Несколько важных измерений.

Проделаем ещё несколько важных измерений, чтобы кое-что уточнить. Прежде всего, сравним процессы переключения транзисторов при работе на холостой ход и на разряд. Я понимал, что разница может быть очень существенной, но как-то не сравнивал реальные осциллограммы.
Вначале – режим ХХ. Вот он:

Видим, что частота колебаний довольно низкая, всего 56 килогерц и определяется вовсе не насыщением трансформатора, а процессами в силовом трансформаторе и во всей выходной цепи. Колебания тока - явно синусоидальные. Очень похоже на то, что одна полуволна проходит через транзистор, другая – через обратный диод. И то же самое – для второго транзистора. 

А это - фронт и спад напряжения на стоке нижнего транзистора, под "лупой"

Видим, что закрываются транзисторы довольно медленно – порядка двухсот наносекунд. А вот открываются – примерно за 30 наносекунд. 

Заметим, что закрывание транзистора происходит при токе около одного ампера. Выходная ёмкость транзистора IRF840 – примерно 200 пФ. Это по паспорту. Плюс паразитные ёмкости. Напряжение на закрытом транзисторе – 300 вольт. Следовательно, заряд выходной ёмкости составит величину: 

Q = 300 В * 200*10^-12 =60 нКл

Током в один ампер этот заряд вытащится за время порядка: t = 60нКл / 1 А = 60 нс.  Если эту величину принять за постоянную времени, то полное время рассасывания будет порядка 200 нс, что соответствует осциллограммам. 

Теперь полная мощность – работа на разряд. Вот осциллограмма: 

Видим, что частота колебаний выросла почти вдвое и определяется теперь именно насыщением трансформатора. Без каких-либо задержек. 

Напряжение на разряде – порядка трёхсот-четырёхсот вольт. Разряд горит примерно там же, где и загорелся – в самом узком месте зазора, на примерно 1 мм. 

Ток транзисторов – почти идеальная пила. Это потому, что на первичной обмотке напряжение всего десяток-другой вольт, а всё остальное напряжение из ста пятидесяти вольт падает на индуктивности токоограничивающего дросселя. 

А вот аналогичная осциллограмма, только разряд поднялся вверх по «рогам» и стал значительно длиннее. Выросло и его рабочее напряжение . 

Теперь это величина порядка 1,3 – 1,5 кВ. Ток первичной обмотки почти не изменился, только вершины треугольников чуть-чуть завалились. Ведь напряжение на индуктивности дросселя стало чуть меньше из-за того, что теперь чуть большая часть падает на первичке. 

Частота колебаний – чуть за сотню. 

Ну и снова с «лупой» взглянем на фронты переключения транзисторов.

Видим, что переключение происходит за время порядка пятидесяти наносекунд или даже меньше (для одного транзистора) Почему? Можем сказать, что заряд выходной ёмкости рассасывается током порядка пяти ампер или даже больше, что в пять раз больше, чем в режиме холостого хода. Вот и получается закрывание в несколько раз быстрее. 

Ну и на закуску, снова осциллограмма самого начала работы преобразователя: 

Видим, что за первые четыре периода происходит зарядка ёмкостей умножителя напряжения. В это время работа идёт почти на короткое замыкание и частота высокая, порядка ста килогерц. Напряжение достигает целых семи киловольт, как мы видим. 

А потом начинается перезарядка каких-то емкостей и преобразователь начинает работать на холостой ход. Напряжение чуть снижается, частота резко падает. Надо бы разобраться, какие это ёмкости перезаряжаются? Индуктивность дросселя мы уменьшить сейчас не можем – сильно возрастёт ток разряда. А вот с емкостями было бы интересно разобраться, чтобы повысить частоту. Скорее всего, это как раз ёмкости умножителя - других, кроме паразитных, там нет. Но надо всё равно более детально проверить это. Возможно, стоит вместо 470 пФ поставить 330 пФ. Вроде, в моих запасах есть и такие. Частота должна немного подрасти. 

