电弧如何长长长—QCWDRSSTC特斯拉线圈负载特性与调平方法理论研究
rb-sama 2020-2-19原创 特斯拉线圈高电压技术
中文摘要
用仿真工具建模QCWDRSSTC,找出最利于电弧增长的QCWDRSSTC参数。

QQ截图20160721135320.jpg

QCWDRSSTC作为特斯拉线圈中的一种,电弧长,视觉效果好,有其他种类TC无可比拟的弧次比长度,

要想设计好它,电弧要长长长,就要深入的了解它,要知道电弧增长有哪些自限条件。

他的特点我归纳于下:

1:较高的特征阻抗Zo

2:较高的耦合度K

3:较长的工作时间Ton

为了产生较直、长的电弧,基于已知条件,高于3-400KHz的频率与ms以上的Ton是典型设计指标。

-

而每个电气系统设计中,往往很多条件之间都是互相博弈、限制的,

掌握了电气系统中这些限制条件的外在因素,就可以找到电气系统设计关键指标的极限在哪,以求改进设计。

而QCWDRSSTC作为典型的热门特斯拉线圈,与普通DRSSTC的电弧产生方式,

作用机理都不一致,并且它也符合上述电气系统的分析条件,所以有必要特别拿出来作为一个小门类来讨论。

-

而QCW的电弧,是电离产生后,由于某种特定机理,电子在电弧末端向大致相同的方向继续电离空气导致的。

电弧的增长,是电离电压、加热能量、湿度、等几个复杂因素共同作用的,由于电弧产生时间很短,可假定环境不发生变化。

在调制方式适合的情况下,电弧的长度就可以简单归纳为正比于输入能量的大小。

它对电路系统带来的变化,第一是电负载变化,第二就是弧容变化。

-

除去电弧变化,电路中其他参数是可以认为不发生变化的。

而DRSSTC作为双谐振变压器,有其特定的工作区间。

根据国外爱好者的测量,普通QCW的输出电压6-80KV,而峰值功率为20KW之内。

可以大致认为最长电弧负载为1-200KΩ的量级,

a.png

利用LTspice扫描电阻,key syntax:.step param Rload 50k 1Meg 50k,Rload代表电弧负载。

可以得到典型的双谐振变压器的增益曲线,对于给定进入的信号源,呈现出两个极点。

仔细观察可以看到,20个特征曲线中,青色极值最高,而绿色最低,

这是因为由于电弧越长,给网络带来了更重的负载,在通频带不变的情况下,Q值降低了。

两个极点命名为上下极点,便于后期讨论。

可以看到,随着Q值的降低,会影响到系统的输出,电弧越长,负载越重,电压就越低。

这样的结果符合直观认识。

-

电弧不仅仅只有阻性,接下来考虑弧容,

而电弧是等离子体,有导电性,就会有自容,这个自容的讨论很多,用电线模拟不准确。

因为有粗细的区别,普遍的认为10-20pF/m的量级。

b.png

此时加入,key syntax:.param Cload=27p-Rload*1e-17,定义Cload为弧容。

这个表达式的意义在于,随着电弧的增长,弧容也在不断增长。

可以看到的是,与第一张图不同的是,随着增益下降的同时会发现,上下极点都左移了。

这也是可以理解的,因为整个系统谐振频率随着弧容增加而变低。

-

这样一来就会发现,随着QCW电弧越来越长,负载加重,并且失谐会越来越严重。

两者是电弧继续增长的最大敌人,导致电弧会在特定系统中,无论输入多大功率,都无法增长。

我们利用LTspice继续扫描,key syntax:.meas Gmax MAX V{vo2},捕捉上极点拐点规律。

c.png

抓到的数据表如左所示,可以看到绿色曲线表达的规律,负载越轻增益越大。

继续加入K因子进行两个线圈耦合度的优化,key syntax:.step param Kx 0.2 0.4 0.05

d.png

会发现,在电弧长度一定的情况下,QCW的输出是存在一段平坦带的,

该如何理解这段“平坦带”,我认为这个Gmax平坦带是能让谐振变压器正常工作的一个必要条件。

观察到另一个有趣的特点是,此时相位为-90°左右,

重新审视上极点的原理,它是由于线圈通过互感M,电容器件与Lpri-Lpri*M去掉漏感震荡得到的结果。

那么-90°就意味着,此时谐振系统除去漏感,已经发生了完美谐振,此时电压增益仅与Q相关。

而这个理想变压器仅仅受到电感L-Lleak的影响,表现为一个纯感抗。

-

如果增益Gmax可以保持恒定,那么功率Pmax的影响因素还有什么?

