| DRSSTC | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| This project was intended to be done with some 40N60 IGBTs (thanx Jim Mitchell). But....until these beauties will be here, I will give it a try with some local IGBTs BUP 307 (1200 V @ 35 A) in a half bridge. Click on the pictures to see them. |
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| SECONDARY -total lenght = 21.65 inches -wound lenght = 20.98 inches -diameter = 4.32 inches D/L ratio = 1/4.8 -number of turns = 2665 with # 32 enamel wire -calculated inductance = 144547.81 uH -self capacitance =8.3143 pF -self resonance at 145.25 kHz |
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| TOP END DRAWING | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1 | 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| SECONDARY PICTURES | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| TOROIDS -little toroid: calculated capacitance = 11.77 pF -medium toroid: calculated capacitance = 16.30 pF |
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| TOROIDS PICTURE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| PRIMARY COIL -total lenght = 9.84 inches -wound lenght = 3.93 inches -diameter = 7.08 inches -number of turns = 10 with 3 mm solid copper wire -taped at 8 turns -calculated inductance = 17.61 uH |
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| PRIMARY DRAWING | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1 | 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| PRIMARY COIL PICTURES | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| PRIMARY CAPACITOR -MMC style made with 2200 nF @ 630 V caps -3 strings in parallel -one string made with 22 caps in serie -final value = 300 nF @ 13860 V |
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| UNDER CONSTRUCTION | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| RESONATOR Fres with the little toroid (now in use) = 101.15 kHz Fres with the medium toroid = 96.5 kHz |
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| RESONATOR PICTURES | 1 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DRIVER -classical self resonant driver (antenna, 1N4148 clamping diodes, 74HC14 hex inverter (5 V), UCCs inverter and non-inverter chips (12 V), 1N5819 on the UCCs outputs, 1 uf coupling cap to the GDT. To prevent the discharges to electronics the driver is located under the resonantor. |
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| DRIVER SCHEMA | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| THE BRIDGE The half bridge is made with two BUP 307 (1200 V @ 35 A) protected with MUR3060 ultrafast diodes and 30 V @ 1 watt Zenners on the gates. Gate dumping resistors = 5.6 ohms. 2.2 uF @ 630 V caps on the cap divider. Each IGBT with its own heatsink. |
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| BRIDGE SCHEMA | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| BRIDGE PICTURES | 1 | 2 | 3 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| GATE TRANSFORMER I used toroidal ferites harvested from monitor cables or cores from sources which are covered with some kind of enamel (are the best). The transformer has 5 windings with 13 turns, twisted together. One is the primary, the others are put in serie (each two) to make a 1:2:2 GDT (24 V on IGBT gate). |
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| GDT SCHEMA | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| GDT PICTURE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| INTERRUPTER SCHEMA | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| INTERRUPTER Built around a 555 chip with variable ON and OFF times. Turning to 0 the 500 kohms pot, I can use the interrupter for the mini- ISSTC setup. |
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| INTERRUPTER PICTURE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| POWER SOURCE -220 V / 250 V @ 10 a variac with a 16 A fuse -full wave rectifyed with a 1000 V @ 35 A bridge on a heatsink -DC bus capacitor: 470 uF @ 400 V (until now). |
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| FIRST TRY: 40 CM SPARKS, BURNED PRIMARY CAPS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| PICTURE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STEP TWO | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| I replaced the primary caps. Now I am using a MMC, made with 9 strings of mini caps in parallel, each string contains 3 poliprop caps 100 nF @ 1600 V in serie for a total value of 298 nF @ 4800 V |
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| PRIMARY CAP PICTURE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CD bus cap = 470 uF @ 400 V little toroid used interrupter: C = 1 uF, ON time = 1-10 msec, PRF = 2-50 pps (just keeping the PRF low to protect the IGBTs). RESULTS: 16 inches streamers |
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| PICTURES 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| PICTURES 1 | MOVIE | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STEP THREE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Built a new DC bus cap (1880 uF @ 400 V) with four 470 uF @ 400 V in parallel | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DC BUS CAP PICTURE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| medium toroid used interrupter: C = 1 uF, ON time = 1-10 msec, PRF = 2-50 pps RESULTS: 20 inches arcs |
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| PICTURES 1 | PICTURES 2 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MOVIE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| The coil will be rebuilt using suggestions from the 4HV forum. Its thread is | HERE | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| LAST BRIDGE SETUP PICTURE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Next steps: bigger IGBTs, higher voltage on gates, higher pps, bigger toroid. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| EXPERIMENTS I made a few experiments using different ON times and pulse frequencies. I used the same toroid (the little one), the same voltage input, same DC bus cap, the same gap between the toroid and the grounded wire. The results are here: |
