jednoducho odkopírovať, aj keď som tu na webe zverejnil schému s hodnotami súčiastok. V konečnom dôsledku si to musí aj tak každý sám naladiť, aby sa to vôbec rozkmitalo a robilo to nejaký plazmový plameň. Schéma je skôr principiálna a na konkrétne hodnoty súčiastok sa nespoliehať, že to takto aj Vám bude správne fungovať.

       Prvé testy prebiehali s náhodnými cievkami, ktoré som mal už z predošlých VF plameňov a náhodne skúšal, čo sa na akej frekvencií rozkmitá, či vôbec sa to rozkmitá a či to spraví nejaký výboj. Cievky, ktoré fungovali najlepšie alebo aspoň vôbec fungovali a sa to rozkmitalo, ostali tam a ladenie pokračovalo ďalej. Nemal som žiadnu cieľovú frekvenciu, proste spraviť to rádovo na MHz a uvidím, ako to pôjde a ako sa bude správať plazma.

       Neodporúčam toto zapojenie ladiť bez osciloskopu, fakt nie. Dá sa to, ale je to tápanie na slepo. Jedna sonda na gejte (Ugs) tranzistora a druhá sonda visiaca vedľa voľne vo vzduchu. Po celý čas sledujem, či sa to rozkmitalo, na akej frekvencií to kmitá a aké tam mám priebehy. Hlavne teda na gejte tranzistora. Odsledoval som si postupne, ako sa to správa a skúšal dolaďovať pre čo najväčší plameň. Každá zásadná chyba ma hneď stála jeden tranzistor. Postupne som ich zničil 8ks, no teraz to už beží stabilne v pohode aj 10 minút trvale a je to odolné, stabilné a tranzistor sa dá v pohode chladiť. Úplne prvotné skúšanie prebiehalo z laboratórneho napájacieho zdroja 30V 10A s nastavením limitácie prúdu. Vtedy som neodpálil žiadne tranzistory, pri poruche zdroj obmedzil prúd a bolo to OK. No neskôr som musel prejsť na nový napájací zdroj o vyššom napätí, keďže 30V sa ukázalo, ako dosť nízke napätie. Vzal som transformátory 2x 24V do série, veľkú vyskladanú filtráciu 13,7mF/100V a s autotranformátorom na reguláciu až do 82V pre napájanie. Tu to už začalo byť veselé, keď pri každej fatálnej chybe, jeden tranzistor dole :).

       V danom zapojení som reálne veľmi nič špecifické nepočítal, spoliehal som sa prioritne na osciloskop, podľa ktorého som to ladil. Výsledná frekvencia 7,8MHz je náhodná, ktorú som dostal skúšaním cievok, ktoré som tu už mal z predošlých projektov. Keď som už pochopil, ako sa to správa a ako ísť nato, potom to už nebol taký problém skúšať a testovať, kedy bude väčší plazmový plameň.

Popis zapojenia, ladenie a schéma:
       C1 je len čisto filtračný kondenzátor, L1 a C2 tvorí filter a dolnú priepusť. L1 musí mať väčšiu indukčnosť, ako L2. Prinízka indukčnosť L1 mi tiež už odpálila tranzistor. Niekde asi medzi 2-10uH (L1), by to malo byť OK. L2 s C3 a C4 tvoria sériový rezonančný obvod, ktorý určuje frekvenciu oscilátora (aj bez L3, ktorá nie je nutná pre funkciu oscilátora). C4 a C3 sú ako delič pre G tranzistora. Hlavná cievka, rezonátor L3 je zvyšujúca cievka v bode medzi LC, ktorá tiež pravdaže ovplyvňuje výslednú f0 oscilátora a potom podľa fyzického rozmiestnenia daných cievok sa mení frekvencia. Cieľom, je mať, čo najvyššie napätie v bode medzi L2 a C3, kde sa pripája rezonátor (hlavná cievka L3). Rezistory R1, R2, trimer P1 a zenerová dióda ZD1 tvoria obvod pre DC napätie do G tranzistora. Ja osobne vždy pri zapínaní obvodu, stočím trimer k nule, na GND. Potom nastavím napájacie napätie na 70V, následne točím s trimrom a postupne pomaly zvyšujem DC napätie do G tranzistora. V istom momente sa to rozkmitá a trimer nechávam tak, ako je. Pripadne len jemne pootočím ďalej, ale fakt jemne. Potom môžem ešte ďalej zvýšiť napájacie napätie na plných 82V. Nastavenie DC napätia do G sa ukázalo, ako dosť kritické pre stabilitu obvodu. Zvýšením DC napätia do G som síce získal väčší výboj a väčší výkon, ale zvýšila sa nestabilita a zakaždým to skončilo odpálením tranzistora. S hodnotou kondenzátora C4 som nehýbal, na G-S som mal správne napätie pre tranzistor, tak som to ďalej neriešil.

