【设想】用BUCK芯片(XL4016E1)实现QCW
MicroTC2022/07/22原创 高电压技术 IP:湖南
中文摘要
设想通过对XL4016E1的反馈脚进行简单调制实现母线电压锯齿波形状,从而实现qcw 。(本文仅为猜想,暂未实践!)
关键词
qcw特斯拉线圈buck

      

       估计有的人看到标题的第一反应就是:拿xl4016做buck功率会小的可怜吧,怎么做得出壮观的电弧!

       其实楼主并没有想做多长的电弧,只是看重其简单。并且这样的buck体积也很小,可以装在mini TC里面,输出也能有两百多瓦,并联还能加大功率。试想一个高几厘米的TC能喷二十多厘米的电弧,何其可爱!毕竟楼主也钟爱于小TC。 sticker

    (贴上楼主之前做的一个普通的小TC,体积5cm*5cm*高4cm,电弧不是很长。)

1658494516350.png 1658494503410.png

      



       接下来进入正文。

    (事情缘由(可跳过):作为一只仰慕qcw tc 的电路小萌新,我曾想过一些奇葩电路实现锯齿波。比如下面这个是我一年前设想的:

无标题10.png

      简陋得前无古人后无来者……用两片NE555实现了qcw的buck,跑简陋的模拟器效果还贼好…… sticker 原理是用阻容电路充电波形改变三极管的等效电阻,从而调制555的输出占比空间,然而还没有真正实践……今天突然灵感一发,又创造了一个更简单的电路 sticker

    无标题10.png

           (buck的主体和NE555电路部分省略了,见谅,下面补上资料里的经典buck电路)


无标题10.png


       原理如下:ne555输出低占比的脉冲,如图所示。在555输出低电平时,三极管关闭,此时buck输出约为FB脚的基准电压,即1.25v,远远低于Tesla Coil的工作电压,电路不工作;当555输出跳到高电平时,在RC的缓冲下,三极管逐渐开启,与其上方的电阻构成分压电路,使得buck的输出电压不断升高。适当时刻,555输出再次跳转到低电平,关闭三极管,拉低buck输出电压并抽干电容。

      具体计算大致就是联立电容充电方程和分压电路,三极管be降压大致忽略算了……不过楼主把这件事交给了伟大的模拟器。如下图,楼主把buck部分简化为一个输出36v,“+”输入端接1.25v电源的理想比较器(图中1.25显示时被四舍五入了……),三极管设定增益值为180,ne555部分拿单刀双掷开关代替,直接用手控制ontime。

      可以看到,如果ontime过长,输出电压会最终变为Vcc。在ontime合适的时候,电路输出了很漂亮的锯齿波!

无标题10.png

       楼主觉得这个电路最大的特点就是buck芯片帮你省了一大堆电路,而且4016的价格也不高,买几个做buck也有几百瓦的功率。这个电路对TC的要求也有一点:输入阻抗要比较小,在三十几伏供电时最好要有一二十安的输入电流,推荐用双e TC。

       KC的各位大佬看看这个电路,欢迎挑刺!另外,想问一下4016能不能直接并联?楼主感觉好像可以。楼主才疏学浅,望大佬们多多指教!

      (最后,补上一些文件)

        xl4016资料       简单的在线仿真

attachment icon qcw buck xl4016.zip 0.54KB ZIP 37次下载

attachment icon qcw buck 双555.zip 0.98KB ZIP 20次下载

        解压后在模拟器界面打开即可。

+1  科创币    rb-sama    2022/07/23 分享原理
+1  科创币    rb-sama    2022/07/23 XL4016似乎没有同步引脚,虽然不能同步,但是可以通过SW外扩MOS来实现扩流,值得一试
来自:电气工程 / 高电压技术
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~~空空如也
肖特基的救赎
1年8个月前 IP:内蒙古
906006

对楼主的小tc挺感兴趣,能展开说说吗😂

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rb-sama
1年8个月前 IP:湖北
906051

很强的电路,分享思维和正向设计好久没看见了,赞!

