Projeto micro SSTC

 

Projeto micro SSTC

Status do projeto: Em andamento.

            1. RESUMO DO PROJETO

A Micro-SSTC tem por objetivo ser um projeto simples, com poucos componentes e design acessível, barato e eficiente. O sistema é todo embarcado em uma PCI única, com driver e eletrônica de potência (half-bridge e dobrador de tensão) montados nela. A eletrônica é toda encontrada no Brasil, e é bem barata se comparada com outras opções mais sofisticadas. Além disso, a idéia é que seja um conjunto pequeno, que possa ser levado para os lugares com facilidade, ofereça risco relativamente baixo e possa ser usada em cima de uma mesa para demonstrações. Com isso em mente, a altura aceita deve ser ~30cm de altura. Como a PCB tem dimensões pequenas, a eletrônica lógica e de potência serão instaladas numa case formato ATX (reciclada de uma fonte de computador). Altura da case é de aproximadamente 14cm, sobrando 16cm para a bobina secundária e topload.

    O interruptor é composto por uma placa DIGISPARK 85 com microcontrolador attiny85 e 4 knobs que fazem controle da frequência de interrupção, largura de pulso (tOn) e regula os parâmetros do modo burst (rajada). Os limites são configurados via software na programação do interruptor, o que permite usar o controle de potência via tOn sem precisar de um limitador discreto na placa.

            Parâmetros do projeto

 Fig 1 -  Parâmetros calculados na ferramenta JAVATC

    2. CONJUNTO LC SECUNDÁRIO

        É composto por uma bobina solenóide secundária e um topload em formato toroidal que aumenta a superfície do polo superior de alta tensão, conferindo maior capacitância total ao circuito - o que diminui a frequência de ressonância do sistema.

       

        2.1 BOBINA SECUNDÁRIA   

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Entradas da Bobina Secundária:

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3.75 = Raio 1 (7,5cm=Diam)

10 = Altura 1

35 = Altura 2   (altura do tubo = 25cm)

1235 = Espiras

32 = Bitola do Fio (AWG)

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Saídas da Bobina Secundária:

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291.53 [kHz] = Frequência de Ressonância da Secundária

90 [deg °] = Ângulo da Secundária

25 [cm] = Comprimento do Enrolamento

49.4 [cm] = Espiras por Unidade

0.00049 [mm] = Espaçamento Entre Espiras (borda a borda)

290.99 [m] = Comprimento do Fio

3.33 [:1] = Proporção Altura/Diâmetro (H/D)

158.426 [Ohms] = Resistência DC

49607 [Ohms] = Reatância na Ressonância

0.083 [kg] = Peso do Fio

27.082 [mH] = Les – Indutância Série Efetiva

30.524 [mH] = Lee – Indutância de Energia Equivalente

29.948 [mH] = Ldc – Indutância em Baixa Frequência

11.005 [pF] = Ces – Capacitância Shunt Efetiva

9.764 [pF] = Cee – Capacitância de Energia Equivalente

21.127 [pF] = Cdc – Capacitância em Baixa Frequência

0.1302 [mm] = Profundidade de Penetração (Skin Depth)

7.553 [pF] = Capacitância Efetiva do Topload

258.3494 [Ohms] = Resistência AC Efetiva

192 [Q] = Fator de Qualidade

  A frequência de ressonância desta bobina deve ser compatível com a frequência máxima de comutação do conjunto inversor. Como a intenção é utilizar um banco de capacitores ressonante no circuito LC primário, optei por utilizar IGBTs, que geralmente resistem melhor aos picos de corrente que ocorrem nesse tipo de sistema. O selecionado foi o HGTG20N60A4D, um transistor que já utilizei anteriormente e suporta tranquilo 150Apk em frequências moderadas (até 300kHz). Usando isso como parâmetro, a bobina foi dimensionada para obtenção de um bom fator de qualidade (Q), reatância de ressonância na faixa de 45~65Kohms (ideal é 60Kohms) e Fres de até 300kHz. O resultado final foi uma  bobina secundária  solenóide composta por um tubo de PVC de 75mm de diâmetro (3 polegadas) com 1235  espiras de fio de cobre esmaltado n32 AWG (aproximadamente 0,20mm) que, com topload, tem frequencia de ressonância natural de 420kHz. Com topload, a Fres final fica de 291Khz. Após enrolada, a bobina deve ser tratada com uma camada de verniz isolante para motores ou resina epóxi, para conferir isolação extra -que diminui a ocorrência de flashovers- e fixação das espiras de fio ao tubo, evitando que se soltem.

