一台典型的ClassE特斯拉线圈
最近大家都在发CLassE线圈的作品,很是心痒痒。所以也分享一下自己原来做的一个小DEMO。这台CLassE线圈用的是这张原理图
proper_4MHz_classE_SSTC.gif


这张原理图来自一个乌克兰的博主。在各种ClassE原理图中出现得比较晚,可以博取众长,也较为稳定。
原理分析:
原理图分为三个BLOCK,左下角的电路部分可以简单看做信号源+缓冲放大的组合,用来输出有一定驱动能力的4.0MHz的信号。
左上角电路部分,为图腾驱动一个带有偏置电压的MOS放大器,此部分MOS工作于A类放大器状态。
而输出通过选频回路,与IRFP450场效应管的栅极发生谐振,通过LC能量交换的原理,从而实现在高频下,达到额定驱动电压的目的。
而IRFP450栅极回路产生谐振,由初级线圈与次级线圈之间的耦合产生双谐振,从而在次级线圈感应出高压,最终以放电的形式出现在顶端。
调节的部分有三个,一个是150p电容后的节点电流,一个是GDT1之后的静态栅极电压,一个是47PF可变电容。
在电路中,若无外加漏感线圈,则需要通过调节GDT的线圈来实现栅极谐振。
而通过加漏感线圈的方式,能够保证每次DIY的一致性,不过对于只需要做一套实现功能的TC来说,就显得多余了。
我的方案中,是通过利用中周线圈骨架的方式,自制漏感线圈,因为参数离散性很大,所以没有一个固定的值,需要根据波形来测试。
12.jpg


板子的布局不是太好,实际上这样会有产生自激震荡的风险。在实际测试过程中,功率开大,会对信号输入端造成干扰。
123456.jpg


工作中的状态,由于RFC电感的作用是隔断交流,所以在这里使用了非晶磁环。
非晶磁环有体积小,感量大的优势。
1234.jpg


这个波形是IRFP450栅极驱动波形,约为15Vpp。此时处于最佳状态,要求GDT的阻抗匹配和谐振达到最佳状态。
而实际调试的时候,主要就是调试这个部分。至于具体什么电路去实现都无所谓。
就像tyl说的一样,用全桥去驱动都行。
12345.jpg


这里我给了19V左右的输入电压。是通过外接信号控制右下角的BUCK驱动板来实现的。
BUCK驱动板当时是为了验证一个很有意思的设计。功能和调制率都很正常,不过由于设计失误,继电器无法过流脱开。
这部分功能就被阉割掉了。
12345678.jpg
1234567.jpg


输出的效果确实就像一朵小花。挺漂亮的,调试的过程中要小心别被灼伤,会很痛的[s::lol]。
电弧为什么这么小呢?
因为次级线圈阻抗太大,同理功率级做得功率容量再大,负载也需要适当匹配。
另外我这个电路设计的很简陋,功率再加大,就会把RFC电感的壳烧化。由于当时要求功率并不高,就没深究原因了。


要是需要做这个电路,建议不要用非晶磁环。黄白的效果应该比这个要好。
ps:这个电路带输入端子,实际上也是个RF放大器,不过通频带宽很窄就是了。。。
如果要加大通频带宽,需要在选频回路上下点功夫,比如加有源band-pass或者用简单谐振回路来选频。