       Osciloskopom sa meria hlavne priebeh Ugs, podľa ktorého som to ladil. Prípadne pomocná sonda voľne visiaca vo vzduchu vedľa oscilátora. Tam človek hneď vidí, či je čistý pekný sínus na výstupe a ako sa počas ladenia mení napätie a VF pole okolo. Nakoniec pre kontrolu a prípadne doladenie skontrolovať napätia Ugs a Uds či to správne pracuje v triede E. Avšak tu vzniká problém skreslenia priebehov hlavne na Ugs vplyvom dvoch sond na tranzistore a vytvorenie tiež zemnej slučky (ja mám osciloskop cez oddeľovací transformátor). Možno by tu pomohli X100 sondy, ale čo s tou slučkou, čo vzniká svorkami. Každopádne, ladiť sa to dá a zas nie je to taký problém.

       Celá elektronika a oscilátor s cievkami je položený na uzemnenom chladiči na PE. Neuzemnený chladič robil problémy, hlavne išlo o rušenie okolitej elektroniky a vedľajší PC. Odpájalo USB zariadenia, myš, klávesnicu a celkom dosť to zmenilo priebeh na G tranzistora. Uzemnený chladič pod oscilátorom hneď aj zamedzuje rušeniu okolitej elektroniky a hlavne môj vedľa položený a zapnutý PC.

Schema

Fotky z postupného priebehu ladenia:
       Prvé fotky zapojenia, výbojov a tlejiviek pri cievke. Ešte stále v štádiu ladenia a skúšania. Na prvých fotkách mi to nechcelo ani len robiť výboj, ale VF pole okolo, bolo dostatočné na rozsvietenie tlejiviek. Neón v nich sa veľmi ľahko ionizuje. Potom na ďalších fotkách už vidieť aj samotný výboj, ktorý sa postupne zväčšuje v priebehu môjho ladenia a hrania sa s cievkami.

hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc

Zatiaľ finálne stabilné vyladenie:
       Pokračujeme ďalej a už tu máme zatiaľ finálne zapojenie a vyladenie pri ktorom nejaký čas zotrvávam. Konečne to už beží stabilne a neodpaľujem tranzistory. Celkovo ich padlo počas ladenia 8ks. Tiež môžem do toho dávať predmety a ťahať oblúčiky, dávať banky s plynmi do blízkosti cievok a je to OK stabilné a pekne to beží. Taktiež tranzistor nie je problém chladiť a nemá extrémne vysoké teploty. Neskôr, ako som pozeral na osciloskope, beží to v triede E, čo je aj ďalším cieľom dosiahnuť (priebehy dole).

Pridanie sódy bikarbóna (sodík):
       Tiež už vidieť na fotkách, že používam sódu bikarbóna. Jednak samotným vyladením sa mi podarilo ešte mierne predĺžiť výboj a tiež sóda je nato veľmi vhodná. Horiaci sodík a výpary do vzduchu z horenia ešte značne vedia predĺžiť výboj dohora. Na niektorých fotkách je aj vidieť mrak z horenia sódy, ktorý ešte ťahá tu plazmu dohora. Na videách potom tiež pekne vidieť porovnanie so sódou a bez sódy, aký je výboj. Preto si aj všímajte po videách na YouTube u ľudí, či je to plazmový plameň so sódou alebo bez nej, či je ten výboj reálne prirodzene takto veľký alebo je natiahnutý do výšky so sódou pripadne soľou (sodík – žltá farba plazmy). No ja uprednostňujem sódu bikarbóna, lebo je jemná a ľahko sa lepí na mokrý hrot.

hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc



Plazma bez pridania sódy bikarbóna + výboj do ruky:
       Ešte pár fotiek plazmy výboja bez sódy bikarbóna, ale to už nie je také zaujímavé, ako so sódou. Len výboj dohora. Všimnite si tiež, že to nerobí úplne žltú plazmu, ale je tam aj fialová časť plazmy. Nie je to len pre výkon, ale má nato vplyv aj nízka frekvencia 7,8MHz. Pre čisto žltú kolmú plazmu nahor to chce už ísť nad 10MHz. Ide o závislosť kapacitného prúdu do plazmy výboja do vzduchu od konkrétnej frekvencie. Čím je frekvencia oscilátora väčšia, tým väčší kapacitný prúd pôjde do plazmy a tým bude plazma mohutnejšia od väčšieho prúdu. Zároveň, daný prúd a výkon musí byť schopný obvod aj dodať. Čím je frekvencia vyššia, tým väčší výkon je potrebný na rovnakú dĺžku výboja.

