Простой ZVS-драйвер на MOSFET
«ZVS-драйвер» (Zero Voltage Switching) — очень простой и поэтому довольно распространенный низковольтный генератор. Он собирается по несложной схеме, при этом эффективность данного решения может достигать 90% и выше. Для сборки устройства достаточно одного дросселя, пары полевых транзисторов, четырех резисторов, двух диодов, двух стабилитронов, и рабочего колебательного контура со средней точкой на катушке. Можно обойтись и без средней точки, и об этом поговорим далее.
В сети можно найти много реализаций этой схемы, среди которых индукционные нагреватели, индукционные плитки, высоковольтные трансформаторы, и просто высокочастотные преобразователи напряжения. Схема напоминает генератор Ройера, однако это не он. Давайте же рассмотрим, как эта схема работает.
При подаче питания на схему, ток начинает течь к стокам обоих полевых транзисторов, одновременно с этим заряжаются емкости затворов через резисторы. Поскольку полевые транзисторы не полностью одинаковы, один из них (например Q1) открывается быстрее, и начинает проводить ток, при этом через диод D2 разряжается затвор другого транзистора Q2, который удерживается таким образом надежно закрытым.
Поскольку в схему включен колебательный контур, напряжение на стоке закрытого полевого транзистора Q2 сначала возрастает, но затем понижается, переходя через ноль, в этот момент затвор открытого полевого транзистора Q1 быстро разряжается, и открытый первым транзистор Q1 теперь запирается, а так как он теперь заперт, то на его стоке уже не ноль, и затвор второго транзистора Q2 быстро дозаряжается через резистор, и второй транзистор Q2 теперь открывается, при этом разряжая через диод D1 затвор транзистора Q1.
Через пол периода все повторяется с точностью до наоборот — второй транзистор закроется, а первый — откроется, и т. д. В контуре возникнут таким образом синусоидальные автоколебания. Дроссель L1 ограничивает питающий ток, и сглаживает небольшие коммутационные выбросы.
Легко заметить, что запирание обоих полевых транзисторов происходит при нулевом напряжении на их стоках, когда ток в контурной катушке максимален, а это значит, что коммутационные потери сведены к минимуму, и даже при мощности устройства в 1 кВт (например для индукционной плавки), ключам нужны лишь небольшие радиаторы. Это как раз и объясняет большую популярность данной схемы.
Частоту автоколебаний можно легко вычислить по формуле f = 1/(2π*√[ L*C]), так как индуктивность первичной обмотки (если используется трансформаторное включение) и емкость конденсатора образуют контур, обладающий собственной резонансной частотой. Важно при этом помнить, что амплитуда колебаний будет по напряжению больше напряжения питания приблизительно в 3,14 (Пи) раза.
Вот типичные компоненты, которые используют для сборки: пятиваттные резисторы по 470 Ом, для ограничения тока заряжающего затворы; два резистора по 10 кОм, для подтягивания затворов к минусу; стабилитроны на 12, 15 или 18 вольт, дабы уберечь затворы от превышения допустимого напряжения; и диоды UF4007 для разрядки затворов через противоположные плечи контура.
Полевые транзиcторы IRFP250 и IRFP260 хорошо подходят для данного ZVS-драйвера. Естественно, если потребуется дополнительное охлаждение, то каждый транзистор должен быть установлен на отдельный радиатор, поскольку работают транзисторы не одновременно. Если радиатор только один, то обязательно использование изолирующих подложек. Питание схемы не должно превышать 36 вольт, это связано с обычными ограничениями для затворов.
Если контур без средней точки, то просто ставят два дросселя вместо одного, на каждое плечо, и режим работы сохраняется аналогичным, ровно как и с одним дросселем.
Между тем, на Алиэкспресс уже появились изделия на основе этой автоколебательной схемы ZVS, причем как с одним дросселем, так и с двумя. Вариант с двумя дросселями особенно удобен в качестве резонансного источника питания нагревательных индукторов без средней точки.
Источник
2 Схемы
Принципиальные электросхемы, подключение устройств и распиновка разъёмов
Cхема высоковольтного преобразователя напряжения
Всем привет. Целью этого проекта было создание генератора высокого напряжения, а по совместительству индукционного нагревателя значительной мощности, причём использоваться должна была очень простая схема и легкодоступные компоненты. Многие новички ищут способ эффективного увеличения мощности обычных двухтранзисторных ZVS и эта публикация в этом поможет.
Инвертор от Mazzilli, известный как «ZVS», пользуется популярностью среди любителей HV благодаря своей простоте и эффективности. Схема, которую здесь представляем, — ее модификация, чтобы передавать больше мощности.