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| HIGH ON TIME, LOW PPS The streamers don't grow after some ON duration, but become very intense and bright |
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| MOVIE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| LOW ON TIME, HIGHER PPS The streamers grow and give arcs to ground, but the intensity of the discharges is somehow lower. |
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| MOVIE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STEP FOUR It seems that I will not have 40N60s, so I will make a full bridge with BUP314 IGBTs (1200 V @ 52 A). I need a new driver with two pairs of gate driver chips, 15 V input (30 V output from a 1:2:2:2:2 GDT transformer). Maibe I will use a CT feedback. |
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| NEW GDT Because I have ferrites of different sizes and materials I choosed the design with a single gdt for a H-bridge. Two paralleled primaries and 8 secondaries, seried each two, for a 1:2:2:2:2 gdt |
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| SCHEMA AND PICTURE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| DRIVER It is the same driver as for the half bridge, but with two pairs of gate drive chips, 15 V input on UCCs (LM 7815 voltage regulator) and more protection on UCCs (0.1 uF ceramics, 20 uF tantal and 470 uF litics. |
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| PICTURE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| PICTURE | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| NEW AC-DC 15 V SOURCE FOR LOGICS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| CURRENT TRANSFORMER Little ferrite toroid with 2 turns primary and 100 turns secondary. 10 kohms resistor on the output. I will use this if the sparks will be too long :) |
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| SCHEMA AND PICTURES | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| NEW PRIMARY CAPACITOR 16 caps (5 uF @ 600 V) in serie for a total of 312 uF @ 9.6 kV Many thanx to Mazzilli Vladimiro for these caps. |
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| PICTURES | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| PICTURES | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| STRIKE RING ON THE PRIMARY | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| H- BRIDGE Made with 4 BUP314 IGBTs (many thanx to Vladimiro Mazzilli), with MUR3060s paralleled diodes, 5 uF @ 600 V caps on the rails, 5.6R resistors on gates and 33 V @ 1.3 W zenners. The IGBTs are mounted on three heatsinks held together by a plastic matrix. |
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| H-BRIDGE SCHEMA | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| H-BRIDGE PICS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| GROUNDED TARGET FOR ARCS | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| INTERRUPTER I replaced C with a 200 nF cap and the pot for R(OFF) is 1 Mohms now. T(ON) = 200 microsec- 2 msec (still too high) F = 5- 500 pps It would need a 2.5 Mohms pot for R(OFF) to have a larger range for the F (pps), even at lower ON times. |
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| FIRST TRY My new driver has some bugs. The signal from the interrupter doesn't go to the UCCs, so it works in CW mode. I have to debug it, a bad PCB design is the problem, I think. Until then, I will use my old driver (from the half-bridge), with 2 pairs of UCCs stacked together. |
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| PIC OF THE DRIVER WITH UCCs CHIPS STACKED | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| SECOND TRY It works!......but at 80 vac input I have severe flashing between primary and secondary. So my cilindrical primary is useless. I will use a flated primary made with multifilar cable (with insulated stranded wire conductors 3 x 2.5 mm). As result, even with lower coupling, the sparks are long, but I have to increase the input voltage. New primary: 6 turns, wrapped together in a coil shape (8.26 inches diameter and 1.18 height). The multifilar conductors are twisted together at the ends of the coil. Calculated inductance Lc = 12.53 microH. It is a 5 minute made primary but performs as a charm. |
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| PRIMARY PIC AND CABLE SECTION DRAWING | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| COMPLETE SYSTEM with all the parts connected together. I had to add one more cap to my Cp (294 nF @ 10.2 kV for now). |
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| PICTURES | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| RESULTS: 36 - 38 inches discharges | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| PICTURES | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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| 4 | 5 | CAPTURE PICS | 1 | 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MOVIES Increasing / varying both the ON time and pps result in bright streamers, but only a few arcs to the target (set at 36 inches). It seems that it is best to keep the ON time at minimum (200 microsec). |
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| MOVIE 1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Low ON time (200 microsec) and increasing / varying the pps during the run time. Beyond some pps value (>300-400, I think) the efficency decrease. Longer arcs are obtained with much lower pps. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| MOVIE 2 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| NEXT STEP: I am not sure if it is perfectly in tune, I have to tincker a bit. Lower ON times and 300-400 pps, with even more voltage input would give longer discharges. |
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