BigTC

      3.7.2003 Vzhledem k tomu, že ve stávajícím SSTC musí pracovat polovodiče na hranici svých součastných možností (1,2 MHz), jsem se rozhodl namotat nový větší transformátor, který by měl také patřičně nižší rezonanční frekvenci. K tomuto účelu jsem si obstaral kus 43 cm PVC trubky průměru 6,3 cm a relativně tenký drát CuL 0,2 mm (ten jsem koupil v elektrobazaru Integra jako asi 1500m špulku). Podle výpočtu vycházela spotřeba asi na 380 m drátu při 2000 závitech. Tolik závitů se mi už nechtělo motat ručně. Zvláště u tak tenkého drátu, který se snadno zamotá a přetrhne. Proto jsem se zamyslel :) a postavil improvizovanou navíječku z vrtačky. K uchycení trubky sloužily dvě sklenice od kafe vhodného průměru. Jedna byla do trubky narvaná na fest (ano, trochu jsem ji obrousil ;-) a sloužila k přenosu točivého momentu. Ve středu jejího víčka jsem vyvrtal díru pro šroub, který jsem posléze upnul do sklíčidla. Druhá sklenice byla v trubce zasunuta volně a sloužila jako kluzné ložisko. Celé jsem to vypodložkoval různým harampádím co bylo po ruce a zatížil pytlem s maltou. Vrtačka má sice tyristorovou regulaci otáček, ale minimální otáčky se mi zdály ještě příliš vysoké a tak jsem ji zapojil přes regulák. Ještě jsem ukotvil špulku s drátem a začal motat:

winding machine winding new secondary winding new secondary wounded secondary

      Zpočátku mi to moc nešlo a po pár desítkách závitů mi vyskočil drát ze stopy. To znamenalo zastavit, odmotat kus zpět a najet znovu. Ale tak po třetině jsem se docela rozjel a zbylé dvě třetiny namotal rychleji než tu první. Celé motání mi trvalo asi 3/4 hodiny. Pak přišlo na řadu lakování. Na kalafunu v lihu jsem po předchozích trablech zanevřel a raději neriskoval. Koupil jsem bezbarvý akrylátový lak ve spreji a vinutí několikrát nastříkal. Sice jsem za něj vypláznul kilo, ale výhody jsou zřejmé - rychlé schnutí, homogenní vrstva, vyšší mechanická a chemická odolnost...
      Protože jsem pro tento transformátor od začátku zamýšlel použít výhradně SSTC/VTTC buzení, bylo třeba docílit velkého činitele vazby primáru a sekundáru. A tak jsem primár namotal jako 13,75 závitu na PVC trubku průměru 11,2 cm. Po předchozích zkušenostech s ohýbáním silného Cu drátu (který je zbytečně předimenzovaný, ale vypadá cool ;-) jsem zvolil něco tenčího-izolovaný drát 2 mm. Vinutí jsem se snažil trochu roztáhnout, aby neležel závit na závitu. Na spodek trubky jsem pak namotal feedback vinutí 16 z s odbočkami 2 a 8 závitů. Zde jsou detaily o vinutích. Primární vinutí jsem taky přestříkal lakem, aby se na trubce fixovalo. Podstavec jsem udělal už klasicky z plexiskla (můj oblíbený materiál). A tady jsou všechny tři moje TC:

all TCs photo

      17.7.2003 Ladění: Rezonanční frekvenci jsem předtím nijak nepočítal, až později jsem si spočítal, že by to mělo být kolem 370 kHz. Můj odhad byl kolem 0,5 MHz. Pro usnadnění potřebných výpočtů jsem naprogramoval v PHP jednoduchý elektro & TC kalkulátor. Nyní přišel čas to změřit. Myslel jsem si, že nejjednodušší bude připojení na SSTC budič s bipolárním tranzistorem a odečtení frekvence generovaného elektromagnetického pole na čítači. To jsem se ovšem mýlil. Z nějakého důvodu budič kmital někde kolem 800 kHz. Po prohození vývodů feedbacku to bylo zas někde na 320 kHz. A teď si vyber, člověče. V obou případech bylo sršení dosti slabé, horší než s původní TC.
TC secondary tunning       Když jsem začal zkoumat příčiny tohoto jevu, zjistil jsem, že Teslův transformátor je poněkud složitější zařízení než jsem si původně myslel. Při měření rezonanční frekvence sekundáru f0 je třeba zavést budicí signál (druhý pól generátoru uzemněn) přes odpor (několik desítek kiloohmů) na spodek sekundáru a vršek nechat volně ve vzduchu jak je naznačeno na schematu vpravo. Nikoliv tedy přímým připojením k obou koncům cívky. Sekundár není izolovaný systém, ale je kapacitně svázán s okolím. Pro měření se hodí sinusový generátor, ale lze použít i obdélníkový TTL se střídou 50%. U obdélníků je zrada v tom, že spektrum jeho signálu obsahuje řadu lichých harmonických. Pak se může třeba stát, že naše TC s f0 = 300 kHz se vybudí nejen při nastavení generátoru na 300 kHz, ale i na 100 kHz, díky třetí harmonické.
      Pro hrubý odhad f0 nám postačí i obdélníkový generátor s ostrými hranami, který nemá střídu 50%. Nastavíme jeho frekvenci na několik kHz nebo desítek kHz a na osciloskopu si prohlédneme hrany signálu. Na čelech a týlech jsou vidět zákmity z nichž odhadneme f0. Po zvětšení to může vypadat třeba takto:

