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米糕丶 发布于2017-01-26 14:57
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浅谈特斯拉线圈初级和次级参数的设计(附带TC计算器)

楼层直达
发现很多刚玩TC的人对于初级和次级线圈的参数的确定有疑问,比如次级用多粗的管多粗的漆包线,绕多少圈数等。所以在这里给大家讲一下我的思路。


首先来说一些废话。目前SSTC和DRSSTC最常见的方案是逻辑门自激,然后推动桥式逆变电路,用手里的灭弧控制器来控制工作频率和时间。无论是买的板子或者是自己焊接的板子,就算电路图有略微的不同,但是本质都是一样的。


那么,为什么大家都用着同样的电路,有的人的TC效果特别好,有的效果却不尽人意呢?在功率差不多的情况下,造成的差距的地方就是初级和次级回路的设计是否合理了(包括耦合度)。控制电路都大同小异,大家是没有太大的发挥空间的,而初级次级的参数的设计就是广大爱好者可以自由发挥的地方了。如果说控制电路设计合理能出效果,那么初级次级设计合理就可以让效果达到最佳。


而对于SGTC,在相同的电源的情况下,初级次级的设计好坏对于最终效果的影响则更加明显。


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接下来进入正题。


做一个TC,首先要确定的还是频率。而频率的确定,首先要看你用的是什么功率元件。根据常见的情况分为以下三类:


1.IGBT模块:适合做DRSSTC,频率一般定在50KHz以下,当然可以根据实际使用的模块作调整(具体查器件手册)。


2.IGBT管:如果做DRSSTC,建议频率100KHz-200KHz。因为DRSSTC功率元件是工作在软开关状态下,所以IGBT管最高可以工作在200KHz。使用IGBT管的话功率不会太大,所以尽可能缩小次级的体积,所以建议频率也不必太低,100KHz以上。做SSTC不建议使用IGBT管,因为SSTC的功率管是工作在硬开关的状态下,此时IGBT管工作频率只允许在30KHz以下,此时就需要一个特别大的次级来达到这个频率,而SSTC的电弧又不会太长,这就造成了弧次比严重不和谐。


3.MOSFET管:这个非常适合做SSTC,建议频率200KHz-800KHz。但是它不适合拿来做DR,因为DR的功率元件在每个工作周期都要承受着几百安培的脉冲电流。从器件手册上能看出,我们做DR时选用的IGBT的ICm都可以达到几百安培,而MOSFET管的IDm仅仅几十安培,是非常不适合用在DR这种瞬间功率极大的负载上的。


根据所用的功率元件确定了你要做的TC的频率范围,因为初级的可调整余地比较大,所以接下来首先确定次级的高度和直径了。高度会影响整体体积而直径不会,所以我们优先确定高度。高度应根据功率,也就是电弧长度来取,而功率和频率大多数情况下是成反比的,所以这里根据频率给出建议值(注意,这里指的是绕线的高度!):


50KHz以下:800mm以上。
100KHz-200KHz:300mm-600mm。
200KHz-800Khz:300mm以下。


具体高度应根据功率大小和预期的电弧长度来确定,一般弧次比1:1比较合适。


然后需要确定的是次级直径,为了整体看上去和谐,次级的长径比一般定为1:2-1:4。刚开始拿不准的就定为1:3吧。这样直径也有了,但是一般我们都用PVC水管来绕次级,而PVC管的直径就那么几个,先选择比较接近的直径就可以了。


次级线圈的大小确定了接下来先确定顶端的大小,这个没有严格的要求选择合适的大小你看着顺眼就行。顶端大小定了我们也就知道了对地电容的值。


现在,次级回路只差漆包线径没有确定了,线径的选择也是大家比较迷茫的地方了。接下来就讲一下确定线径的方法。首先,线径越细,可以在相同的体积下获得更大的电感量,但是同时次级线圈的电阻也会更大,这个电阻太大会严重抑制次级回路电压的升高,还会使次级线圈严重发热,说白了就是电弧短而且损耗大。但是线径太粗又会造成体积太大或者电感量不足,相同体积下频率达不到要求。那么我们的思路就很清楚了,就是尽可能的用细的线,但是等效直流电阻的影响要在可接受的范围内。等效直流电阻对次级的影响我们用次级线圈的感抗和其等效直流电阻之比来量化它,这个比值,我们称之为次级线圈的Q值。根据大家的经验,这个Q值只要大于200就不会让次级线圈的等效电阻对效果产生明显的影响。所以我们只要选择合适的线径使Q值不低于200就好了。


Q值为次级线圈的感抗与阻抗之比,写成公式就是Q=ωL/R


由上式总结出影响Q值的因素:
1.顶端的大小:顶端越大,等效电容越大,ω越低,Q越低
2.次级线圈的电感量:L越低,ω越低,Q越低
3.次级线圈的电阻值:R越高,Q越低