Что касается теоретического описания работы инвертора, ему уже посвятили в интернете довольно много статей, которые всесторонне объясняют как теорию, так и практику.
Схема принципиальная ZVS преобразователя
Как видите, для удобства всё было разделено на два модуля. Такой подход позволяет легко подключать различные трансформаторы вместе с оптимально подобранными резонансными емкостями.
- Первый модуль — это драйвер с источником питания. Он имеет правильную электронику инвертора, а также встроенный выпрямитель и фильтр, который позволяет напрямую подключать устройство к сетевому трансформатору. Здесь использованы транзисторы IRFP260 и массивные дроссели с высоким током насыщения, что гарантирует надежную работу инвертора даже с высокой мощностью. Большой электролитический конденсатор видимый на фото, используется для фильтрации источника питания, он на 10000 мкФ 250 В. Это кажется нелогичным, но выбрали его из-за очень низких ЭПС и больших номинальных токов, что весьма важно в таких системах.
- Второй модуль состоит из двух параллельно подключенных строчников с резонансной батареей конденсаторов. Обе обмотки имеют по 8 витков, а резонансная батарея состоит из нескольких конденсаторов общей емкостью около 2,4 мкФ. Это позволило уменьшить импеданс резонансной цепи за счет увеличения количества мощности до уровня, на котором основным ограничением была текущая эффективность подачи всего сетевого трансформатора. Оба трансформатора (ТВС) практически идентичны, что очень важно — требуется даже распределение нагрузки, иначе инвертор может выйти из нормальной генерации, что приводит к сжиганию транзисторов.
Обмотка образована скручиванием 16 эмалевых проводов 0.4 мм, а затем обертыванием всего изоляционной лентой для механической защиты. Это значительно уменьшает скин-эффект и связанные с ним потери — ранее использовались обмотки, выполненные из обычных толстых проводов, под нагрузкой они нагреваются до температуры, при которой изоляция начала дымить. Эти же лишь немного теплые, даже после долгой работы схемы.
Испытания преобразователя в действии
Инвертор способен выдерживать 10 минут непрерывной работы, после чего трансформаторы начинают требовать охлаждения. Транзисторы не нагреваются слишком сильно — радиаторы остаются почти холодными. Большая часть тепла выделяется на выпрямителе моста, который может неплохо нагреваться — на нем тоже большой радиатор.
Инвертор способен выдавать большие разряды благодаря значительной эффективности тока. Максимальная длина растянутой молнии составляет чуть более 20 см.
Также покажем сигналы осциллограмм: Первый это синусоида на LC-схеме без зажженной дуги. Последний скриншот показывает последовательность импульсов на одном из полевых ключей.
Индукционный нагреватель железа
Эта схема, как и любой такой резонансный преобразователь, может использоваться как небольшой индукционный нагреватель металлов. Чтобы сделать это, просто соберите индуктор в виде небольшой катушки, соединенный параллельно с резонансной батареей конденсаторов емкостью 2-4 мкФ. Вот как выглядит нагрев металла:
О транзисторах для генератора
IRFP260 — типичный выбор для этого типа инвертора. Данная схема питается от 27 В переменного тока, что означает около 36 В постоянного тока после выпрямления и фильтрации. Их применение гарантирует стабильную работу до 50 В постоянного тока, вы конечно можете повышать вольтаж еще дальше, но это рискованно.
Что касается транзисторов IRF740, они подходят только для меньших мощностей из-за небольших Id и больших Rds, что подразумевает меньшую силу тока и намного более высокие потери. IRFP260 имеет значительно меньшие Rds и большую предельную мощность рассеивания тепла, поэтому он обеспечивает большую текущую долговечность и меньшие потери проводимости. Их можно купить в большинстве интернет-магазинов или на Али по 6$ за 10 шт. Можно использовать и IRP240, но вы сможете прокачать через него гораздо меньшие токи.
Использование транзисторов под более высокое напряжение не является особенно целесообразным, так как они имеют более высокие Rds (сопротивление перехода), что приводит к увеличению потерь и в районе 60 … 70 В постоянного тока транзисторная управляющая связь не срабатывает, вызывая уничтожение транзисторов пробоем. Поэтому предлагаем остаться на более низких напряжениях питания — до 50 В постоянного тока. Вместо дальнейшего увеличения напряжения лучше уменьшить импеданс резонансного контура, чтобы инвертор мог потреблять больше энергии без увеличения напряжения.
Удалось запустить преобразователь используя источник питания 12 В / 200 Вт — разряды были эффективными, но не настолько впечатляющие. Искра была около 10 см, толстая и пушистая.
