Witam
Chciałbym zaprezentować wykonaną przeze mnie półprzewodnikową cewkę Tesli. Cewka ta powstała ponad rok temu i była moim pierwszym "poważnym" projektem.
Cewki Tesli, jak wiadomo są urządzeniami służącymi do generowania wysokich napięć (i jak widać na zdjęciach, pięknych wyładowań
). W przypadku SSTC jest to napięcie rzędu 80-100kV.
Konstrukcję jaką jest SSTC (elektroniczna cewka Tesli) odróżnia od klasycznych cewek (SGTC) wykorzystanie elektronicznego falownika zamiast oscylatora opartego na iskrowniku. Pozwala to uzyskać znacznie bardziej kompaktową konstrukcję i eliminuje konieczność używania wysokiego napięcia po stronie pierwotnej (obwód mocy jest zasilany bezpośrednio wyprostowanym i odfiltrowanym napięciem sieciowym). Dzięki temu nie zachodzi również potrzeba stosowania drogich i trudnych do zdobycia transformatorów i kondensatorów HV.
Działanie cewki opiera się na wykorzystaniu zjawiska rezonansu elektrycznego. Obwód rezonansowy znajduje się po stronie wtórnej, tworzony jest przez indukcyjność wielozwojnej, jednowarstwowej cewki powietrznej (nazywanej rezonatorem), oraz rozproszonych pojemności tworzonych zarówno przez sąsiadujące zwoje uzwojenia, jak i pojemności względem ziemi torusa, górnego terminala cewki a nawet i samego wyładowania koronowego. Aby cewka działała, wtórny obwód rezonansowy musi być "pompowany" silnym sygnałem o częstotliwości w miarę możliwości idealnie zsynchronizowanej z zachodzącym w nim rezonansem. W SSTC źródłem tego sygnału jest elektroniczny inwerter.
Co do mojej konstrukcji, jest to typowy wręcz układ wykorzystujący pełny mostek tranzystorowy. Poniżej znajdują się schematy (odpowiednio: zasilanie, sterownik i mostek) oraz omówienie konstrukcji,
Zasada działania elektroniki jest dość prosta. Antena odbiera pole elektryczne rezonatora, w ten sposób uzyskując sygnał o przebiegu zawsze odpowiadającemu rezonansowi po stronie wtórnej. Sygnał ten jest wpierw "obcinany" do odpowiedniego poziomu przez ogranicznik diodowy, a następnie formowany przez układ 74HC14 do przebiegu prostokątnego. Wykorzystując takie sprzężenie zwrotne cewka jest odporna na rozstrojenie - pojemność w obwodzie wtórnym jest zależna od otoczenia i nawet zbliżenie dłoni do rezonatora może spowodować znaczną zmianę częstotliwości rezonansowej. Gdyby sygnał sterujący pochodził z generatora o stałej częstotliwości, w takiej chwili cewka rozstroiłaby się co w najlepszym razie powoduje zanik wyładowania, ale często prowadzi nawet do spalenia tranzystorów w mostku. Sprzężenie kompletnie eliminuje takie problemy.
Ukształtowany sygnał steruje parą scalonych driverów MOSFET, które poprzez transformator bramkowy kontrolują tranzystory mostka.
Widoczny w sterowniku układ wykorzystujący NE555 to tzw. interrupter. Służy on do wyłączania/włączania pracy cewki w regulowanych odstępach czasowych. Pozwala to zmieniać zachowanie wyładowań, odciąża elektronikę dając jej czas na stygnięcie, a w przypadku bardziej zaawansowanego interruptera pozwala nawet modulować wyładowania tak, by odtwarzały dźwięk. Inną funkcją interruptera jest generowanie impulsu powodującego pojedyncze przełączenie mostka w chwili załączania cewki. Impuls ten wzbudza oscylacje w rezonatorze umożliwiając rozpoczęcie pracy cewki.
Sam mostek, to typowy mostek H na tranzystorach MOSFET. Jest on zasilany napięciem sieciowym, wyprostowanym a następnie odfiltrowanym przez pojedynczy, masywny kondensator 2200µF 400V.
Jako soft-start zastosowałem wysokoprądowy termistor NTC, głównie dla tego że miałem takowe pod ręką.