 Можно, конечно, немного снизить напряжение на насыщающемся трансформаторе и на один-два витка увеличить число его витков. Но тогда снизится частота колебаний в режиме разряда. Значит, может немного вырасти ток. В общем, есть, где развернуться оптимизатору режимов… 

Но дело не только в этом. Посмотрим повнимательнее на зелёную осциллограмму. Видим, что напряжение на насыщающемся трансформаторе упало до нуля, то есть, трансформатор вошёл в насыщение и всё напряжение управления теперь падает на резисторе. А транзисторы не меняют своего состояния. Ну и что, казалось бы? А то, что теперь всё управляющее напряжение падает на резисторе и он жутко греется. Для иллюстрации прикинем грубо наш случай. Напряжение на управление – порядка 21 вольт. Сопротивление – 22 Ома. Полная мощность – 21 ^2 / 22 = 20 ватт! Да, это напряжение действует не всё время, а не больше половины периода. Ну, пусть 10 ватт. А у нас стоят два двухваттных резистора!!! Жуткая вонь и раскаляются резисторы очень быстро. 

Бороться пока будем так: снижаем напряжение управления до 15 вольт, немного увеличиваем номинал резистора. Скажем, до 33 Ом. Ну и обдув, естественно. Думаю, этого будет достаточно. И со снижением напряжения немного вырастет время до насыщения трансформатора, то есть, доля времени, когда вся мощность рассеивается на резисторе, упадёт тоже. Дело же не только в резисторе – поставим десятиваттный, это без проблем. Но этот ток же течёт через тонюсенькие провода на небольших кольцах и сильно их греет. 

Вот и будет что исследовать дальше. Но пока мотаем трансформатор для опытного образца…

Дальнейшие исследования.

Не выдержал мой преобразователь испытания на ресурс. На следующий день включил, он как-то вяло поработал несколько секунд и с хорошей вспышкой предохранителя сгорел. Сгорели транзисторы, выпрямительный мост (сетевой) и динистор. Похоже, что сгорело что-то ещё, поскольку замена этих деталей хоть и приводит к запуску преобразователя, но через несколько секунд снова сгорает предохранитель и транзисторы выходят из строя тоже. Решил пока не тратить время на поиски неисправности, а слегка переделать другую версию преобразователя. Там стоят транзисторы IRF840, а не IRF740. Стоят ещё помехоподавляющие ферритовые бусинки в затворах. И дополнительные диоды параллельно переходам сток-исток транзисторов для отвода тока, раскачанного в дросселе. Возможно, именно отсутствие этих диодов в сгоревшем варианте преобразователя и вызвало его разрушение. Диодов, встроенных в транзистор, для серьёзных токов не хватает. А у нас очень серьёзные токи.
Преобразователь запустился прекрасно и всё работает. Прежде всего, посмотрел, как транзисторы переключаются. Глазам своим не поверил – не более пятидесяти наносекунд требуется для того, чтобы один транзистор полностью закрылся, а другой – полностью открылся. Вот осциллограммы:

Это спад импульса на стоке нижнего транзистора.

А вот это – фронт напряжения на стоке того же транзистора: 

Пятьдесят наносекунд. Просто удивительно. Думаю, здесь работают два фактора: более быстрые транзисторы с меньшей, чем у IRF740 выходной ёмкостью: 200 пФ вместо 330 пФ, а так же ферритовые бусинки в затворах, которые немного обостряют фронты напряжения запуска. Чтобы окончательно удостовериться в этом нужны, естественно, дополнительные исследования, но нам сейчас это не так важно. Всё работает и просто здорово. Поехали дальше. 

Рассмотрим более детально процесс включения преобразователя. Для полноты картины применим токовый пробник, чтобы полюбоваться на ток первичной обмотки трансформатора. Очень интересная картинка получается: 

Напряжение на выходе достигает максимума примерно за четыре полных периода колебаний преобразователя. Через транзисторы течёт хороший ток, близкий к синусоидальному , достигающий примерно шести ампер. Частота колебаний – примерно 90 килогерц, как и раньше. После достижения максимального напряжения на выходе, колебания тока становятся более сложными – ток течёт то через транзисторы, то через диоды. Его величина снижается до примерно двух-двух с половиной ампер. Частота колебаний преобразователя так же снижается до примерно шестидесяти килогерц, даже немного ниже. Пробоя пока нет – он происходит позже. 

