UTC: Datasheet

Опубликовано в рубрике "Высоковольтное", 23 ноября, 2011.
Тэги: , автор:

UTC – это контроллер для полупроводникового трансформатора Тесла.

image

Стоит заметить, что контроллер – это не вся электроника, которая вам понадобится для создания трансформатора тесла. Кроме контроллера, вам понадобятся:

  • Прерыватель
  • Трансформаторы тока (2шт)
  • GDT
  • силовая часть
  • в случае DRSSTC, батарея конденсаторов.

Однако, контроллер является самой технически сложной частью, поэтому его покупка оправданна.

 

Форум

Для обсуждения вопросов, связанных с использованием UTC был создан специальный форум.

 

Особенности

  • Предназначен для управления DRSSTC. Возможно использование для SSTC, индукционных печей и иных резонансных преобразователей.
  • Прерывание накачки в нуле тока по обоим фронтам сигнала обратной связи.
  • Высокая нагрузочная способность:
    • Пиковый ток – 25А
    • Напряжение ±24В.
  • Рабочая частота — 40-300кГц
  • Оптический или проводной прерыватель
  • Управляет реле мягкого старта.
  • Основана на проверенной временем схеме Стивена Варда.

 

Максимальной допустимые значения*

Параметр Мин Тип Макс Единица
Напряжение питания     26
Рабочая частота     300 кГц
Ток трансформатора обратной связи, продолжительный     1 А
Ток трансформатора обратной связи, импульсный **     20 А
Ток трансформатора ограничения тока, продолжительный     0.7 А
Ток трансформатора ограничения тока, импульсный **     20 А
Ток, потребляемый проводным прерывателем     100 мА
Ток, потребляемый реле     100 мА
Выделяемая силовых транзисторах мощность     4 Вт

* Выход за пределы этих значений может привести к выходу контроллера из строя
** Длина импульса ограничена нагревом компонентов.

 

Параметры

Если не указано иного, напряжение питания = ~24В, нагрузка – 3.6Ом + 100нФ.

Параметр Мин Тип Макс Единица

Система

       
Напряжение питания 20 24 26
Статический потребляемый ток (без оптоприемника)   25 30 ~мА
Статический потребляемый ток (с оптоприемником)        
Динамический потребляемый ток   1.35   ~мА/кГц
Задержка от отключения сигнала прерывателя до асинхронной “синхронизации”   82   мкС

Обратная связь

       
Задержка от входного до выходного сигнала (нагрузка – 3.3 Ом + 22нф)   40   нс

Защита по току

       
Минимальная фиксируемая длительность превышения по току   190   нс
Задержка от обнаружения превышения до ожидания синхронизации   83   нс

Проводной прерыватель

       
Задержка от сигнала включения проводного прерывателя до сигнала на выходе драйвера   30   мкс
Задержка от сигнала отключения проводного прерывателя до ожидания синхронизации   28   мкс
Напряжение сигнала отключения прерывателя 0.9   2.0 В
Напряжение сигнала включения прерывателя 1.7   3.15 В

Оптический прерыватель

       
Задержка от сигнала включения оптического прерывателя до сигнала на выходе драйвера       нс
Задержка от сигнала отключения оптического прерывателя до ожидания синхронизации       нс
Амплитуда сигнала отключения прерывателя       дБ
Амплитуда сигнала включения прерывателя       дБ

Мягкий старт и защита от пониженного напряжения

       
Напряжение включения драйвера   25.3   В
Задержка включения драйвера   3600   мс
Напряжение на реле   24   В

Драйвер

       
Нарастающий фронт (нагрузка – 3.3 Ом + 22нф)   10   нс
Спадающий фронт (нагрузка – 3.3 Ом + 22нф)   20   нс
Выходное напряжение -27 ±24 27 В

 

Механические параметры

UTC проектировался для работы в корпусе из алюминиевого профиля. Чертеж профиля:

profile

 