В целом питание обеспечивается группой трансформаторов, выдающих 27 В переменного тока. Потребление тока на максимальной растянутой высоковольтной дуге достигает 30 А.
Источник
Плазменная горелка своими руками + генератор холодной плазмы и драйвер ZVS
Главная страница » Плазменная горелка своими руками + генератор холодной плазмы и драйвер ZVS
Плазма представляет одно из четырёх базовых состояний материи, помимо существующих состояний – твёрдого, жидкого, газообразного. Структурной формой плазмы выступают волокна, пучки, а также двойные слои пучков по причине влияния электромагнитного поля. Плазма не имеет определенной формы и объёма, если не содержится в контейнере. Холодная плазма атмосферного давления (ХАП или Cold Atmospheric Plasma) отличается возможностью генерации и высвобождения струи при атмосферном давлении. Рассмотрим, как может быть сделана плазменная горелка своими руками на драйвере ZVS.
Плазма атмосферного давления — как получить холодную плазму?
Плазменная горелка атмосферного давления предполагает использование диэлектрического барьерного разряда, плазменной иглы и плазменного грифеля. Всё это потребуется в качестве инструментов получения холодной атмосферной плазмы (ХАП). Благодаря способности ХАП работать при атмосферном давлении, холодная плазма активно применяется для нужд биомедицинской инженерии:
- предотвращения образования биоплёнки,
- подавления роста микробов,
- отбеливания зубов,
- стерилизации стоматологических инструментов,
- индуктора ликвидации клеток,
- изготовления биочипов и т.д.
Вполне допустимо изготовить плазменную горелку своими руками, применяя распространённую схемотехнику. Для генерации плазмы, однако, требуется высокий энергетический потенциал.
Генерация плазмы струйным способом под атмосферным давлением возможна парой высоковольтных электродов (анод, катод). Анодный проводник пропускается сквозь трубку плазменной горелки, выполненную из кварцевого стекла. Катод в виде пластины размещается под выходным соплом трубки.
Плазменная горелка своими руками – структурная схема: 1 – источник питания 12В постоянного тока; 2 – электронная схема ZVS драйвера; 3 – трансформатор ударного возбуждения; 4 – анод в трубку плазменной горелки; 5 – катод; 6 – газ аргон в баллоне
Через трубку из кварцевого стекла на плазменную горелку предполагается подача газовой среды различного типа:
По мере заряда газов высокой энергией, физические и химические реакции приводят к выделению:
- электронов,
- ультрафиолетовых фотонов,
- заряженных частиц,
- химически активных окислителей,
- озона.
Для работы плазменной горелки при относительно низких температурах (менее 40°C) требуется формировать сильное электромагнитное поле.
Плазменная горелка своими руками + электронная схема
Существует несколько различных электрических схем, по которым изготавливается плазменная горелка своими руками. Посредством схемы реализуется генерация высокого напряжения порядка 7-10 кВ.
Одной из первых составленных электронных схем на плазменную горелку считается схема генератора Маркса (Erwin Otto Marx / 1924 год). Схема генерирует импульс высокого напряжения, но работает от источника постоянного тока низкого напряжения.
Принцип, заложенный в основу этой конструкции плазменной горелки, предусматривает заряд нескольких параллельно включаемых конденсаторов, с последующим последовательным разрядом каждого.
Учитывая, что постоянное напряжение представляет эхо-сигнал на той же длине волны, конденсаторы заряжаются до максимального потенциала и через разряд выдают накопленную энергию.
Фрагмент конструкции домашней (лабораторной) сборки своими руками: 1 – блок питания; 2 – ZVS драйвер; 3 – трансформатор ударного возбуждения (строчный от ТВ); 4 – катодная пластина; 5 – проводник анода
Другой классический генератор высокого напряжения под плазменную горелку — схема полумостового резонансного инвертора напряжения, разработанного Питером Баксандаллом (Peter Baxandall).
Здесь используется базовая схема LCR, с подключением к средней точке катушки Тесла. Так осуществляется подача питания к нагрузке последовательной цепи с элементами LR, включенными параллельно.
Эта конфигурация для плазменной горелки также имеет схему собственной резонансной частоты, управляющей прямоугольной формой волны. Таким способом получают синусоидальный ток, протекающий через катушку Тесла. Образуется низкое сопротивление потерь, следовательно, высокий коэффициент качества плазменной горелки.
Нелинейный управляемый высокочастотный инвертор также пригоден для индукции плазмы. Параллельный резонансный инвертор состоит из переключателей на транзисторах MOSFET, подключенных к выходному паразитному конденсатору и трансформатору для питания плазменного реактора.