Вот теперь более детально рассмотрим стадию горения разряда. 

Напряжение горения – несколько сотен вольт. Ток первичной цепи – это ток через индуктивность, треугольный. Амплитуда –почти шесть ампер. Частота – примерно 90 килогерц. Прикинем, какой же ток разряда? Наш трансформатор совместно с умножителем повышает напряжение в 40 раз. Следовательно, ток разряда будет в сорок раз ниже. 6 А/40 = 150 мА. Примерно соответствует току через резисторы 10-20 килоом, как мы и измеряли раньше. Неплохо. 

Ну и чуть более детально посмотрим осциллограммы в преобразователе на холостом ходу. 

Видим, что частота – примерно 59 килогерц. Транзисторы переключаются хоть и не совсем в нуле тока, но точно при очень малой его величине – не более пол-ампера. Это очень здорово. 

Здесь получилось, что напряжение вылезло за пределы экрана – всего 500 вольт на деление, а наш преобразователь выдаёт на ХХ больше шести киловольт. Не уследил я. В другой день поправлю. А вот ещё было бы интересно поймать момент первого пробоя. Как будет меняться ток и как будет меняться частота работы преобразователя? Тоже в другой раз. Это уже в понедельник. Ну и немного подольше пусть поработает. Будут так же сильно нагреваться транзисторы и расти частота? Посмотрим обязательно. Но уже нужно делать экспериментальный образец в корпусе, с высоковольтным разъёмом и кабелем для испытаний в реальной установке, с плазмотроном. Думаю, на следующей неделе сделаю это обязательно. Надо уже разрабатывать нормальную печатную плату. Но пока сделаю на макетной плате, естественно. 

Погоняем на ресурс.

Наступил черёд  испытанию на ресурс. В качестве нагрузки использовалась так называемая «лестница Иакова» - две медные проволоки в виде рогов.
При первом же включении обнаружился очень сильный нагрев транзисторов и быстрое повышение частоты. Начальная частота преобразователя при работе на разряд была 95 килогерц, но через пару минут эта частота могла достигать 120 килогерц и, даже 140 килогерц. Включение вентилятора проблему почти полностью сняло. Радиаторы стали почти ледяными и частота менялась около ста килогерц – примерно от 95 до 105 килогерц. Это уже по-божески. Больше не грелось ничего. Трансформатор и умножитель даже через минут двадцать были комнатной температуры. Вся остальная схема была так же холодной.
Вот и осциллограммы:

Верхний луч (фиолетовый) – напряжение на промежутке. Видим, что оно вначале даже превышает шесть киловольт, но потом происходит резкий пробой и напряжение становится низким. Загорается разряд с напряжением горения от нескольких сотен вольт. 

Видим, что на холостом ходу частота преобразователя низкая  примерно 60 килогерц, а после пробоя заметно повышается – почти до ста килогерц. 

Вот очень интересная осциллограмма: 

Пробой происходит почти сразу после включения преобразователя. Буквально несколько колебаний, напряжение на выходе превысило 5 киловольт и пробой. 

Ну и для иллюстрации, ещё одна осциллограмма, на более длинной развёртке, хотя ничего нового в ней нет. Надо бы просмотреть осциллограммы на развёртке в миллисекундном диапазоне. Можно будет увидеть движение канала вверх, в потоке воздуха. Но это в другой раз. Пока только так: 

Ну и на закуску - видео. Качество ужасное, снято телефоном, но уже что-то видно. Видно и сам преобразователь, и трансформатор, и умножитель. 

Продолжаем исследование высоковольтной схемы.