       Nakoniec aj nejaký ten výboj do ruky. No ešte dodatok k bezpečnosti ! VF zložka v MHz nekope a je bezpečná, má len tepelné účinky, výkon tu nie je veľký, tak to je OK. Avšak výstup cievky, kde dávam ruku do výboja je priamo napojený na napájací DC zdroj 82V ! Spodok, mínus pól zdroja je uzemnený aj s chladičom na PE ! Takže pri dobrom spojení so zemnou uzavriete cez seba okruh DC zložky cez plazmu výboja. Potom už vzhľadom na veľkosť napätia a výkon zdroja to môže byť aj nebezpečné. Treba si uvedomiť, čo je ako zapojené a uzemnené. Toto nie je, ako klasické TC s primárnu a sekundárnou cievkou. Túto je to relatívne bezpečné a OK, ale pri takom HF-VTTC s elektrónkou by to bolo už smrteľné alebo pri nejakom inom HF-SSTC o väčšom výkone s vyšším napájacím napätím taktiež. Ja som sedel na stoličke a bol som dobre izolovaný od okolia, takže som necítil vôbec nič.

hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc



Priebehy z osciloskopu:
       Prvé tri priebehy sú aktuálne teraz v zapojení. Na prvom obrázku vidieť Ugs (Ch1) a priebeh z voľne visiacej sondy vedľa oscilátora a cievok (Ch2). Potom na druhom a treťom obrázku sú priebehy Ugs (Ch1) a Uds (Ch2), pekne vidieť, ako pracuje v triede E, je tam nejaký malý posun, ale to nemá cenu riešiť, je to OK. Na poslednom štvrtom obrázku vidieť dosť pekný a čistý priebeh Ugs (Ch1), ktorý sa mi podarilo dostať v priebehu ladenia, no v závere pri najväčšom plazmovom výboji, som už takýto pekný nemal. Druhá sonda je opäť voľne visiaca vo vzduchu (Ch2). Ideálne to asi nikdy nebude, chce to nejaký kompromis a hlavne nech to beží stabilne. Všetky sondy sú X10, takže podľa toho si prepočítať. Tiež vidieť na priebehoch rozdiel na Ugs medzi prvým obrázkom a ďalšími dvoma. To bude robiť bordel ďalšia sonda a zemné spojenie medzi sondami na Ugs a Uds. Osciloskop ide cez oddeľovací transformátor, no vzniká slučka sondami.

osciloskop osciloskop osciloskop osciloskop

Bez hlavnej cievky L3:
       Ako som už vyššie písal v článku, obvod funguje aj bez L3 cievky (rezonátora). Potom sa s tým dajú robiť tiež zaujímavé veci a pokusy. V cievke a okolo cievky da sajú pekne rozsvietiť žiarivky a malé tlejivky, ale už nie všetky s neónom. Tie veľké už nerozsvietilo. Tak aspoň takáto malá ukážka, že to funguje aj takto. Bežalo to bez L3 na 9MHz. Na vstupe som mal 50V a ešte jedno video k tomu.

osciloskop hf_sstc hf_sstc hf_sstc



Klasická čínska plazmová guľa a 7,8MHz:
       Pravdaže nemohol som ešte neskúsiť, ako bude vyzerať klasická plazmová guľa vedľa tohto HF-SSTC bežiaceho na 7,8MHz. Pôvodne jej bežná farba plazmy je tu v tomto článku o plazmovej guli, kde som skúšal aj jej upgrade s 25kVp 22,5kHz VN zdrojom, neskôr som ju skúšal vedľa 11MHz cievky na HF-VTTC IV s GU-5B a teraz vedľa tohto na 7,8MHz. Plazma je opäť biela a vyzerá to veľmi zaujímavo. Viac na videu.




1.2. 2020

Zvýšenie výkonu !
       Pokračujeme ďalej a máme tu ešte väčší výkon ! Čo sa vlastne zmenilo ? No dokopy ani veľa nie. Zmenila sa výška napájacieho napätia. Zapojil som obvod bez dvoch 24V transformátorov priamo na sieť cez regulačný autotransformátor RA10 a oddeľovací 5kVA transformátor (len nedávno dorobené zásuvky v stole cez 5kVA oddeľovací transformátor). Získal som tvrdý zdroj bez obmedzenia výšky napájacieho napätia pre HF-SSTC. Tu už prichádzalo na rad aj meranie drainového napätia Uds na tranzistore IRFP460. Zaujímalo ma už, aké je tam špičkové napätie a do akého veľkého napájacieho napätia reálne môžem ísť. Ukázalo sa, že hranica je 100-110V na vstupe, kedy mi to bežalo stabilne a bez deštrukcie tranzistora. No pracuje to už na hranici svojich možnosti, ale nie deštruktívne.