这种小TC我两年前帮朋友开发做过类似的项目,

分享一下我的心得,这种双E的特斯拉线圈,可以追次级频率,所以可以不断补充能量进入,

而对于初级线圈而言,这样的特性可以弥补较低Q导致的低电压增益

同时提供了一段平坦的增益曲线可以让输出频率在很大范围内进行变动。

-

这个图片里展示的是我2020年做的一台,

输入电压在36V左右时候,IRFP250管搭建的平板线圈效果。栅极谐振匹配。

次级线圈工作之后温热,因为朋友的项目还在进行,参数介绍略过。

微信图片_20220723225414.jpg

主要分享一下QCW的斜坡波形的意义,

这个波形是我利用往期帖子里面的过零触发型灭弧器来实现的。

上升区间为10mS,第一张图在0ms谷值导通,可以看到由于较弱的初始电压

让线圈快速的匹配,功率呈现出爆发性增加,所以产生了分叉,

微信图片_20220723225421.jpg

而后面采用10mS的单次脉冲,从0触发,并且提前越过正弦波的脉冲周期,

从周期末端1mS+过零点+10mS的触发模式,

收到了最好的效果,因为这种DualCE结构的特斯拉线圈,要达到长电弧

最初一定是失谐的,如果从0开始升高,就会不可避免的遇到一个问题:

当失谐状态,终端电压很低,到斜坡的上升段,会憋住电弧。

造成虽然有很好的上升斜坡,但是会产生电弧分叉的情况,你的图片中可以看到类似趋势。

而解决方法其实就是,让正弦波上一个周期的末端触发,在放电尖端产生一定热量。

当过零点后,就可以很好的利用整个斜坡的功率,缓慢上升,

-

这样的结构可以在平板线圈的架构上,以较低的耐压值,允许较长的放电时间。

得到超过1:1的弧次比例,拥有很好的观感和电弧收益。

建议如果你用NE555做,可以在初始叠加出这样一个平台,预热放电针。

-

核心的意义可以避开缓升器件,由于追求长电弧最佳调谐效果,

而导致的初始阶段失谐,(也许尖端加上放射性物体也可也。危险切勿模仿

与一些危险方法相比,这无疑是产生剑型电弧的较佳方法。

-

另一个思路是通过仿真,让滤波电容产生一个类似上升、补偿电弧功率的曲线。

这样的收益也类似


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想做个DR
1年8个月前 修改于 1年7个月前 IP:湖南
906092
引用肖特基的救赎发表于1楼的内容
对楼主的小tc挺感兴趣,能展开说说吗😂

      想着鸽太久了不好,我先回一贴😓   虽然不是本帖的重点,但不妨说一下。这是个5v输入的mini pcb TC,升压是xl6019+抽头电感,猜测你很想知道功率和驱动部分。 sticker

无标题6.png

         嗒,功率部分就是这个图,场馆用的irf640n*2,谐振电容用的是275v10nf的黄壳子安规,初级线圈1t。次级是两层5*5的pcb线圈,5mil走线+5mil间隔,共约200t (这里感觉说匝数有点问题,因为内外层线圈的差异太大了),储能电容50v2200uF。电容充到40来v时场馆开启,电路触发,把电容放干后关闭,直接实现自动灭弧,就像打火器一样。

        反馈部分拎出来。其实反馈加驱动就是一个节能灯磁环绕制的线圈,简单得离谱,想不到吧,哈哈哈。这一招是我在贴吧的一个帖子学的,不得不说非常的香,驱动效果蛮好。反馈磁环可以看成电流互感器,驱动容性负载,具体参数可以根据TC调整。二极管建议用肖特基+tvs并联,这样能很大地减小反馈压力。

        mos  ds没并电容,并了效果还会变差,之前尝试再加一个互感器也一样,还有观察到ds有较高的尖峰😂未知原因,楼主的工具只有一个普通万用表,对此TC只知道电弧的长度……


        rb大佬的回复还在准备,不过非常感谢你的经验,还有对你的pcb qcw表示口水……


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MicroTC作者
1年8个月前 IP:湖南
906371