Продолжаем исследования схемы. Прежде всего, определим реальное напряжение холостого хода. В качестве нагрузки используем гирлянду из МЛТ-2 суммарным сопротивлением 1,2 Мом.
Чтобы преобразователь запускался надёжнее, немного подгрузим его активным сопротивлением, включив параллельно первичной обмотке высоковольтного трансформатора два резистора SQP-10 на 5,1 килоома каждый в параллель. Вот что мы увидели:

Частота получилась около 83 килогерц, осциллограммы напряжения на стоке нижнего транзистора и на его затворе получились чистенькими, но самое главное – не это. Самое главное то, что напряжение на выходе достигло шести киловольт в пике… Напряжение немного плывёт, поэтому придётся поверить на слово, что там бывает и 6,08 киловольт. Это просто фантастика! Значит, умножитель в моей схеме умножает в четыре раза. Это отлично! Шесть киловольт – вполне приличное напряжение и во многих практических случаях его более, чем достаточно. Осталось проверить, как же будет ограничиваться ток при низкоомной нагрузке? Проверим и это. 

Нагрузим выход гирляндой из ПЭВ-10 суммарным сопротивлением 20 килоом. Видим такую картину:

Частота выросла примерно до 95 килогерц, а амплитуда напряжения снизилась до 2,9 киловольт примерно. Отметим, что пришлось заменить дроссель с 50 мкГн до 95 мкГн, чтобы схема заработала нормально. Дроссель на 50 мкГн выдавал слишком большой ток. Похоже было на то, что не выдерживают диоды выпрямительного моста. Напомним, что там применяются диоды типа CL03-15 с максимальным средним током в 200 мА. 

Сейчас мы видим, что пиковый ток нагрузки примерно 145 мА, а среднеквадратичный – 116 мА. 

Движемся дальше – уменьшаем сопротивление нагрузки вдвое, до десяти килоом. 

При десяти килоомах на выходе имеем вот такие осциллограммы:

Частота – всё те же 95 килогерц. Что это за ерунда насчёт 497 килогерц – не понимаю. Сбой осциллографа какой-то. Осциллограммы довольно  чистенькие. А ток, как мы видим, остался практически прежним: пиковый вместо 145 мА стал 160 мА, а среднеквадратичный – вместо 116 мА стал 117 мА. Просто великолепно. Всё работает, как нужно.

Осталось только погонять схему на реальную газоразрядную нагрузку. Тогда и станет всё ясным окончательно. Но это уже только завтра. 

Пока и так всё просто фантастически хорошо. При кратковременных включениях не греется ничего. А ведь мощности вполне приличные. Скажем, 1,17 киловольт RMS на нагрузке 10 кОм это примерно 140 ватт. А 2,32 киловольта RMS на нагрузке  20 кОм это - 270 ватт. Неслабо. Но всё покажет работа на реальную газоразрядную нагрузку в течение хотя бы получаса. 

А вот и высокое напряжение...

После некоторого перерыва продолжим в том же духе. Но теперь внесём два важных изменения: намотаем трансформатор со вторичной обмоткой со средней точкой и коэффициентом трансформации для каждой полуобмотки  один к десяти. То есть, первичная обмотка содержит 15 витков провода ЛЭПКО, а вторичная состоит из двух полуобмоток по 150 витков в каждой провода ПЭТВ диаметром 0,45 мм. Второе – на выход поставим схему умножения, состоящую из двух конденсаторов типа КВИ-3 470 пФ, 16 кВ и четырёх диодов типа CL03-15, включённых мостом. Вся схема умножения залита эпоксидной смолой с мелким кварцевым песком для улучшения охлаждения диодов.
Вот эта схема, перерисованная несколько иначе, но нумерация элементов продолжена.

На схеме L4 – дроссель индуктивностью 50 мкГн, намотанный литцендратом, R4 – нагрузочное сопротивление, состоящее из набора резисторов ПЭВ -10 суммарным сопротивлением 80 килоом.

Посмотрим на осциллограммы. Как обычно, смотрим напряжение на затворе нижнего транзистора – управляющее напряжение, напряжение на стоке нижнего транзистора, обозначенное на схеме буквами OUT и выходное напряжение на нагрузке – резисторе R4. 

Как видим, результат просто поразительный. При выходной ёмкости умножителя на уровне паразитной, даже без кабеля, напряжение достигает в амплитуде четырёх с половиной киловольт! И это на нагрузке 80 килоом! Следовательно, мощность на нагрузке примерно равна сто шестьдесят ватт – из среднеквадратичного значения. Но нас интересует именно амплитудное значение. Именно оно и будет пробивать газоразрядный промежуток. Набор резисторов может рассеять только 80 ватт, поэтому включения были кратковременными. 