漆包线径的改变会同时影响2,3两个参数。且在同体积下,线径越小,Q值越小,反之亦然。所以我们要做的就是选择一个合适的线径将Q值控制在200-400。这么一来,一个较合理的次级参数就确定了。




初级的设计虽然大家都比较随意,但是我建议设计的时候务必结合耦合度综合考虑!初级回路还是首先设计初级线圈。!对于做一个TC来说,初级次级的耦合度是由以下因素决定的:


1.初级形状(包括高度和直径)
2.次级的高度和直径
3.次级插入初级的深度


因为DR和SGTC需要调谐,所以初级的高度无法精准的确定,但是调谐造成的耦合度变化很小,可以忽略不计。而次级的高度和直径也是已经确定的。所以我们要考虑的就是初级的直径以及次级插入初级的深度。首先确定初级的直径,如果是螺旋管初级,在保证初级次级不打火的前提下,尽可能的小以提高耦合度,如果没有把握可以适当的留的大一些。如果是平板式的,那么最靠次级的那一圈要够大保证不打火。DRSSTC和SGTC初级一般使用铜管制作。小型机一般使用6MM铜管,能保证初级不发热也方便弯折。初级的高度,也就是圈数,一般初步定为4-10圈。然后计算得出电感量,再根据谐振频率计算得出初级电容的大小。然后可以适当的增减初级圈数和初级电容大小来适当的调整谐振阻抗。


最后就是调整次级插入初级的深度来调整耦合度了。这一步非常重要!测量耦合度需要一个电感表,具体方法不展开赘述。如果做DRSSTC或SGTC,建议的耦合度是0.2-0.3。SSTC建议耦合度0.5左右。


如果是SSTC的初级,由于不需要调谐,就显得很随意了,需要注意的一点就是圈数越少耦合越高(次级插入初级的深度),功率就越大,可根据需要调整,一般4-8圈。直径比次级略大保证不打火就好。


提醒大家绝对不要忽视耦合度的影响,特别是对于DR来说,耦合度直接决定了效果的好坏,也一定程度上决定了功率元件的存亡。


最后再总结一下设计TC的思路:首先确定TC的频率(根据所用的功率元件确定)-->确定次级的体积(根据频率和喜好综合考虑)-->确定漆包线径(根据频率和Q值综合考虑)-->设计初级线圈(保证不打火的前提下尽可能缩小初级直径),计算初级谐振电容(根据谐振频率以及初级电感量计算)-->调整次级插入初级的深度(达到合适的耦合度)。


综合考虑以上几点,基本上就能设计出令人满意的初级和次级。


最后献上计算器:
tc计算器.rar



有问题欢迎加本人QQ一起探讨。
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科学狂人2046 发布于2017-01-26 16:15
沙发F
好评!认真看一遍对设计次级也信心满满了啊
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米糕丶 发布于2017-01-26 18:20
板凳F
科学狂人2046:好评!认真看一遍对设计次级也信心满满了啊回到原帖
感谢KRDS捧场
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科学狂人2046 发布于2017-01-26 19:33
地板F
米糕丶:感谢KRDS捧场回到原帖
过年好过年好
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七千八百二十一 发布于2017-01-26 23:16
4楼F
有够详细,解释出了逆变桥功率管的选型方法以及工作特点,语言精练。。学习到了~
线圈方面对各个种类的tc线圈设计方法做出了详细的解释,,这下做tc时设计线圈有比较成熟的设计方案了,总结到位。非常不错的帖子,楼主很用心,加油~
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天使之翼 发布于2017-01-27 03:20
5楼F
相当好的帖子,我们有制作思路了,谢谢LZ分享!
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米糕丶 发布于2017-01-27 09:36
6楼F
七千八百二十一:有够详细,解释出了逆变桥功率管的选型方法以及工作特点,语言精练。。学习到了~
线圈方面对各个种类的tc线圈设计方法做出了详细的解释,,这下做tc时设计线圈有比较成熟的设计方案了,总结到位。非常不错的帖子,楼主很用心,加油~
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过奖了,有心得就应该分享出来大家一起进步嘛
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楼层建筑师奖章
齐天大圣 发布于2017-01-27 12:35
7楼F
受教了 很有用
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无名英雄 发布于2017-01-27 12:57
8楼F
计算器收下了
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1137551839 发布于2018-01-06 10:43
9楼F
感谢楼主 受教了 很有用
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你爸临时前 发布于2018-02-10 02:34
10楼F
小白领教了
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你爸临时前 发布于2018-02-10 02:38
11楼F
让我先下个计算器
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seven77777 发布于2018-04-07 18:58
12楼F
咋下载
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ac437397829 发布于2018-05-07 21:50
13楼F
找了很久的东西 感谢分享
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张志豪 发布于2018-09-15 10:30
14楼F
权限不够哦
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李万健 发布于2018-12-05 23:07
15楼F
分析的很透彻
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