P=UI,输入电流同样影响着最关键的指标P,功率恒定是有助于电弧的变粗。

而K是可以影响到电流上升率的,因为对于LC系统,Zo=sqrt*(L/C),

这个被称为特征阻抗,在平滑均匀连续的传输线里也可以被称为波阻抗,衡量着电流的上升速度。

为了不让电弧分叉,必须让功率平缓的上升,所以我们扫描Iavg就可以得到特征曲线Pavg

e.png

-

经过我们纷繁复杂的工作,终于绘制出上图的曲线簇,

(待续,如何利用曲线簇优化参数)

[修改于 7 个月前 - 2020-02-20 16:29:23]

来自:高压与强磁 / 特斯拉线圈高压与强磁 / 高电压技术
 
7
2020-02-19 02:27:44
rb-sama(作者)
1楼

接一楼,Gmax能在双谐振系统中自然平稳,是因为谐振特性与负载的双重作用。

最终在普通QCW中,可以归纳为Gmax=Qsum*N*XLleak/(Xleak+Xload)

Gmax极点最大增益

Qsum等效LC谐振品质因素

XLeak未参与谐振漏感等效感抗

Xload电弧负载网络的等效电抗,其中Xload≈Rload

而Pmax=Iavg*Gmax,Iavg是初级线圈的电流,这个参数是变化的。

所以我们把LTspice的仿真条件修改为key syntax:.train 1m uic,对时域进行扫描。

-

其中一个非常重要的特性,是我用行为电压源模拟了经典UD系类电路,

f.png

可以看到震荡波形中,不同的耦合度表现出不同的Notch区间,这个Notch的意义其实就是拍频。

拍频由于上下极点的频率差而定,

所以K能够决定线圈的互感,同时也影响Notch发生的长短,

这个其实就意味着UD系列电路,在上下极点来回跳动,并不稳定跟踪。

可以用以下FFT分析来证明这一点,

g.png

UD系列是基于过零点跟踪原理来实现的,所以它只会选择能够经过0相位点的工作情况。

h.png

以上相位图有三个过零点,三个频率都可以满足UD的自激震荡需求,

Notch就意味着频率的不纯净,不稳定,所以长期以来,QCW都要通过强烈的失谐来保证选频。

这样带来的增益损失是非常可观的。

所以从现代工业的角度来看,最适合QCWDRSSTC驱动的,其实是DPLL技术。

DPLL能够锁定特定频域,来满足QCWDRSSTC对电弧长度持续的需求,工作在特定工作区间。

-

只要能够满足以上Gmax和Iavg要求,就能获得一个理想输出的双谐振变压器特性。

并且在相当大的范围内,通过母线调制器的上升,实现对曲线的调平,

-

上面的主要工作,

第一是获得正向设计QCWDRSSTC调平负载曲线的工作。

第二是获得一个稳定的,能够锁定固定极点而无需失谐为代价的数字驱动器。

第一个,已经在帖子里做介绍了,总结规律,归纳原因之后,优化就很容易了。

第二个,我正在做,基于ARM和CPLD架构的Advanced universal driver,这一块国外也有爱好者在做相关工作。

-

未来的展望:

在了解QCWDRSSTC的负载特性后,针对优化主体的调参细节不再是难点。

在完成能够稳定锁频而非简单自激驱动的驱动器,可以通过K模计数器在可编程逻辑器件中实现,能够在几个周期快速锁定。在全频域,提供很好的响应特性,这样就使不稳定、自激振荡原理的UD系列驱动升级为可控的系统。

我相信通过以上两点工作,

QCWDRSSTC在未来的时间,突破限制它架构的限制,避免现有构架堆叠功率只能增粗而非增长的缺点。

不再是只有1-3米电弧,而是可以利用普通工业级半导体器件,

Ton脉冲增加到4-500mS量级,电弧做到4-5m长度,也不再是梦想。

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2020-02-19 02:31:42
rb-sama(作者)
2楼
simulated netlist

附送Netlist,可通用于spice系类仿真软件。

L1 N001 0 60µ Rser=100m
C1 VO1 N001 10n
L2 VO2 0 35.4m Rser=105
C2 0 VO2 18p Rpar=1Meg
B1 NC_01 0 IF(I(VO2)*100000,310,-310)
V1 VO1 0 AC 310
K L1 L2 {Kx}
;.tran 1m uic
.IC V(VO1)=10
;.step param Rload 50k 1Meg 50k
;.param Cload=27p-Rload*1e-17
.meas Cxx AVG Cload
.meas LAVG MAX I(L1)
.step param Kx 0.2 0.6 0.1
.ac oct 400 100K 400K
.meas Gmax MAX V{vo2}
.backanno
.end


[修改于 7 个月前 - 2020-02-19 02:32:00]

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3楼

牛,将一个QCWDRSSTC产生电弧的过程进行系统化的分析。为圈友们提供了增粗增长电弧的方案,是目前国内圈友中第一个分析程度最高的。期待你以后的表现 sticker sticker sticker

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2020-02-20 14:08:34
4楼

只有掌握了底层原理,才能做出真正的创新。

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rb-sama
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2010/05/02注册,10 小时前活动

曾是化学爱好者转到火箭爱好者最后变成电子爱好者的科创爱好者。

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