Вообще-то нас интересует напряжение на холостом ходу, поэтому увеличим сопротивление нагрузки в несколько раз и посмотрим, что получится. Мне кажется, амплитуда должна достигнуть пяти-шести киловольт. Это будет просто здорово. 

Посмотрим, а как же переключаются транзисторы? Вот осциллограмма нарастания напряжения на стоке нижнего транзистора: 

Видим, что время нарастания не превышает двухсот наносекунд. И никаких ступенек, звона и прочей ерунды.

А вот это – спад напряжения на стоке нижнего транзистора:

То же самое – очень чистая осциллограмма и на всё уходит не более двухсот наносекунд. Просто идеально. 

Видим, что частота немного плывёт – от шестидесяти восьми до шестидесяти девяти килогерц. Но это такие мелочи, что не будем обращать внимание. Главное – никакого резонанса, всё чисто и красиво. А почти пять киловольт спокойно получаем. 

На следующем этапе увеличиваем сопротивление нагрузки примерно до мегома и надеемся получить амплитуду порядка шести киловольт. Если будет запускаться неустойчиво, поставим резистор в несколько килоом параллельно первичной обмотке высоковольтного трансформатора. Преобразователь подгрузится немного и должен будет запускаться надёжнее. Кроме того, прикрепив к резистору термостат с температурой отключения градусов 80 мы получим защиту от долговременной работы преобразователя на холостом ходу. Резистор будет нагреваться за несколько секунд и схема обесточиваться. Нужно только подобрать подходящую величину сопротивления. 

Но этим займёмся послезавтра. Новый год у нас или нет?

Продолжаем разговор...

Провёл ряд экспериментов со схемой и немного запутался. Множество перепаек, на плате куча лишних деталей. Решил вернуться к старой плате с преобразователем на транзисторах IRF740. Убрал там всё лишнее и оставил самую классическую схему. Вот такую:

Резистор R2 выкинул совсем, стабилитроны – тоже. Просто я подумал: а зачем все эти цепи стабилизации, когда генерация возникает всё равно на половинной резонансной частоте контура?

Исследования цепей стабилизации и регулировки частоты вовсе не закончены. Они ещё пригодятся и будут продолжены. Но сейчас у меня задача – получить напряжение хотя бы 5 киловольт от предельно простой схемы с трансформатором на феррите ETD59 – самый большой из компактных вариантов, которые есть у меня. Обязательно буду использовать схему удвоения – не смогу сделать хорошую изоляцию на 5-7 кВ на таком маленьком трансформаторе. А в масло всё засовывать не хочется.

Трансформатор Т2 намотал на том же сердечнике из феррита 2000НМ1-36 типоразмера 10х6х3. Те же самые 20 витков в три провода. Индуктивность обмотки получилась примерно 150 мкГн. Маловато будет. Похоже, придётся искать кольца диаметром 7 мм. 20-30 витков в три провода в них влезут без проблем, а для обеспечения той же частоты при меньшем сечении феррита можно будет намотать больше витков. Это лучше, так как индуктивность зависит от числа витков квадратично, а нам бы её иметь побольше было бы хорошо. Почему? Давайте прикинем.

Пусть индуктивность обмотки – 200 мкГн. Частота колебаний – 100 килогерц. То есть, 5 микросекунд – одна полярность, 5 следующих микросекунд – другая полярность. Амплитуда импульса пусть – 20 вольт. Вспомним формулу:

                U = LdI/dt.

 Получается, что за пять микросекунд напряжения 20 вольт, приложенного к индуктивности 200 мкГн, ток в этой индуктивности достигнет величины:

                dI = U*dt/L =20 * 5/200 = 0,5 А.

Это немало совсем. Ставим резистор  R1 в 30 Ом и через 5 микросекунд на нём будет выпадать 15 вольт из двадцати имеющихся. Значит, на затворе напряжение снизится до пороговых пяти вольт и транзистор начнёт закрываться безо всякого насыщения. Это грустно.