       Tento obvod fakt potrebuje pre veľký plameň dostatočné napätie do 100V inak to nebude mať poriadny plazmový plameň. Vyladiť solídne na 30V napájania to nepôjde, chýba napätie. Prikladám aj znova schému na ktorej sa toho veľa nezmenilo. Je už nutný výkonnejší rezistor R1.

Schema

       Prikladám ešte pre zaujímavosť priebehy z osciloskopu, keď som skúšal, čo ešte znesie tranzistor. Žltý priebeh je Uds špičkovo až na 552V (DS hodnota pre IRFP460 je Uds=500V) ! Zvyčajne som sa držal na hranici 500V resp. prekračoval na 520-530V úplne bežne. To je taká hranica, kedy to ešte IRFP460 zvláda. Pravdaže aj viac topí. Moderné nové tranzistory by už dávno odpálilo. Modrý priebeh na osciloskope je sonda voľne položená na stole pre meranie výstupu. Vzhľadom na polohu sondy a či visí alebo je položená sa deformuje priebeh a nie vždy odpovedá realite.

       Tiež je nutné upozorniť, ak by niekto meral taktiež napätie na draine tranzistora, nepoužívať bežné X10 sondy do 600Vpk ! Zničíte ich, už tu mám nejaké X10 sondy so zničenou kompenzáciou prerazením kondenzátora v sonde. Problém je vysoká frekvencia 7-8MHz, pri ktorej rýchlo klesá nadol špičkové napätie merateľné so sondou (pozrieť graf závislosti napätia a frekvencie priloženého k sonde). Používam tu VN sondu X100 2,5kVpk 300MHz.

osciloskop

Fotky plazmového plameňa:
       Ako je už hneď na prvý pohľad vidieť v porovnaní s predošlými fotkami, výboj bez sódy bikarbóna je výrazne predĺžený a už ta sóda ani nie je taká nutná, a nerobí až tak veľký a drastický rozdiel vo veľkosti plazmy výboja do výšky. Rozdiel tam bude stále, ale vidieť tu veľké zlepšenie. Skvelé ! Znova dva albumy fotiek. Bez sódy, len čisto medený hrot a potom s pridaním sódy bikarbóna pre porovnanie výbojov.


Plazma bez pridania sódy bikarbóna:

hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc




Plazma so sódou bikarbóna:

hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc



Menšia úprava schémy zapojenia a testovanie odolnosti tranzistora (8,7MHz):
       Toto už je len čisto pokusné zapojenie. Skúšal som pripojiť hlavnú sekundárnu cievku L3 na drain tranzistora (plus prehodenie polarity primárnej cievky L2). Zaujímalo ma, ako sa to bude správať plus naďalej som skúšal ladiť zapojenie. Teraz to beží aj na vyššej frekvencií 8,7MHz. Mal som aj väčší problém s rušením a bordelom do filtračných kondenzátorov, čo malo aj vplyv na brum a veľkosť plazmy. Vyriešil to kondenzátor 220n a na osciloskope bolo pekne vidieť, ako sa výrazne odstránil VF bordel. Tiež stíchol plazmový plameň a predĺžil sa do výšky. Upravoval som polohu primárnej cievky L2 voči sekundárnej cievke L3. A na záver som skúšal, aký je odolný tranzistor IRFP460 a čo znesie. Pridal som mu ešte vyššie napätie hore nad 110V a na krátke časy pridával a uberal, čo zvládne a čakal, kedy to buchne.

       Tiež sa tu objavil nový problém a to je rázové kmitanie. Kedy od určitého napätia na vstupe sa to začalo prejavovať. Je to nežiadúci jav a znižuje účinnosť oscilátora. No mne sa aj napriek tomu plazma výboja ešte viac predlžovala. Muselo tam ísť veľa špičkového výkonu a to potom aj následne odrovnalo tranzistor perfektným záverečným výbuchom pri skvele zachytenej momentke. Teraz som už razantne prekračoval parametre tranzistora Ugs a Uds, ale presné hodnoty neviem, už som tam nedával sondy osciloskopu. Taktiež, ako začalo rázové kmitanie, ale aj všeobecne som tu mal väčší VF bordel, rušilo to multimeter. Čiže ani neviem presne, koľko som mal na vstupe... niekde vyššie nad 110V som bol.

Schema

hf_sstc hf_sstc

Fotky:
       Na záver ešte posledný album fotiek a video už v extrémnom zapojení a výkone pre IRFP460. Na poslednej fotke pekne zachytená explózia tranzistora ! Žiadnu sódu bikarbóna som na hrot nepridával.

hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc
hf_sstc hf_sstc hf_sstc hf_sstc



© copyright 2010 - 2020   |   Jakub Tejiščák   -   tesla.kubo(zavináč)gmaiI(bodka)com