Przetwornica Mazilliego typu ZVS
Pewien szanowny pan Vladimiro Mazzilli opracował przetwornicę, która zyskała ogromną popularność dzięki prostocie, dostępności elementów i imponującemu, rozciągliwemu łukowi o wyglądzie białego płomienia. Powszechnie jest określana jako ZVS driver. Jest to błąd, gdyż ZVS to skrót od Zero Voltage Switching, czyli przełączanie w momencie, gdy napięcie wynosi zero, co daje zerowe straty przełączania. W praktyce żadna przetwornica nie przełączy się dokładnie w takim momencie, napięcie może być zbliżone do zera, ale nie równe. Jest to jedna z technik przełączania, a nie nazwa własna sterownika. Poprawne określenie to przetwornica Mazilliego!
Warto zapamiętać kilka faktów:
- przetwornica pracuje w rezonansie, co oznacza, że napięcie na uzwojeniu pierwotnym wynosi w przybliżeniu 2Π razy napięcie wejściowe
- tranzystory pracują w trybie przeciwsobnym - naprzemianlegle przepuszczają prąd uzwojenia pierwotnego w przeciwnych kierunkach
- kondensator rezonansowy oraz uzwojenie pierwotne decydują, przy jakiej częstotliwości przetwornica będzie działać
- dławik połączony szeregowo z uzwojeniem pierwotnym przekształca prąd impulsowy w sinusoidalny dzięki zjawisku samoindukcji
- diody Zenera ograniczają napięcia na bramkach. Gdyby napięcie przekraczało maksimum tranzystora, mógłby się uszkodzić. MOSFET'y są na to czułe!
- na uzwojeniu pierwotnym dochodzą amplitudy napięcia wynoszące ponad trzykrotność napięcia zasilania - wynika to z rezonansu i musi być to brane pod uwagę przy doborze elementów
Co potrzebujemy do skonstruowania przetwornicy?
- Kondensator rezonansowy
-
Musi być przystosowany do pracy impulsowej, mieć odpowiednie napięcie przebicia (przynajmniej trzy razy tyle co napięcie zasilania) i być wykonany porządnie. Bardzo dobrze mi działały kondensatory Arcotronics 0.68µF 450VAC i Miflex X2 1µF 275VAC - niżej zamieściłem ich zdjęcie. Praktycznie nie grzały się w ogóle! Pierwszy to typ foliowy, a drugi polipropylenowy metalizowany, który występuje także pod nazwą MKP (z racji, że jest klasy X2, może pracować na napięciu przemiennym skutecznym wyższym niż 275 o jakieś kilkadziesiąt woltów). Im wyższa pojemność, tym mniejsza częstotliwość i vice versa, co jest zgodne z wzorem na częstotliwość rezonansowego obwodu LC [patrz obok]
L - indukcyjność uzwojenia pierwotnego w henrach
C - pojemność kondensatora rezonansowego w faradach
- Tranzystory
Tranzystory typu MOSFET i IGBT nadają się do tej przetwornicy, z czym pierwsze będą sprawniej działać ze względy na mniejsze czasy narastania i opadania napięcia. Przy wyborze musimy się kierować kilkoma kryteriami. Po pierwsze, napięcie dren-źródło (drain to source) musi być przynajmniej trzy razy większe niż napięcie zasilania, jeśli nie chcemy, żeby popaliły się na skutek amplitud uzwojenia pierwotnego. Po drugie, muszą mieć niski opór wewnętrzny - jak pisałem wcześniej, przez przetwornicę przepływa prąd o natężeniu kilkunastu amperów, więc im mniejszy opór, tym mniej się nagrzewa. Wg. schematu R(ds)ON (czyli opór na drodze dren-źródło przy otwartym tranzystorze) ma być mniejsze niż 150 mΩ. Możesz spróbować z większym oporem, ale będziesz musiał liczyć się z sporą ilością wydzielanego ciepła i ew. przegrzaniem się. IRFP250 ma wg. dokumentu specyfikacyjnego niezłe parametry - opór 85 mΩ, 180W wydzielanego ciepła (chóć to mało istotne, bo opór jest mały, a tranzystory w tej przetwornicy pracują bardzo sprawnie i straty są naprawdę znikome) i maksymalne natężenie robocze 33A (ponad dwa razy tyle, ile potrzebujemy). Jedynie co boli, to napięcie dren-źródło, które wynosi 200V, więc napięcie zasilania może maksymalnie wynosić 50-60V (oczywiście można spróbować więcej - przeciążanie ma to do siebie, że ryzyko uszkodzenia nie jest stuprocentowe - można pokombinować na krótki czas z sukcesem). Koszt takiego tranzystora to około 3-4zł, jednak wiele sklepów oferuje je za znacznie wyższą cenę (średnio 5-10zł, a widziałem nawet 15-20zł. Przetwornica c4r0 działała bardzo dobrze z tranzystorami IRF640 (200V, 18A i 180mΩ). Można też spróbować kupić okazyjnie na allegro paczkę tranzystorów. Kiedyś kupiłem na allegro paczkę z 200 tranzystorami, ale na skutek pewnych komplikacji z finalizowaniem transakcji dostałem je w ramach przeprosin za friko bez kosztów wysyłki ;-)
- Diody i oporniki
Para szybkich diód na napięcie takie samo jak tranzystorów, czas ustalania wstecznej charaktetystyki (nie wiem czy to tłumaczenie "recovery time" - takie znalazłem w google :P) kilkadziesiąt nanosekund (chóć c4r0'wi dobrze zadziałały zwykłe diody prostownicze 1N4007). Z łatwo dostępnych można kupić 1UF4007. Diody Zenera od 12 do 18V (radziłbym kupić 15V lub 18V - im większe napięcie na bramce, tym "dokładniejsze" sterowanie, moim zdaniem, ale o maksimum należy pamiętać) o mocy przynajmniej 0.5W (0.25W u mnie się paliły). Oporniki nie muszą być dużej mocy, wystarczy 0.5W - są one w części sterowniczej przetwornicy, gdzie nie ma dużych prądów. Ich sugerowany opór to 10kΩ.