        2.2 TOPLOAD

    

    Toróide:

• Duto de alumínio flexível         = 63mm

• Diâmetro interno do toróide    = 75mm

• Diâmetro externo do toróide   = 201mm

Capacitância estimada de 7,6pF

    O Topload é uma peça metálica posicionada ao final superior da bobina secundária e que tem como principal função acrescentar capacitância ao conjunto LC secundário. O seu efeito mais benéfico é a redução da frequência de ressonância, que melhora as condições de trabalho para os IGBTs. Graças a esta pequena capacitância acrescentada, temos uma redução da Fres do conjunto secundário de mais de 100kHz!! (420 →290kHz).

    3. CONJUNTO LC PRIMÁRIO

    O conjunto primário é composto essencialmente por uma bobina de baixa resistência (e impedância) para permitir a passagem da corrente que alimenta o conjunto ressonante secundário. Se associada com um capacitor em serie, forma um conjunto LC, que tem várias vantagens do ponto de vista de eficiência e quando o objetivo é alcançar bons arcos, como discutiremos logo a seguir. Desta forma, o conjunto LC primário é composto por uma bobina primária de baixa resistência e baixa indutância (4 a 15 espiras de fio comum) e uma associação de capacitores em série.

       fig 2. tipos de sistemas primários (simplificado)

         3.1 Bobina primária

     A bobina primária é por onde a corrente do inversor circula, comandada pelo driver. Ela deve ser um conjunto de  baixa impedância, para permitir elevação da tensão e circulação de corrente  moderada. Quando adicionamos um banco de capacitores em série com esta bobina, criamos um circuito LC que pode ser dimensionado para casar com a frequência de ressonância da bobina secundária, o que oferece condições muito interessantes.

     Na bobina secundária, temos uma solenóide com muitas espiras de fio bem fino, que resulta em uma bobina de alta resistência (~150Ω) e indutância (27mH). Esta bobina também tem uma capacitância 11pF própria que, quando somada à capacitância do toróide (7,6pF), cria um circuito LC de indutância (L) relativamente alta e baixa capacitancia (C), com frequencia de ressonancia de 291kHz.

     Na bobina primária, por outro lado, temos poucas espiras de um fio bem grosso, que resulta numa bobina de baixissima resistencia (~1,46mΩ), capacitância quase desprezível e indutância bem baixa (6uH). Esta diferença de impedância é chave para elevação de tensão que possibilite a formação de descargas ao ar livre, mas suas características de indutância permitem que associemos um capacitor ressonante para elevar ainda mais a corrente que pode ser circulada nesta bobina. Adicionando um capacitor de 50nF e 6000V em série, conseguimos criar um circuito LC primário, que tem uma frequencia de ressonancia proxima ao da bobina secundária (neste caso 289kHz). Naturalmente, o driver comanda o circuito inversor a oscilar na mesma frequência da secundária. Se o circuito primário estiver sintonizado para a mesma frequência, a resistência deste circuito tende a baixar a Zero, aumentando absurdamente a corrente de consumo e gerando picos de corrente que podem alcançar níveis de até 600A de pico, o que aumenta a quantidade de energia que pode ser transferida para a secundária. Parece bom né? É isso que vamos testar.