Tranzystory w mostku są zabezpieczone zestawem diod. Diody Zenera na bramce mają za zadanie chronić klucze przed szpilami z GDT (transformatora sterującego). Diody MBR2545 oraz 15ETX06 służą do zablokowania i zastąpienia wbudowanych diod tranzystorów zewnętrznymi, ultraszybki diodami. Jako że diody zewnętrzne są nawet dziesiątki razy szybsze, pozwala ograniczyć to zjawisko zwarć skrośnych i straty przełączania. Obecność tych diod jest niezbędna, jako że odpowiadają one za ochronę kluczy przed powstającymi w trakcie przełączania przepięciami. Rzeczone impulsy są zwierane na szyny zasilania, gdzie pochłaniają je kondensatory C1 i C2, następnie zmagazynowana w nich energia jest pobierana przez mostek i w ten sposób odzyskiwana.
Klucze zamontowałem parami na starych komputerowych coolerach CPU w celu zapewnienia solidnego chłodzenia. Przy włączonych wentylatorach nie następuje wyczuwalny wzrost temperatury radiatorów, co oznacza dość niskie straty.
Kondensatory w szeregu z uzwojeniem pierwotnym uniemożliwiają przepływ prądu stałego, który mógłby uszkodzić klucze.
Rezystory bramkowe R1..R4 wraz z równoległymi diodami pełnią dwie istotne funkcje. Pierwszą jest zapobieganie zwarciom skrośnym - rezystor spowalnia ładowanie bramki opóźniając załączenie tranzystora, podczas gdy dioda zapewnia szybkie rozładowanie bramki i zamknięcie klucza. Eliminuje to ryzyko powstania sytuacji gdy zarówno górny i dolny klucz są jednocześnie otwarte.
Drugą funkcją jest tłumienie pasożytniczych oscylacji - indukcyjność uzwojenia GDT oraz pojemność bramki tworzą układ LC który może wzbudzać się podczas przełączania. Takie oscylacje mogą wyprowadzać tranzystor z nasycenia, co powoduje duże straty i stwarza ryzyko jego uszkodzenia.
Tu należy wspomnieć, że wartość rezystorów na bramkach tranzystorów zależy od konkretnego modelu klucza. Pewne typowe wartości są znane, jednak powinny być ustalone indywidualnie poprzez eksperymenty i pomiary oscyloskopem, aby ustawić najbardziej optymalny czas martwy i wyeliminować zwarcia skrośne.
Używany przeze mnie rezonator został nawinięty na rurze PCV Φ110mm przy użyciu drutu Φ0,18mm; długość samego uzwojenia to 45cm. Są to wartości dość przewymiarowane i spokojnie można użyć sporo mniejszego rezonatora.
Torus został wykonany z aluminiowej rury flex Φ80mm i posiada średnicę zewnętrzną 28cm, co daje pojemność około 12pF. Częstotliwość rezonansowa obwodu wtórnego wynosi ok. 100kHz.
Uzwojenie pierwotne z kolei zostało wykonane na rurze PCV Φ160mm wycentrowanej w okół rezonatora. Zapewnia to dobre oparcie mechaniczne uzwojeniu oraz spory, chroniący przed przebiciami odstęp między uzwojeniami. Pierwotne liczy 13 zwojów przewodem-linką 2,5mm^2.
Jak widać pole elektryczne cewki jest w stanie efektywnie zaświecać lampy wyładowcze, tu świetlówkę rurową. Maksymalny dystans z jakiego udaje się ją zaświecić jest blisko trzykrotnie większy niż widoczny na zdjęciu. Jest to możliwe dzięki kombinacji wysokiego napięcia przemiennego i wysokiej częstotliwości, co umożliwia przepływ prądu zdolnego zapalić wyładowanie w rozrzedzonym gazie nawet przez tak szczątkowe pojemności, jak w układzie cewka Tesli - świetlówka - ziemia.
Udało mi się również uwiecznić pewne ciekawe zjawisko (po prawej, na wysokości podstawy wyładowania). Najprawdopodobniej jest to owad zwabiony przez ultrafiolet, na którym zapaliło się do torusa niewielkie wyładowanie koronowe.
A także fotografie wyładowań barwionych różnymi substancjami.
Tu sól kuchenna:
Oraz kwas borowym:
Na zakończenie jeszcze nagranie wyładowania:
W planach jest również budowa kolejnej, kilka razy większej cewki.
Pozdrawiam i zapraszam do dyskusji.
Cool? Ranking DIY
To standardowe rozwiązanie stosowane w praktycznie wszystkich mostkach sterowanych przez GDT. W takich układach czas martwy ustala się dobierając rezystor przy pomocy oscyloskopu.