- Dławik
Żelazny proszkowany dławik toroidalny - oto czego szukasz. Każdy zasilacz komputerowy ma przynajmniej jeden taki w kolorze biało-żółtym. Zwojów musi być na tyle dużo, żeby prąd wyjściowy miał charakterystykę sinusoidalną. Zbyt mała ilość zwojów oznacza niską samoindukcyjność i charakterystyka będzie przypominała prostokątną. Zbyt duża samoindukcyjność zapewni sinusoidalny prąd, ale o mniejszych amplitudach. Spadki napięcia obniżające amplitudy przełożą się na dodatkowe ciepło rdzenia. Najlepiej jest skorzystać z oscyloskopu i dokładać zwoje, aż przebieg stanie się piękną sinusoidą. Jeśli nie posiadasz tego urządzenia, nawiń około 20-30 zwoi emaliowanego drutu o średnicy minimum 1mm.
Na podstawie schematu wykonałem pierwszą wersję przetwornicy, której zdjęcia obejrzycie niżej:
Niestety, ta wersja nie zadziałała. Wtedy miałem znikome pojęcie na temat funkcjonowania przetwornic z tranzystorami i tak kombinowałem, kombinowałem, aż stwierdziłem, że zrobię jeszcze raz od nowa. Do tej decyzji skłoniły m.in. kondensatory, które powiedziały nie i na pożegnanie pierdyknęły dymkiem. Trzecia wersja zadziałała i okazało się, że winowajcą było nieprawidłowo podłączone szybkie diody oraz źle zrobione uzwojenie pierwotne. Diody powinny być tak wlutowane, że anoda jest podłączona do bramki tranzystora, a katoda do drenu drugiego tranzystora. Mój błąd polegał na tym, że lutowałem diody do każdego tranzystora osobno - nie sądziłem, że robi to różnicę. Natomiast prawidłowe pierwotne to kilkanaście zwojów nawiniętych w jedną stronę z odczepem w środku (inaczej mówiąc, nawijamy jedną cewkę, odskrobujemy na środku izolację i przylutowujemy kabel, który będzie środkowym odczepem). W ten sposób prąd płynący z centralnego odczepu może płynąć w przeciwnych kierunkach. Ja zrobiłem dwie osobne cewki nawinięte w tym samym kierunku. Driobiazgi, a zadecydowały o działaniu przetwornicy. Fotki:
Cała platforma testowa wyglądała następująco:
Na górze mamy transformator toroidalny sieciowy (link do fotki) o mocy 100W i napięciu przemiennym wyjściowym 24V. Do jego wyjścia podłączyłem mostek prostowniczy oraz kondensatory filtrujące połączone szeregowo i o pojemności 2500µF. W ten sposób otrzymałem 35V prądu stałego, który zasila przetwornicę ZVS. Następnie przetwornica przetwarza prąd stały w prąd impulsowy o częstotliwości kilkudziesięciu kiloherców. Zmienne pole magnetyczne wytwarzane przez uzwojenie pierwotne transformatora wysokonapięciowego indukuje wysokie napięcie w uzwojeniu wtórnym. Przewody WN podłączyłem do stalowej stopki oraz do kijka z elektrodą na końcu. Położyłem także próbnik na stopce, dzięki czemu wiedziałem, czy jest napięcie. I tak przygotowany układ odpaliłem i ujrzałem coś takiego:
Łuk zachowuje się jak płomień, jest biały i ma pomarańczową poświatę. Jest rozciągliwy, zapala się przy odstępie między elektrodami ok. 4mm i rozciąga się do ok. 3cm. Niestety, kondensator po krótkim czasie znów pierdyknął, tym razem dziwną, białą i lepką siecią, która bardzo przypominała pajęczynę. Niemniej byłem zadowolony z upragnionego sukcesu i oczywiście zachciało mi się bardziej imponujących łuków. Następnie przebudowałem przetwornicę na schludniejszą:
Były później jakieś modyfikacje, lecz nie pamiętam ich. Sprawiły, że łuk stał się dłuższy i bardziej puszysty. Rozciągał się maksymalnie do 6cm. Poniżej próbki do obejrzenia:
Przetwornica, dzięki swoim zaletom, ma kilka ciekawych zastosowań. Można ją wykorzystać do zrobienia grzałki indukcyjnej, gdzie zamiast transformatora wysokonapięciowego wykorzystuje się cewkę grzejną oraz kondensator. Nie jest jednak to grzałka wyższych lotów. Owszem, pompuje dużo mocy, ale niewielka częstotliwość jak na takie urządzenie, sprawia, że trudno spodziewać się widowiskowych efektów takich jak topnienie grubych śrub czy innych ferromagnetyków. CompWiz w swoim temacie na forum 4hv.org opisał swoje sukcesy i problemy na tym polu. Z kolei Vasil zrobił transformator Tesli w oparciu o tą przetwornicę. Wyniki są jak najbardziej imponujące. Dodatkowo sprawdził, jak wygląda lampa plazmowa podłączona do tej przetwornicy. Wyglądała nieźle.