末端加上无源滤波,还是很有潜力做廉价-简易的放大器的(误)。


有想到的再补充。。。
来自 特斯拉线圈
 
2016-1-26 11:17:47
1楼
如果去掉gdt1会发生什么问题呢,它的作用是用来使630谐振?
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2楼
引用 ForeverDream:
如果去掉gdt1会发生什么问题呢,它的作用是用来使630谐振?
我感觉630那里好像也是CLASS-E,不知道这样的用意是什么
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3楼
引用 OODLL:
我感觉630那里好像也是CLASS-E,不知道这样的用意是什么
让GDT的初级谐振,驱动450
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4楼
引用 ForeverDream:
如果去掉gdt1会发生什么问题呢,它的作用是用来使630谐振?
去掉了什么也问题也不会发生。
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2016-01-27 00:45:03
rb-sama(作者)
5楼
引用 ForeverDream:
如果去掉gdt1会发生什么问题呢,它的作用是用来使630谐振?
阻抗匹配来着
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6楼
   非晶磁环只适合50KHZ以下的场合,频率高了涡流损耗严重。所以会很热。非晶磁环外壳是塑料,里面是卷绕的金属,虽然这种非晶态合金电阻率比普通金属大得多,但是还是很小的。。。 下图为我暑假制作的5MHZ 推挽硬开关SSTC,栅极谐振才驱动起来。。
RFSSTC.jpg
波形.jpg
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7楼
   硬开关一样可以工作在很高的频率,不过必须做好几点:1.必须有高频的滤波电容 2.桥类结构不要想,频率上不去,推挽结构频率可以很高  
  上图那个效果,我是用申请的UCC37322和UCC37321谐振驱动两只TI公司的超低输入Qg的MOS才搞定的。
  直接用DDS一路作为驱动信号,一路做灭弧~~不灭弧不行,不灭弧果断烧UCC~~
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2016-01-28 09:21:16
rb-sama(作者)
8楼
引用 月下孤狼:
非晶磁环只适合50KHZ以下的场合,频率高了涡流损耗严重。所以会很热。非晶磁环外壳是塑料,里面是卷绕的金属,虽然这种非晶态合金电阻率比普通金属大得多,但是还是很小的。。。 下图为我暑假制作的5MHZ 推挽硬开关SSTC,栅极谐振才驱动起来。...
赞!示波器很漂亮[s::lol]
谢谢,虽然RF Choke不需要通过大能量高频,但是确实起到能量交换的作用。
这是之前的设计失误,去年就更正了,用铁硅铝材质的效果很好。

看图中线圈的阻抗很低,功率容量应该还有很大的挖掘空间,继续努力!
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rb-sama(作者)
9楼
引用 月下孤狼:
硬开关一样可以工作在很高的频率,不过必须做好几点:1.必须有高频的滤波电容 2.桥类结构不要想,频率上不去,推挽结构频率可以很高  
  上图那个效果,我是用申请的UCC37322和UCC37321谐振驱动两只TI公司的超低输入Qg的MOS...
确实,由于射频中电源层和大地相当于通路,滤波能大大降低射频回路射频阻抗。
桥式结构,如果驱动到位,可以工作在4MHz左右,效果比较差。
而且需要高电位端驱动是比较麻烦,所以桥式在高频电路少见。

用DDS的思路很好,我这个也是用DDS函数发生仪做信号初始调谐的。
因为能轻松找出次级线圈谐振频率的大概范围,大大降低工作量。

UCC系列做驱动并不适合,在5MHz这样的频率下,UCC的表现可能不如D882/B772图腾。
为什么会发热到需要灭弧断续工作,这就要说回上面的GDT的阻抗匹配作用了。
因为电容负载对于高频来讲阻抗非常低,UCC相当于输出端直接接地,当然会发热。

然而阻抗低也是有阻抗的,因为UCC本身功率足够,经过GDT变换之后就能轻松工作在CW模式了。

而用图腾经过GDT阻抗变换之后,且加入谐振,此时图腾驱动的阻抗相当于纯阻性。
所以你可以去试试加入一个电感,来让驱动波形谐振,效果会比你图上的好很多。
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2016-01-29 13:17:46
2016-1-29 13:17:46
10楼
ClsESSTCsch.jpg

这用ucc来推属于硬开关吗
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rb-sama(作者)
11楼
引用 ForeverDream:
这用ucc来推属于硬开关吗
虽然用UCC推了,栅极驱动波形是方波或者不标准的方波。
但是采集由于C6 Tank Cap的存在,仔细调谐后,是会发生谐振的。
只是正弦波的下半波,会被地平面钳位,所以这张图仔细调节参数是可以实现软开关的。

但是就这张图电路功能来说, 并没有适应任何参数的软开关功能。
但就应用环境来讲,也不算硬开关。
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