С аналогичной концепцией переключения, инверторная плазменная горелка своими руками выстраивается на основе трансформатора ударного возбуждения, драйвера ZVS и резонатора Тесла.
Устройством реализуется возбуждение плазмы, разряжаемой через диэлектрический барьер. В этой схеме для плазменной горелки генератор фазовой автоподстройки частоты генерирует прямоугольный тактовый сигнал.
Схема широтно-импульсной модуляции функционирует как генератор волн для управления временем переключения импульсов транзисторов. Генерация струи плазменной горелки, получаемой от источника низкого постоянного напряжения при номинальном токе 3А и резонансного инвертора, описывается ниже.
Здесь используется схема переключения при нулевом напряжении (ZVS эффект), разработанная итальянским инженером Vladimiro Mazzilli (Владимиро Маццилли).
Драйвер ZVS, спроектированный итальянским инженером, по сути, является генератором Ройера, только несколько доработанным. Такая схема для плазменной горелки своими руками обеспечивает стабильную генерацию высокого напряжения в диапазоне 20 — 40 кВ.
Драйвер ZVS — саморезонансный двухтактный несинхронизированный генератор
Драйвер ZVS по схеме Маццилли фактически представляет саморезонансный двухтактный несинхронизированный генератор. Генерацию высокого напряжения плазменной горелки даёт трансформатор ударного возбуждения. Выход схемы ZVS согласован с таким трансформатором, чем обеспечивается повышение напряжения до рабочего уровня.
Чередующиеся импульсы генерируют достаточный потенциал для подачи энергии плазменной горелке через пару электродов для формирования струи плазмы при продувке газообразным аргоном.
Электронная схема ZVS драйвера (схема Маззилли), используемого под формирование холодной плазмы под атмосферным давлением на горелке, собранной своими руками
Формирующий драйвер ZVS, собранный по схеме Маццилли, состоит из двух частей (картинка выше). Первая часть — схема переключения на двух полевых МОП-транзисторах (IRFP260) и стабилитроне.
Транзисторами повышается входное напряжение 12 вольт постоянного тока 3А до высокочастотных синусоидальных сигналов, которыми приводится в действие трансформатор ударного возбуждения.
Напряжение переключения, включающее / выключающее полевой МОП-транзистор, собирается на конденсаторе ёмкостью 0,66 мкФ * 1200 вольт постоянного тока, и на катушке индуктивности 200 мкГн. Оба компонента включены параллельно первичной обмотке трансформатора ударного возбуждения.
После подачи питания ток течёт через оба стока полевых МОП-транзисторов. Один из полевых МОП-транзисторов включается быстрее другого и потребляет больше тока. Такое условие приводит к выключению второго полевого МОП-транзистора. Отмечается синусоидальный рост и спад напряжения.
Когда транзистор Q1 включается, напряжение на стоке транзистора Q1 устремляется на заземлю. Одновременно напряжение на истоке транзистора Q2 поднимается до пика и спадает в течение одного полупериода контура LC. Когда напряжение источника на транзисторе Q2 падает до нуля, ток затвора транзистора Q1 также падает до нуля.
В результате полупроводник Q1 отключается. Такая ситуация вызывает повышение напряжения стока транзистора Q1 и включение полупроводника Q2. МОП-транзисторы переключаются при наименьшей наведённой мощности. Аналогичный процесс повторяется для второй половины цикла.
С целью снижения потребления генератором больших пиковых токов и защиты от разрушения, катушка L1 подключается последовательно с источником питания и работает как дроссель, смягчая всплески тока.
Резистором R1 ограничивается ток, способный повредить полевой МОП-транзистор. Резистор R3 снижает напряжение смещением на землю. Стабилитроны регулируют напряжение на уровне 18 вольт. Диоды D1 и D2 ограничивают напряжение затвора.
Как подключить плазменную горелку своими руками?
Плюсовой провод вторичной обмотки трансформатора ударного возбуждения, передающий потенциал напряжения до 24,5 кВ, подключается к аноду плазменной горелки. Анод сделан в виде медного стержня, вставляемого внутрь шланга для прокачки газа аргона.
Прокачка газа (в данном случае — аргон) рассчитывается под расход около 50 л/мин. Заземляющий провод трансформатора ударного возбуждения подключается к пластине катода на фиксированном расстоянии от кромки сопла плазменной горелки.
КРАТКИЙ БРИФИНГ
Zetsila — публикации материалов, интересных и полезных для социума. Новости технологий, исследований, экспериментов мирового масштаба. Социальная мультитематическая информация — СМИ .
Источник