Для работы внутри другого корпуса, по краям платы предусмотрены крепежные отверстия под винт М3. Диаметр шляпки винта не должен быть больше 8мм, а диаметр стойки – не более 6мм. Под головки винтов рекомендуется класть шайбу.

image

Индикация

UTC использует три светодиода для отображения своего состояния:

image

Зеленый светодиод сигнализирует о том, что питание контроллера в норме. Он загорается только после окончания задержки мягкого страта.

image

Синий светодиод указывает на то, что получен сигнал с прерывателя. Так как в DRSSTC используются очень короткие сигналы, этот сигнал снабжен расширителем импульсов и погаснет только если команда на запуск не поступало в течении 100мс.

image

Красный диод указывает на срабатывание защиты по превышению тока. Этот сигнал также снабжен расширителем импульсов и отключается только если защита не срабатывала в течении 100мс.

 

Выбор активного прерывателя

UTC поддерживает как оптический, так и проводной прерыватель. Для выбора активного прерывателя служит перемычка “Source”. По умолчанию эта перемычка установлена в режим проводного прерывателя.

image

Проводной прерыватель

Назначение выводов проводного прерывателя показано на рисунке:

image

Стоит иметь ввиду, что проводной прерыватель является источником повышенной опасности, образуя петлю тесла-человек-заземление. Напряжение, которое наводится на человеческом теле от стримером достаточно мощное, чтобы причинить ожег. Поэтому, стоит изолировать органы управления проводного прерывателя от человека или использовать оптический прерыватель.

 

Оптический прерыватель

Оптический прерыватель крайне чувствителен к наводкам, поэтому может работать только внутри металлического корпуса. Для подключения используйте оптический шнур длинной 5М, который входит в комплект.

 

Питание

Питание осуществляется от внешнего трансформатора напряжением ~24В. Важно, чтобы напряжение трансформатора без нагрузки не превышало ~27В. Полярность подключения трансформатора к разъему значения не имеет.
image

Трансформатор управления затворами

Выходной разъем для трансформатора управления затворами (GDT) содержит дублирование:

image

Рекомендуется соединить дублирующие контакты для повышения надежности.

 

Реле

Реле (или любая другая нагрузка, потребляющая ток не более заданного в таблице максимального потребления) подключается к разъему, на который подается 24В, а 0В коммутируется транзистором. Схема содержит защитный диод для подавления индуктивного выброса от реле.

image

Крайне рекомендуется непосредственно на выводы реле напаять конденсатор емкостью 10нф.

 

Обратная связь и защита по току

Трансформатор обратной связи подключается между выводами FB+ и FB-, а трансформатор токовой защиты – между OCD+ и OCD-.

image

Уровень защиты по току регулируется единственным построечным резистором. Направлению вращения против часовой стрелки соответствует увеличение предельного тока.

Напряжение на компараторе защиты по току можно контролировать мультиметром на разъеме “OCD Probe”. Пересчитать напряжение на выводе компаратора в ток ограничения можно с помощью калькулятора.

 

 

Схема

Далее разъяснены подробности работы схемы контроллера для любопытствующих. Описание предполагает наличие у читателя элементарных знаний в цифровой электронике.


Объяснения приведены по отдельным блокам схемы. Номиналы схемы даны ориентировочные и могут отличатся от реальных.

 

Обратная связь

image

Обратная связь осуществляется с помощью токового трансформатора, подключаемого к разъему “Feedback”

Сигнал токового трансформатора ограничивается стабилитронами D4, D5. Последовательно стабилитронам включены диоды Шоттки, так как стабилитроны закрываются медленно, а диоды Шоттки – быстро.

Получившийся в итоге биполярный сигнал превращается в однополярный диодной “вилкой” D2 и подается на триггер Шмидта U4E, после которого получаются быстрые четкие фронты сигнала.

Резистор R3 предназначен для ограничения тока через диоды, когда они “срезают” нижнюю полуволну.

В режимах с непрерывной накачкой, на стабилитронах может выделяться довольно значительная мощность, поэтому стоит удостовериться, что она не превышает предельно допустимой с помощью калькулятора.