Можно, конечно, поставить резистор ом в 15-20, но ток в полампера гонять через крошечный трансформатор и тонюсенькие провода не хочется. Надо бы индуктивность увеличить хотя бы раза в два-три. Но порядок величины тока в схеме управления и индуктивностей обмоток мы теперь представляем. Будем работать.

Так вот, При индуктивности дросселя L4, равной 40 мкГн и ёмкости конденсатора С4 в 0,015 мкф преобразователь запустился на частоте примерно 90 кГц и выдавал мощность порядка ста ватт на резистивную нагрузки. Транзисторы без вентилятора были холодными. А осциллограмма получилась такая:

Видим, что на нагрузке примерно в 10 кОм мы получили амплитуду напряжения в 1,76 киловольт!!! Осталось эту переменку выпрямить и удвоить.

А какие получились красивые осциллограммы!!! Рассмотрим поближе фронты напряжения на стоке нижнего транзистора – голубой луч, №2. 

Спад напряжения, то есть – время закрывания верхнего транзистора плюс время открывания нижнего в сумме длятся не более двухсот наносекунд!!!!

И передний фронт импульса – время открывания верхнего транзистора плюс закрывание нижнего тоже не более двухсот наносекунд!!! Видим, что никаких ступенек нет и в помине!!! Просто фантастика и с этим нужно ещё разбираться, конечно. Но, главное, система работает почти идеально. Ничего не греется абсолютно. 

Завтра попробую это красивое почти синусоидальное выходное напряжение выпрямить с удвоением. Если получится, это будет просто здорово. 

Движемся к резонансу...

Включил между точкой OUT и первичной обмоткой силового трансформатора дроссель из литцендрата индуктивностью примерно 95 мкГн, а параллельно первичной обмотке - ещё и конденсатор. Вот, как L4  и C4 на схеме:

Ёмкость конденсатора выбрал 0,022 мкф. Резонансная частота получилась порядка ста килогерц. А преобразователь запустился на частоте 47 килогерц примерно. Регулировка напряжения стабилизации стабилитрона приводила к довольно странным эффектам, их ещё нужно исследовать. Но ясно одно: происходит как бы "затягивание" частоты, что ли и преобразователь запускается на половинной частоте резонансного контура. 

Вот осциллограмма: 

Такое впечатление, что там ещё один контур есть, видимо, с паразитными элементами какими-то. Навскидку это неясно. Будем разбираться. 

Попробую проверить, действительно ли запускается преобразователь на половинной частоте? 

Добавлю параллельно С4 ещё три таких же конденсатора, чтобы частота колебаний снизилась вдвое. Ничего больше не меняю. Получаю вот такую осциллограмму. 

Частота колебаний - примерно 25 килогерц! То есть, как раз в половину резонансной. Причём, как мы видим из нижней (зелёной) осциллограммы, коммутирующий трансформатор уже вошёл в насыщение, а транзисторы не переключились! На первый взгляд, это довольно странно. Нужно и в этом разбираться ещё. Но пока это не так важно, наверное. 

Важно то, что спокойно получили полтора киловольта на выходе, на резисторе в 10 килоом. А коэффициент трансформации - всего пятёрка. Больше семисот пятидесяти вольт получить невозможно напрямую. 

Попробовал ещё выпрямить выходное напряжение с удвоением. Но не получилось. Импортные дисковые конденсаторы на 1000 пФ, 15 киловольт жутко греются на переменном токе. На месте фильтрующих - холодные, а при смене полярности - жуткие потери. 

Нашёл старый советский КВИ-3, 3300 пФ, 10 кВ. Думаю, этот получше будет. Завтра постараюсь проверить его на нагрев. 

Завтра, кроме проверки КВИ-3 в удвоителе напряжения, попробую увеличить частоту раза в полтора. Килогерц бы до семидесяти-восьмидесяти поднять. Можно попробовать получить интересные эффекты. Но это позже, пока ничего не понятно. 

Исправлена схема. На самом деле, сигнал обратной связи поступает всегда прямоугольный, именно с точек OUT и +V/2. Для того и мотался специальный трансформатор обратной связи, чтобы сигнал обратной связи был всегда стандартным, независимо от нагрузок и формирующих цепей в нагрузке.