首先,非常感谢rb大佬的经验!最近时间很少,而且在研究关于这类电路的一些知识,回得比较晚。

说实话,我觉得我的理论知识相当匮乏,下文中有不少我的个人观点和猜测,仅供参考,不对请指出!


rb-sama在回复中提到一个最主要的问题,就是放电针的“预热”

他提到的原因我试着理(fan)解(yi)一下 sticker

在他的pcb qcw中,由于ontime开始时,tc功率逐渐上升(这里“过零触发型灭弧器”应该是跳脉冲驱动吧,通过PDM的方式实现QCW),而TC的初级处于较严重的失谐状态,以致次级输出电压较低。某时刻,电弧产生,弧容增加致频率降低。在接近初级谐振频率时,此时母线电压较高,tc功率迅速增大致电弧分叉。解决方法是在锯齿波前加个小平台,提前让tc出弧。


解决小平台问题,这不简简单单,砍瓜切菜,嘿嘿嘿哈 sticker 改动如下:三极管 ce并电阻,同时把4016的enable接555输出。

2.png

555输出高电平时,buck启动,初始时电阻分压使buck较低压输出,此时三极管电阻非常大。过一段时间,总分压比才有明显变化,斜坡出现。把模拟的图贴上来(忽视开始的过冲,请脑补我省了的EN……)。

无标题.png

(突然发现4016没有EN,6009这类boost芯片才有,又不忍心删掉这个方法……万一别的芯片有EN呢)

无标题21.png

这总没问题了,改变就是给三极管b极初始电流。

rb说这是最简单的办法,不过我好像还想到了一个更简单的办法:更换尖锐的放电针,比如注射器针管,非常具有粗暴原始之美,实测效果比较不错,hh😁



说到buck,其实我觉得4016外接mos好麻烦(我怕悬浮驱动……)记得好像有buck驱动芯片,专门外接mos,那个应该方便些。不过我不想那么做,因为我想极致mini,想做一个体积5*5*5cm以内的qcw tc😜




然后就是tc部分了。弱弱的问一句,这类tc的场馆ds要加电容吗?目前看到上好多的这类tc没加或远小于谐振电容。

个人感觉这类小tc要在低压有较大的功率,初级线圈的浪涌阻抗似乎要比较小,k值比较小。这里是否有近似的阻抗匹配?看到rb的pcb qcw似乎是tesla magnifier吧😁



说到qcw,我认为就是让tc的功率在一段时间内不断上升,不过我对这里的“上升”有些疑惑。对于使qcw的电弧最合适的增长,功率以标准的斜坡上升最优,还是有更好的上升曲线?功率的上升速度是否有最佳值,或是ontime越长越好?

仅作为猜测,望大佬们不吝赐教!

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rb-sama
1年8个月前 IP:湖北
906487
引用MicroTC发表于4楼的内容
首先,非常感谢rb大佬的经验!最近时间很少,而且在研究关于这类电路的一些知识,回得比较晚。说实话,我...

这个模拟电路就实现了,哈哈

高边驱动建议用专用芯片,自举就可以实现。

要加DS电容,进行最佳阻抗匹配,才会有最好的效果,

是Tesla magnificent,但在这不是主要因素,要保证绝缘距离才要这么做

往极限考虑,如果有良好的绝缘,能做更低间距的单层,效果还可以要好一些。

有最佳的斜坡上升率,每个线圈都不一样,ontime越长,给电弧增长的时间就越长

但如果电源功率不够,就不会继续增长,这就是症结

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