 

Рис 1. Сигнал после ограничения стабилитронами.

image

 

Рис 2. Сигнал после ограничения диодной сборкой.

image

 

 

Защита по току

image

Значение тока измеряется токовым трансформатором, который подключается к разъему “Feedback”. Этот трансформатор должен быть полностью независим от трансформатора обратной связи (должно быть два раздельных трансформатора).

Трансформатор нагружен на резистор R15, номинал которого по умолчанию – 3.3 Ома. Вы можете использовать другой нагрузочный резистор, выпаяв стандартный и заменив его своим.

Для того, чтобы не допустить выхода контроллера из строя в случае непропая или выгорания резистора R15, добавлен резистор R25, который не даст контроллеру запуститься, если резистор R15 отсутствует.

Для того, чтобы можно было обнаружить превышение тока любой из полуволн (положительной и отрицательной), использован мостовой выпрямитель на диодах Шоттки.

Выход нагрузочного резистора фильтруется RC цепью R14/C22 от высокочастотных выбросов, который могут проникнуть через емкость между первичной и вторичной обмоткой токового трансформатора.

На положительный вход компаратора подается регулируемое напряжение срабатывания ограничителя. Пересчитать этан напряжение в ток можно с помощью специального калькулятора.

На резисторе R15 выделяется значительная мощность, поэтому стоит убедиться, что она не превышает максимально допустимую для резистора с помощью калькулятора.

В случае превышения тока, на выходе компаратора U9 устанавливается лог. 0, стоит заметить, что длительность лог 0. может быть весьма коротка:

image

 

Поэтому, после детектора превышения тока установлен триггер, который запрещает работу теслы до следующего сигнала включения с прерывателя.

 

image
U6C не дает тесле запуститься, пока не снят сигнал сброса, а U6B – пока не снят сигнал ограничения тока.

Так как частота прерывателя может быть довольно высокой, может оказаться что время горения диода, сигнализирующего о превышении тока будет настолько коротким, что его не будет заметно. Для исправления этого эффекта, установлен “расширитель импульсов”  на D21, C26, R4, U1A. При превышении тока, U11B заряжает C26, который потом медленно разряжается через R4. U1A работает как пороговый элемент.

 

Справка: как работает D-триггер 74HC74
Когда сигнал на входе CLK триггера переходит из низкого состояния в высокое, на вход Q передается логический уровень, который был на выходе D.

Входы nRP и nCLR при подаче на них низкого логического уровня переводят Q в 1 или 0 соответственно. Если на обоих входах nRP и nCLR одновременно будет лог. 0, то выходы Q и nQ будут в состоянии лог. 1.

nRP и nCLR имею приоритет над D. К примеру, если одновременно на nCLR низкий уровень, на D-высокий, а состояние CLK меняется из 0 в 1, то на выходе триггера останется 0.

 

 

Сброс, защита от пониженного напряжения и “плавный пуск”

Схема защиты от пониженного напряжения предназначена для того, чтобы не допустить работу транзисторов в линейном режиме.

Под “плавным пуском” понимается процесс, при котором силовые конденсаторы заряжаются до сетевого напряжения через резистор, а, затем, подключаются непосредственно к сети с помощью реле. Это необходимо для исключения сверхтоков.

 

image

Узел на U10 сравнивает напряжение питания драйвера с допустимым. В случае, если напряжение больше допустимого, на выходе U10 устанавливается лог. 1. Резистор R26 обеспечивает гистерезис для исключения множественных срабатываний.

Когда на выходе U10 появляется лог. 1, конденсатор C23 медленно заряжается через резистор R21. Когда напряжение на нем достигнет напряжения переключения U6D, на ее выходе появляется лог. 1, которая через диод D17 быстро заряжает C23, это сделано для обеспечения еще большего гистерезиса схемы.

Сигнал с выхода U6:

  • Включает реле мягкого пуска через транзистора Q5
  • Зажигает зеленый светодиод
  • Выдает сигнал “Пуск”, который разрешает работу контроллера и убирает сигнал сброса и триггера ограничения тока.