  Para isso, dimensionaremos a bobina primaria: 

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Entradas da Bobina Primária:

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Condutor Primário Redondo

6 = Raio 1 (Diam =12cm)

6 = Raio 2

10 = Altura 1 (altura do tubo = 6cm)

16 = Altura 2

7 = Espiras

0.635 = Diâmetro do Fio

0.05 = Capacitor Primário (uF)

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Saídas da Bobina Primária:

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289.16 [kHz] = Frequência de Ressonância da Primária

2.6 [% alta] = Percentual de Dessintonia

90 [deg °] = Ângulo da Primária

263.89 [cm] = Comprimento do Fio

1.46 [mOhms] = Resistência DC

0.222 [cm] = Espaçamento Médio Entre Espiras (borda a borda)

1.922 [cm] = Proximidade Entre Bobinas

6.059 [µH] = Ldc – Indutância em Baixa Frequência

0.04919 [µF] = Tamanho do Capacitor Necessário com L Primária (referência)

135.67 [µH] = Lm – Indutância Mútua

0.183 [k] = Coeficiente de Acoplamento

0.126 [k] = Coeficiente de Acoplamento Recomendado

5.46 [meios ciclos] = Número de Meios Ciclos para Transferência de Energia com K

5.09 [µs] = Tempo para Transferência Total de Energia

A bobina primária é feita com serpentina de cobre de ⅜ (6,35mm) enrolado em espiral, formando uma solenóide de 5 espiras com 5mm de espaçamento entre elas. Assim, a forma total tem altura de cm e diâmetro de 9cm.

O tanque LC primário é composto pela primária e um capacitor de 0,05uF (50nF) ou mais para manter a Fres abaixo da frequência da secundária.

        3.2 Discussão sobre o primário

    Como em circuitos ressonantes sintonizados a reatância tende a zero, a corrente tende ao infinito, como podemos ver pela formula a seguir 

$X_L = 2\pi f L$

Xc=1/(2π.f.C)

Z=R+j(XL​−XC​)

R= Resistencia dos fios [Ω]

f= frequencia

XL(reatância indutiva)= 2π f L [Ω]

Xc(reatância capacitiva)= 1/2π f C [Ω]

Z= impedância total do sistema [Ω]

​

 Olhando com calma, podemos notar que XL e Xc são grandezas com comportamento oposto em função F, e observamos que estas grandezas se subtraem na equação. Na pratica, quanto maior for a frequência, menor é Xc e maior é XL. Partindo desse pressuposto, há uma frequência especifica para a qual Xl=Xc, chamada de frequência de ressonância (Fres), que é dada pela formula:

                                            

${\mathrm{Fres}}_{}=\frac{1}{2\pi \sqrt{LC}}$

Pela lógica, se Xl=Xc, então a diferença Xl-XC no calculo de Z é nula, sobrando somente R:

Z=R+j(XL-Xc)

XL=XC → XL-XC=0

Z=R+j(0)

Z=R

fig 3. comportamento de Z em função da frequência (F)

Neste caso, desprezando cálculos mais específicos e grandezas parasitas, a resistência final do sistema LC será R, que é a resistência real dos fios, conectores e aparato desse sistema. No nosso caso, R estimada da primária é de 1,46mOhms. Nessas condições, utilizando uma tensão de barramento de 110VAC dobrados (~310VDC), a corrente na bobina primária poderia ser calculada pela lei de ohm:

U=R.I

I=U/R

I=310V/0,00146hms

I=212.328,76Apk

200mil amperes de pico!!! Legal né? 

Claramente na prática não é tão simples. Existe uma série de grandezas parasitas que limitam a corrente a algo muito inferior a isso, mas a lógica permanece. Em bobinas de tesla grandes, com sistema limitador para segurança, muitos engenheiros utilizam sistemas com 300, 600, 1000, até 6000A de pico. Mas para isso, dependem de sistemas mais robustos e com aparato de segurança que não desprenderemos tempo fazendo. Para este sistema, eu proponho algo mais simples.

     O primeiro sistema de segurança é o interruptor. Como o circuito ressonante trabalha em regime de corrente alternada, Imax do sistema não é atingida instantâneamente. A energia do sistema vai se acumulando a cada ciclo de chaveamento e alcança níveis elevados, o que aumenta a tensão no tanque LC e a corrente vai junto. Se, interrompermos o chaveamento num momento onde a tensão acumulada não for muito alta e desligarmos a bobina rapidamente, isso impede o aumento da corrente que circula pela primária e protege o nosso sistema contra sobrecorrente. Por isso o interruptor tem um sistema de controle de Ton que limita o tempo de chaveamento para alguns 100-300uS.  

