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特斯拉线圈

       特斯拉线圈通俗一点说,它是一个人工闪电制造器。在世界各地都有特斯拉线圈的爱好者,他们做出了各种各样的设备,制造出了眩目的人工闪电,十分美丽

(图源:山猫帝王)

       传统特斯拉线圈的原理是使用变压器使普通电压升压,然后给初级LC回路谐振电容充电,充到放电阈值的,火花间隙放电导通,初级LC回路给次级线圈提供足够高的励磁功率,其次是和次级LC回路的频率相等,让次级线圈的电感与分布电容发生串联谐振 ,这时放电终端电压最高,于是就看到闪电了。

        爱好者刚入坑的时候一般都会听到这样的教导:“去学串联谐振你就明白特斯拉线圈了”确实,特斯拉线圈得到高压电的核心原理就是串联谐振。那么,串联谐振是什么呢?

       串联谐振是一种电路性质,在电阻、电感及电容所组成的串联电路内,当容抗XC与感抗XL相等时,即XC=XL,电路中的电压u与电流i的相位相同,电路呈现电阻性,这种现象叫串联谐振。并且,当电路发生串联谐振时电路的阻抗Z=√R^2 +(XC-XL)^2=R,电路中总阻抗最小,电流将达到最大值。

       那么,串联谐振的原理嘛......我们已知,在回路频率f=1/2π√LC时,回路产生谐振,此时试品上的电压是励磁变高压端输出电压的Q倍。Q为系统品质因素,即电压谐振倍数,一般为几十到一百以上。先通过调节变频电源的输出频率使回路发生串联谐振,再在回路谐振的条件下调节变频电源输出电压使试品电压达到试验值。由于回路的谐振,变频电源较小的输出电压就可在试品CX上产生较高的试验电压。

       那么,有的人会问“怎么知道串联谐振的谐振电压呢”

串联谐振的谐振电压=电感两端的电压=电容两端的电压=品质因子(Q)×激励电源电压

激励电压就是给LC回路提供频率相等的交流电源的电压,而品质因子(Q)

(至此串联谐振了解的差不多了,我们就进入下一个环节咯)

先来一张整体结构图

图源:山猫帝王

先从简单的看起吧(逆变功率桥)

先看看什么是IGBT

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor),绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件, 兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。GTR饱和压降低,载流密度大,但驱动电流较大;MOSFET驱动功率很小,开关速度快,但导通压降大,载流密度小。IGBT综合了以上两种器件的优点,驱动功率小而饱和压降低。

通俗点说,只要给基极一个+18v的高电平。IGBT的集电极和发射极就能导通(单向导通)。给基极一个低电平。集电极和发射极就截止

图中四个开关管是Q1Q2Q3Q4,我们把Q1Q4,Q2Q3分组,两组交替开启关断,如果我们让这两组开启关断的频率等于初级谐振电路的谐振频率,初级谐振回路就发生了串联谐振。

该电路中的VR1、2、3、4、5、6、7、8是tvs,防止电弧劈到全桥功率器件上导致损坏(其实全桥母线那四个我没接也玩的挺好)而每个IGBT栅极上的TVS(一般用P6ke18ca)。他是保护IGBT栅极。防止电压过高击穿IGBT。

栅极上串联的电阻R1R2R3R4是为了改变控制脉冲的前后沿陡度和防止震荡。而栅极上与电阻并联的二极管D2D3D4D5则是为了加速IGBT的关断

接下来,来看看驱动部分的电路图

先看信号反馈和过流保护

电流互感器捕捉到LC回路电流变化的信号然后将信号送入限幅电路(反馈回来的电压很高,逻辑电路会受不了)将电压限制到±5.1v,然后经过耦合电容,电阻将信号继续衰减,然后再次进行限幅,让信号的电压不超过逻辑芯片承受范围,接着信号被送入过零检测(用的是施密特触发器)

而过流保护嘛.......主要是为了保护全桥功率器件不会boom,当谐振电流超过设定值的时候自动保护电路。互感器从谐振回路捕捉信号(高压低电流),经过整流与取值电阻后将信号送入LM311(电压比较器)简单点说,就是当输入+的电压大于输入-的电压时。电压比较器输出高电平。当输入-的电压大于输入+的电压时。电压比较器输出低电平

接下来先看看74hc74真值表

H表示高电平
L表示低电平
X表示不管输入什么都对输出没有影响
↑表示由低电平变到高电平

Qn+1=下一次触发时的状态

接下来emmmmm........先从打火信号输入来看吧,HFBR2412T是光纤接收头(长这样)

光纤头

然而当有打火信号的时候光纤头输出是低电平,所以我们要在后面加上一个非门用于反向,接下来信号兵分两路,一路送入与门的一个输入端,另一路送到了D触发器的时钟脚位,这时CLK因上升沿出发,Q输出高电平

这时,刚刚那个与门的两个输入端信号是一致的,与门输出信号经反向被送入D触发器的直接置位端,另一路经4148送入施密特触发器,经反向后再次反向进入直接复位端,由真值表可知此时Q输出高电平

这时候与门就打开啦~信号经后级放大再经GDT将功率桥打开一个对管,机器就启动啦~

(要注意刚刚那里,不管74HC14什么状态,两个与门总是会有一个与门开启一半,只要启动信号一到,总会有一个与门被打开,将信号继续向后传递(很巧妙的设计呀))

再回到刚刚信号反馈那里,过零检测后输出的信号兵分三路,一路被反向输入与门,一路直接输入与门,这样我们就得到了两路互为反向的信号啦~第三路输入到D触发器的时钟脚位,此时不影响Q输出状态

此时,还有一个问题哦,想象一下,当打火信号跳为低电平,逆变器就要停止运行,那么,假如说打火信号在震荡的高电平时消失,最后一个脉冲就不完整了对吧(谐振电流还没过零的时候将IGBT关闭,这会产生硬关断,就相当于拉闸了(笑哭))那么,如何才能保证最后一个脉冲的完整呢?还是用74HC74来解决它。Emmmm就是这部分(来张大图省的看不清)

打火信号跳为低电平的时候,74hc14输入低输出高,由于R与C延时,在触发器未被触发前,SD与CD同时高电平,Q保持输出哦,当CLK跳高的时候Q才会输出低电平,此时关闭与门自然就解决了问题

(我好像忘了过流保护是吧)

好吧好吧回来继续看,当电流过大的时候比较器输出由高跳低,如图

触发器复位,Q输出跳低,将与门关闭,保护动作就执行完毕咯~

(讲点别的)

Drsstc谐振电流是要经过功率器件的咯,炸管的原因也就是过流引起的啦,不想要炸管的话就使用参数高一些的元件。

再就是要注意功率元件不要超频使用(尤其是模块),大群里看到有的爱好者的机器炸管很多次~自己说想换模块,却没有考虑频率问题~一般IGBT模块的最大频率在50khz......因此。模块在超频状态下工作。模块会集中发热。寿命降低。易出问题.......

最后提个建议,制作drsstc先从次级线圈开始哦~

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