Процесс выключения происходит следующим образом:

Компаратор U10 обнаруживает падение напряжения на шине питания, на его выходе появляется лог. 0. Она отключает элемент U6D, и через диод D17, быстро разряжает конденсатор C23.

Так, как для выключения используется сигнал прерывателя, отключение теслы будет происходить в нуле тока, что полезно для выходных транзисторов.

 

Прерыватель

Для подключения прерывателя может использоваться как оптический, как и проводной интерфейс. Оптоприемник установлен на плате UTC, так как он чувствителен к помехам. Для подключения проводного прерывателя предназначен разъем “Interrupter”. Переключение между оптическим и проводным прерывателем осуществляется джампером “Source”.

 

image

Сигнал с проводного прерывателя подтягивается резистором R12 к нулю, фильтруется от помех фильтром на R8/C7 и ограничиваются диодами D22. Гистерезис обеспечивается инвертором U4C.

Резистор R10 защищает в случае “забытого” или не контактирующего джампера.

Так как оптический прерыватель выдает сигналы в инверсной форме (наличию света соответствует лог. 0), установлен инвертор U4B.

В DRSSTC длительность сигнала включения прерывателя весьма мала, поэтому установлен расширитель импульсов на U6A, D9, C4, R7, U4A. Описание работы расширителя смотрите в разделе “Защита по току”

 

Синхронизатор

Задача этого узла – обеспечить отключение силовых транзисторов в нуле тока. Это достигается синхронизацией сигнала отключения (от прерывателя, детектора превышения тока или от сигнала сброса) с любым из фронтов сигнала обратной связи (ОС на картинке). Если синхронизация невозможна (фронт обратной связи не появляется в течении некоторого времени), должен произойти асинхронный сброс синхронизатора.

 

image

Когда на выходе прерывателя устанавливается лог. 1, триггера U5A и U5B устанавливаются в состояние лог. 1. С помощью входов nPR. Таким образом, разрешается работа теслы (и производится ее запуск, смотрите секцию “драйвер”). Одновременно, быстро разряжается конденсатор С11.

Когда на выходе прерывателя появляется лог. 0, начинается процесс синхронизации.

  • В случае, если на линии ОС первым поступает возрастающий фронт, триггер U5A устанавливает свой выход в лог 0.
  • В случае, если на линии ОС первым поступает спадающий фронт, U5B на своем выводе Q устанавливает лог. 0, который производит асинхронный сброс триггера U5A.
  • Если линия OC не меняет свое состояние в течении времени заряда конденсатора C11 через резистор R11, происходит асинхронный сброс триггера U5B, который. в свою очередь, сбрасывает U5A.

 

Драйвер

Секция драйвера отвечает за запуск и передачу сигналов от теслы, а так-же усиления их до уровня, достаточного для управления силовыми транзисторами.image

Секция преддрайвреа реализует следующую таблицу истинности:

ОС

Разрешение работы

Выход 1

Выход 2

X

0

1

1

0

1

0

1

1

1

1

0

X – не имеет значения.

 

Обратите внимание, что при переходе сигнала разрешения работы из лог. 0 в лог. 1, Сигнал на выходах меняется. Это изменение передается на затворы силовых транзисторов и обеспечивает запуск теслы.

 

image

Выходной каскад выполнен по схеме с накачкой заряда.

Когда на вход подается лог. 1, открывается нижний транзистор. Так, как на нижнем электроде C2 напряжение увеличивается, через него начинает течь ток, заряжая затвор Q1. Излишний ток уходит в шину Vgdt через диод D1. Таким образом, транзистор Q1 закрывается.

Когда на вход подается лог. 0, нижний транзистор закрывается, а верхний открывается за счёт падения напряжения на резисторе R1.