   (Curiosidade) O segundo sistema de segurança é o que chamamos de OCD (over current detection), que monitora a corrente do primário via transformador de corrente (CT) acoplado a um comparador rápido, geralmente LM311. Ajustamos uma corrente máxima de corte através de um trimpot no OCD e, quando a corrente no CT atinge esse limiar, circuito interrompe o chaveamento do inversor, impedindo que a corrente nos IGBTs ultrapasse o suportado.

     Para o nosso sistema, o fator limitante são os IGBTs, que estarão operando muito próximos de sua frequencia máxima. Portanto, tentarei ser mais conservador para atingir cerca de 100Apk neles, também para trabalhar com folga. 

    O interruptor será regulado de acordo no momento da montagem para a corrente nao passar disso, mas usaremos também um outro artifício.

    Como este driver funciona com feedback secundário, a frequência de oscilação do inversor será em função da bobina secundária, e deve variar pouco (285~295kHz). Para aumentar um pouco a resistência do tanque LC primário, vamos dessintonizar esse sistema levemente para que a frequência de ressonância seja próxima o suficiente para reduzir a reatância desse sistema (e manter a corrente mais alta que o normal), mas suficientemente diferente para que eles não entrem em sintonia perfeita. Assim temos que a corrente não fica maior que o normal e tende a não subir tanto a ponto de explodir os IGBTs. Para isso, este sistema será regulado para uma frequência de ressonância 7-15% menor que a do secundário, ou seja, algo tem torno de 270 a 250kHz.

    4. DRIVER

fig 4 - desenho esquemático driver+inversor

  O driver da bobina é quem detecta o sinal proveniente da bobina secundária, que é correspondente à frequência de ressonância desse circuito, e comanda o chaveamento do inversor para alimentar a bobina primária na mesma frequência. Esse sinal é adquirido pelo CT (transformador 1:50) e entra pelo pino 1 da porta Nand A do 74HC132. A nand Schmidt trigger converte a senóide para uma onda muito próxima de quadrada que comanda o chaveamento dos Chips drivers TC/MIC 4422. O arranjo de nands tem dois objetivos: 1. criar o sinal adequado e invertido para os TC 4422, que ligam alternadamente; 2. permitir a interrupção do chaveamento da ponte pela interrupção do sinal dos pinos 12 e 9 de U1, que são alimentados pelo interruptor. O resistor R2 é para prevenir falhas no desligamento da bobina pela captação de RF pelas trilhas que conectam o interruptor.

  Os TC4422 chaveiam um Transformador de chaveamento de gates (gate driver Transformer ou GDT) com o objetivo de fornecer sinal alternado para chaveamento da half bridge de IGBTs que será discutida adiante. O GDT é indispensável por permitir o chaveamento mantendo o isolamento galvanico entre os sistemas de baixa e média tensão (driver e ponte).O capacitor C2 elimina a componente DC do primário do GDT e R4 elimina possíveis oscilações harmônicas.

4. Inversor Half-Bridge

Em andamento...

Referencias:

1. GAO, Guangyan. Loneoceans Laboratories. Disponível em: https://www.loneoceans.com/labs/. Acesso em: 27 maio 2025.
2. MCGAUGHEY, Steve. DRSSTC 3 – Steve's Dual Resonant Solid State Tesla Coil. Disponível em: https://www.stevehv.4hv.org/DRSSTC3.htm. Acesso em: 27 maio 2025.
3. BARNKOB, Mads. Kaizer Power Electronics. Disponível em: https://kaizerpowerelectronics.dk/. Acesso em: 27 maio 2025.
4. FRANZOLI ELECTRONICS. Alpha-DR. Disponível em: https://franzolielectronics.com/alpha-dr/. Acesso em: 27 maio 2025.
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