transient response

To je tzv. přechodová odezva systému. Pro upřesnění pak ladíme generátorem (pokud možno s 50% střídou) kolem této frekvence, dokud nenajdeme maximum.
      Pokud máme sinusový generátor (já mám jen takovou zbastlenou hrůzu R-C Wienn, která je hrozně nestabilní při přelaďování) stačí pomalu zvyšovat frekvenci od nějakých 100 kHz (u menších a středních TC) a sledovat na osciloskopu napětí na odporu R (já jsem použil 100 kohm). První maximum napětí odpovídá hledané f0. Pokud ladíme dále, čeká na nás překvapení v podobě dalších, o něco méně výraznějších maxim. Tyto další maxima jsou tzv. vyšší "módy", nikoliv harmonické. Nejsou totiž celočíselným násobkem základní (fundamentální) rezonanční frekvence f0. Jejich význam se pokusím vysvětlit na následujícím obrázku:
TC secondary modes
Např. kytarová struna se může rozkmitat tak, že uprostřed struny je jedno maximum, tzv. "kmitna" a na pevných koncích jsou tzv. "uzly". Ale může se rozkmitat i tak, že kmitny budou dvě - v prví a třetí čtvrtině a uzly tři - na koncích a uprostřed, atd. V prvním případě pak struna připomíná polovinu sinusovky - lambda/2 v druhém jsou pak oba obloučky, tedy celá vlna lambda. Lambda/2 je pro strunu fundamentální mód. Teslova cívka se spíše podobá píšťale s jedním otevřeným koncem. Na uzavřeném konci je uzel, na otevřeném kmitna. Fundamentální mód je tedy lambda/4. Nás zde zajímá rozložení napětí podél cívky. To se dá zjistit za chodu velice jednoduše. V konstantní vzdálenosti (co nejblíž, ale tak aby nemohlo dojít k přeskoku jiskry) pohybujeme podél sekundáru doutnavkou, nebo hrotem jehly a maximální svit/korona nám ukáže kmitnu napětí. Fundamentální mód znamená plynulý růst napětí s kmitnou nahoře, tedy největší napětí a nejvíc jisker.
      Pokud se TC vybudí na vyšší mód, můžou nastat problémy. Při vyšších výkonech může v místě napěťové kmitny dojít k průrazu mezi závity. V místech napěťových kmiten jsou uzly proudu a v napěťových uzlech kmitny proudu. Kmitna proudu by zas mohla přetavit tenký drát sekundáru. Proto je nutné před puštěním nové TC na plný výkon zkontrolovat na jakém módu vlastně rezonuje.
      Kmitočtová charakteristika pak může vypadat třeba takto (f0 = 94,5 kHz; frekvence vyšších módu nejsou přesně celočíselnými násobky základní harmonické):

TC secondary frequency response

      Doposud jsme uvažovali samostatnou sekundární cívku. Po připojení primárního rezonančního obvodu se to ještě trochu zkomplikuje. Vzniknou totiž dva (magneticky) vázané rezonanční obvody. Teorie k rezonančním obvodům je např. zde a zde. Pro jednoduchost uvažujme, že jsou oba nezávisle naladěny na stejnou frekvenci f0. Tvar kmitočtové charakteristiky jejich vzájemné impedance (Zt = U2/I1) pak výrazně závisí na činiteli vazby k a jakosti Q, přesněji na hodnotě výrazu k*Q. Činitel vazby je číslo v rozsahu <0..1>. Zjednodušeně řečeno udává, jak moc se projeví změny vzniklé v prvním rezonančním obvodu v obvodu druhém. Čím je číslo vyšší, tím je vazba silnější. Odhad lze učinit z geometrického uspořádání cívek. Čím více jsou vinutí těsněji na sobě a čím více závitů obou vinutí se překrývá, tím je vazba silnější. Pro SSTC/VTTC je výhodná co největší vazba, ale je třeba dát pozor na přeskoky jisker mezi primárem a sekundárem. Q je činitel jakosti obou obvodů, Q = sqrt(Q1*Q2) - geometrický průměr dílčích jakostí. Q paralelního rezonančního obvodu je pak obecně dáno jako poměr reaktanční složky X ku odporové (ztrátové) složce R. U TC se dosahuje Q na prázdno v rozsahu zhruba 50 - 100. Pokud je hodnota k*Q<1, jde o podkritickou vazbu. Frekvenční charakteristika má jedno ploché maximum. Pokud k*Q = 1, jde kritickou vazbu, maximum je stále jedno, ale s nejstrmějšími hranami křivky (nejmenší šířka pásma). A pokud k*Q>1 jde o nadkritickou vazbu, kdy vzniknou dvě maxima a uprostřed nimi pokles:

coupled resonant circuits ZT

V mojem konkrétním případě jsem změřil f0 sekundáru na 333 kHz, podle změřené indukčnosti primáru jsem zvolil kapacitu tak, aby primár rezonoval taky na 333 kHz a celé to pak proměřil znovu (tentokrát generátor připojen přes odpor na oba konce primáru). Zjistil jsem pak dvě maxima na frekvenci f- = 283 kHz a f+ = 410 kHz a mezi tím nic. Z těchto dvou kmitočtů a f0 lze určit k podle vztahu: k = (f0/f-)2 - 1 nebo k = 1 - (f0/f+)2. Pokud se výsledky obou vztahů liší, nejsou obvody přesně sladěné na f0. V mojem případě vyšlo k = 0,36. Všechna tato měření jsem prováděl s malým signálem z generátoru, ve skutečném provozu při větších výkonech se to může podstatně změnit. Vlivem ionizace vzduchu jiskrami se totiž výrazně mění vazba na okolí.
      Na webu jsem našel šikovný prográmek MANDK od Marka S. Rzeszotarskiho, který umí počítat primární a sekundární indukčnosti, kapacity, f0, Q a činitel vazby k v závislosti na posunutí primární cívky vůči sekundární. V mojem případě výsledky sedí docela přesně. Pozor, všechny míry je třeba zadávat v palcích (1" = 2,54 cm).
      Jak je vidět, TC je poměrně komplexní zařízení závislé na spoustě proměnných. Zatím zřejmě neexistuje dokonalý náhradní model, který by vystihoval všechny jevy. A tak čekám, čím mě Teslův transformátor ještě překvapí...

      6.10.2005 Jak už jsem napsal dříve u VTTC, další důležitou věcí je impedanční přizpůsobení. Dneska jsem provedl trochu podrobnější měření s cílem získat alespoň hrubou představu, jak se impedance TC a činitel jakosti Q mění v závislosti na intenzitě sršícího výboje.
      Program MANDK počítá Q0 (naprázdno) a i tak vychází přehnaně velká hodnota, u BigTC kolem 110. Pomocí generátoru jsem však naměřil jen 60. MANKD totiž nepočítá s dielektrickými ztrátami. Tím to však nekončí. Jakmile ze sekundáru vyšlehne výboj, nastane další pokles Q. Výboj si lze představit jako kapacitně-odporovou zátěž připojenou mezi vrchol sekundáru a zem. Kapacitní složka nám sekundár podlaďuje na nižší frekvenci (výboj je vodivá plazma, má tedy podobný efekt jako když na vrch posadíme kovový toroid) a odporová složka zas zatlumí rezonanční obvod (energie se ve výboji mění hlavně v teplo jako v odporu), čímž se sníží jeho impedance. To je samozřejmě reflektováno na primární svorky a pokud impedance poklesne pod hodnotu výstupního odporu budícího zdroje, dochází i k poklesu předávaného výkonu a zároveň proudovému přetěžování budicího zdroje (což uvidíme např. na rudnoucí anodě elektronky).
      Ze změřeného provozního Q se dá jednoduše spočítat nebo spíše odhadnou optimální indukčnost a kapacita primáru pro přizpůsobení danému zdroji. Má-li zdroj výstupní odpor Ri, pak provozní impedance na primárních svorkách by měla být rovna tomuto odporu, Zpri = Ri. Při vyladění do rezonance je pak XL = XC = Zpri/Q, z toho pak určíme indukčnost primáru a kapacitu kondenzátoru. Pracujeme s odhadem, takže není na škodu udělat na primáru pár odboček a vyzkoušet to.
      Měření jsem prováděl na BigTC napájené SSTC IGBT polomostem se zapnutou filtrací (220 + 390 µF) napájecího napětí. Proud jsem měřil jako úbytek napětí na 2 paralelně spojených odporech 0,5 ohmů s malou indukčností pomocí 2-kanálového osciloskopu Grundig MO 52 a příkon celého zařízení multimetrem Metex M-3860M s TrueRMS. V tabulkách jsou zapsány špičkové hodnoty, které jsem pro další výpočty přepočítal podle tvaru průběhů na efektivní hodnoty.
      V první tabulce je primár zapojen přímo k budiči jako klasická SSTC, na vrchu sekundáru je hrot ze kterého od počátku srší výboj (asi 1,5 - 5 cm).
V druhé tabulce je totéž zapojení, ale na sekundár jsem na hrot přidělal malou kovovou kuličku, takže výboj vyšlehnul až při vyšším výkonu.
Ve třetí tabulce je TC připojena přes sériový rezonanční kondenzátor 12,3 nF / 4,5k V jako DRSSTC. Na sekundáru je jen hrot, takže výboj srší od začátku:

tabulka a grafy měření Q

      24.12.2008 jsem na BigTC předělal vršek - přidal nový hrot a toroid.



Zpět

aktualizováno 16.4.2009 v 11:58

Aminokyseliny a aminokyselinové suplementy