 

Калькуляторы

Калькуляторы "понимают" стандартные множители: p, n, u, m, k, Meg. К примеру, 1 килоом можно ввести как 1000 или 1k

 

 

RPhoto

Description:UTC v3.1; Size:640x480; Autoload:true; AutoRotateDelay:5000; RotateSpeed:3; Direction:ccw;

Отказ от ответственности

Покупая драйвер, вы принимаете и соглашаетесь со следующими положениями:

  1. Трансформатор Тесла – сложное и опасное устройство. Я не несу ответственности за последствия, связанные с использованием вами драйвера UTC, включая материальные потери или вред здоровью.
  2. Покупатели сами несут ответственность за выбор и использование драйвера.
  3. Покупка драйвера не означает предоставление личных консультаций, связанных с его использованием. Свой вопрос вы можете задать у нас на форуме.



Комментарии
  1. monos написал(а) 24 ноября, 2011 в 3:34

    Есть специально заточенные для ИИП мк, типа dsPIC33FJ16GS504, или AT90pw3b… У силобов и техаксэсов, тоже имеются… Вот на них было бы интересно и перспективно слепить такой блочек…

    monos Reply:

    *силабов и тэксасов 🙂

    monos Reply:

    Причем, функционал был бы на порядок выше, минимум рассыпухи, всякие фичи, типа: бланкрование сигнала ОС, симметрирование тактов, регулировки вах… В общем, all inclusive… 🙂

    BSVi Reply:

    Да, я думал над этим, и даже сделал вариант на плисине, но простая логика на порядок надежнее, тем более, что работать предстоит под мощной катушкой.

    monos Reply:

    У меня, например, весь БУ для сварочного инвертора собран на одном пик16ф886 — поля там не малые, но варит второй год без глюков… В плане надежности, мк или логика- мк получше, бо в заточенном под SMPS проце вся та же логика на одном кристалле — меньше ловит наводки…

    BSVi Reply:

    Дак импульсник с фиксированной частотой и резонансник — сильно разные весчи. С фиксированной частотой проще. Я прикинул и решил, что чтобы вместить все, что я хочу от этого контроллера мне нужно xc3s50an поставить. Возможно, в будущем это и сделаю, а пока — пусть будет на логике.

    >меньше ловит наводки…
    Но если уж словит, то пиши пропало. Простая логика, напротив, не имеет состояний, а потому от любой словленной наводки легко и быстро поправится.

    BSVi Reply:

    Кстате, может я дейстивтельно проморгал и ты подскажешь контроллер, который сможет это все сделать?

    monos Reply:

    Дык контроллер написан в первом комменте, тот который дспик… На ём можно и врезонансник с фиксированной длит. импульса замутить и фазник, причем усё аппаратно…

    monos Reply:

    а мозг в это время может быть занят всякими сервисами: термоконтролем, программным пидом, индикацией или еще чем полезным…

    BSVi Reply:

    Да, микрухи крутые. Я их смотрел но нигде не нашел той фичи, что делает логика — синхронизации сигнала отключения с фронтами сигнала обратной связи. Может, проморгал. Сейчас, вариант на логике меня всем устраивает — он отлично работает, и смысла переделывать его на дсПик я не вижу, к тому же, логика дешевле ДСпика — 10грн взамен 40.

    Как мне видится сейчас, единственное преимущество (для этого проекта) — меньше пайки.

    monos Reply:

    >Как мне видится сейчас, единственное преимущество (для этого проекта) – меньше пайки.
    Это только первый, очевидный… 🙂 Потом, в процессе наладки и далее, будут вылазить грабли, и рассыпушный вриант придется допаивать разными соплями или, чтоб проверить идейку по поводу чего-нибудь модернизировать… А для мк— это пару строчек в коде и минимум пайки…

    >не нашел той фичи, что делает логика – синхронизации сигнала отключения с фронтами сигнала обратной связи.
    Не совсем понимаю- это потактовое ограничение импульса по сигналу датчика тока што-ль?

    BSVi Reply:

    Нет, при отключении силовухи, необходимо дождаться пересечения нуля током, иначе ключи будут рвать оргомный ток и от этого пыхнут.

    monos Reply:

    >Нет, при отключении силовухи, необходимо дождаться пересечения нуля током, иначе ключи будут рвать оргомный ток и от этого пыхнут.
    А, Zero Current Switching (ZVC)… Такой модус есть , только описан не в ДШ на камень, а в документе DS70323D.

    BSVi Reply:

    Да, из того что я нашел для силовухи на порядок лучше юзать плис, а не контроллеры. У плис, конечно, не хватает АЦП и компараторов, зато логику можно любую организовать и она будет быстро работать.

    monos Reply:

    Не, с этим я не согласиться не могу, бо для полноценного БУ надо и компараторы, и ацепаторы, и разные аппаратные фичи, которые на плисине реализовать будет непросто… По сути,смпс модуль проца — это та же плисина, сконфигурированная, как шим контроллер…

    BSVi Reply:

    Ну, вот тут же у меня все получилось и без ацепяторов. А вообще, под задачу железо нуно выбирать, а не искать самое-самое.

    monos Reply:

    Дело хозяйское, как говориться. Мне показалось, что был замах на универсальность…
    ПС. Маленько комменты у меня перепутались, про зеро карент свитч написал чуть выше…

    BSVi Reply:

    Замах на универсальность в пределах управления теслой, а не вообще 🙂

    monos Reply:

    Тады, понятно… 🙂

  2. shbulat написал(а) 3 июня, 2012 в 20:39

    Интересно, а калькулятор для расчета тока срабатывания OCD учитывает наличие RC-цепи, которая теоретически ослабляет сигнал, к тому же она частотозависима. Или это все мелочи?

    BSVi Reply:

    Не учитывает. Поправка там небольшая.

    shbulat Reply:

    Симуляция в протеусе с номиналами как на схеме при 100кГц показала разницу по амплитуде до и после RC 0.3В, а при 300кГц 0.7В. Такого быть не может, да? Просто хочу закрыть для себя этот вопрос.)

    BSVi Reply:

    Такое может быть 🙂 Поэтому в окончательной схеме я поставил 100пФ. Считалка для нового контроллера будет учитывать это. А когда появится время заняться сайтом, поправлю и этот калькулятор.

  3. Roman написал(а) 11 июня, 2012 в 19:40

    Почему необходимо обязательно использовать 2 разных трансформатора для ОС и ограничителя? Чем плохо overcurrent снимать с трансформатора ОС (также в параллель выпрямитель и на компаратор)?

    BSVi Reply:

    Сигнал с трансформатора обратной связи жестко ограничивается стабилитронами, и, из-за этого, теряется информация о амплитуде тока.

    Roman Reply:

    Можно же амплитуду тока и сигнал обратной связи с выпрямителя снимать…

    BSVi Reply:

    Динамический диапазон значительно уже будет. при низких напряжениях тесла не сможет стартануть.

    Roman Reply:

    Вы синхронизируете переключение транзисторов с нулём тока в первичке теслы. Почему же для ОС используете трансформатор напряжения (хотя здесь написано, что это трансформатор тока). Раз вторичная обмотка трансформатора ОС находится в режиме, близком к холостому ходу (нагрузка — стабилитроны), то есть будет сдвиг по фазе между током и напряжением примерно на четверть периода.

    Нужно ток в ток трансформировать.

    BSVi Reply:

    Стабилитроны — близкая к кз нагрузка. Трансформатор выдает под десяток киловольт, если его не нагружать. Понятно, что напряжение стабилизации стабилитронов очень быстро преодолевается.

  4. Isobeon написал(а) 22 ноября, 2012 в 20:17

    1)А что в принципе надо для ДР-ки?
    Прерыватель, контроллер, первичка, вторичка и всё?
    2) А прерыватели на заказ не собираешь? просто у нас фиг найдёшь даже НЕ555…
    3) если сделать две такие теслы, прерыватель может быть один, или к каждой свой ?

    BSVi Reply:

    1. Еще силовуха и MMC
    2. Пока прерывателей нет. Появятся после нового контроллера.
    3. Можно. конечно исхотриться с одним, но лучше каждой свой.

Создать новую ветку комментариев


Вы должны войти или зарегистрироваться чтобы оставить комментарий.