Witam.
Chciałbym przedstawić wam moją konstrukcję SSTC opartą o sprzężenie zwrotne w postaci anteny. SSTC (Solid State Tesla Coil) jest to półprzewodnikowa cewka Tesli, w której iskrownik (spark gap) został zastąpiony układem półprzewodnikowym. W tym konkretnym przypadku prezentuję implementację dość popularnego rozwiązania, opartą o interrupter na NE555 (ale równie dobrze może to być inny dowolny scalak, np TL494), antence, 74HC14, transformator GDT oraz falownik (półmostek). Moje SSTC jest zasilane bezpośrednie wyprostowanym i filtrowanym napięciem sieciowym 230V.
Założenia:
- układ powinien nie wymagać strojenia dzięki użyciu sprzężenia zwrotnego
- układ powinien być zasilany bezpośrednio z sieciowego napięcia 230V
- układ powinien pracować długo bez awarii
- układ powinien pozwalać na modulacje mocy/rodzaju wyładowań poprzez zmianę ustawień interruptera
- całość (razem z płytkami i uzwojeniem wtórnym) powinna być możliwa do wykonania samodzielnie w domu
Zasady bezpieczeństwa:
Części prezentowanej tu konstrukcji znajdują się bezpośrednio pod napięciem sieciowym - bez separacji galwanicznej. Ponadto, na wyjściu uzwojenia wtórnego Tesli powstaje napięcie rzędu kilkuset tysięcy V, które może dotkliwie porazić i poparzyć. Stanowczo odradzam budowę takich urządzeń niedoświadczonym oraz niepełnoletnim. Wszystkie eksperymenty robicie na własną odpowiedzialność. Ponadto ostrzegam, że taka SSTC może powodować zakłócenia pracy a czasem nawet uszkodzenia innych urządzeń podłączonych do sieci.
Użyty schemat:
Swoją konstrukcję bazowałem na koncepcie "mini SSTC" Steviego Warda, który u nas był opublikowany w Elektronika Praktyczna 5/2000 jako "Półprzewodnikowa Cewka Tesli" autorstwa C4R0. Parę usprawnień schematu (np. diody schottky przy rezystorach bramkowych) wziąłem od użytkownika DVDM14 z naszego forum. Schematy w formacie Eagle wraz z moimi layoutami płytek dodaję jako załączniki.
Podział na moduły:
Po ustaleniu schematu na którym operuję całość podzieliłem na moduły. Wszystkie płytki zostały zaprojektowane przeze mnie i wykonane w domu metodą termotransferu.
- moduł zasilacz 5, 12, 15V - transformator 20VA zapewniający zasilanie dla układów logiki. 5V dla 74HC14, 12V dla NE555 oraz 15V dla driverów MOSFET TC4452 i TC4451. Całość można by uproscić i zasilić drivery MOSFET też z 12V, ale uznałem, że większy zapas mocy nie zaszkodzi.
W trakcie składania:
Prawie gotowy:
- moduł zasilacz 12V (do wentylatorów) - wydzielony osobno w celu uniknięcia zakłóceń.
Na zdjęciu wraz z wentylatorem, który potem został przyczepiony do dużego radiatora:
- moduł sterownik logiki/interrupter - na pokładzie jest NE555, 74HC14, drivery MOSFET TC4452 i TC4451 wraz z kondensatorami tantalowymi i odsprzęgającymi (oba niezbędne!) antenka, oraz pojedynczy tranzystor odpowiedzialny za modulację sygnału antenki z pomocą interruptera.
W trakcie składania:
Te potencjometry potem wydzieliłem na przewodach z dala od płytki by można było wygodniej zmieniać ustawienia w trakcie pracy cewki.
Dwa zdjęcia z samych testów sterownika:
- moduł falownik (półmostek, halfbridge) - wraz z mostkiem Greatza i kondensatorem 220uF oraz snubberem 1uF prostuje i filtruje prąd bezpośrednio z sieci (bez separacji galwanicznej). Jego sercem są dwa MOSFETy IRFP460 które są sterowane poprzez GDT i naprzemiennie się otwierają przepuszczając prąd przez uzwojenie pierwotne Tesli. W celu zablokowania wewnętrznych diod między drenem a źródłem MOSFETów zastosowane są tutaj diody schottky oraz zewnętrzne, szybkie diody które przejmują funkcję tych zablokowanych.
Cooler na 12V i tranzystory:
Całość w trakcie składania:
Uzwojenie wtórne (rezonator Tesli)
W projekcie testowałem dwa różne rezonatory które różniły się tylko grubością drutu.
Uzwojenie pierwsze:
- drut: 0,35mm
- średnica rury PCV: 11cm
- wysokość rury PCV: 23 cm
- rezonans uzwojenia: około 470kHz (dodatkowo potem obniżona torusem)
Zrzut ekranu z Tesla Coil Designer dla tych parametrów:
To było moje pierwsze uzwojenie z którym udało się uruchomić SSTC na 230V. Niestety przebiegi nie były idealne i trudno mi było je poprawić. Dlatego postanowiłem nawinąć kolejne uzwojenie, o podobnych parametrach ale drutem innej grubości (co też implikuje inną częstotliwość rezonansową):
Uzwojenie drugie:
- drut: 0,17mm
- średnica rury PCV: 11cm
- wysokość rury PCV: 23 cm
- rezonans uzwojenia: około 230kHz (dodatkowo potem obniżona torusem)
Zrzut ekranu z Tesla Coil Designer dla tych parametrów:
Różnica w pracy Tesli była znacząca. Pierwsze uruchomienie z nowym rezonatorem skończyło się przebiciami z torusa do uzwojenia wtórnego i nawet pierwotnego - dopiero potem podniosłem wtórne i to trochę pomogło. Generowane wyładowania były większe a przebiegi na półmostku lepsze (mniej zakłóceń, dzwonów). W tym momencie pierwsze uzwojenie "poszło w odstawkę". Wynikało to z różnicy częstotliwości rezonansowej obu uzwojeń - im mniejsza f. rez, tym większa moc a jednocześnie przełączanie się kluczy jest łatwiejsze.
Jedno z uzwojeń (już nawinięte):
Wnioski z porównania obu uzwojeń:
- zdecydowanie lepiej nawinąć wtórne cieńszym drutem w celu uzyskania niższej częstotliwości rezonansowej, zwiększa to moc urządzenia a jednocześnie ułatwia pracę kluczy (obniża częstotliwość pracy całości)
- jedynym minusem użycia cieńszego drutu jest trudniejsze nawijanie całości
Działanie interruptera
Układ interruptera oparty o NE555 pozwala na modulację pracy cewki. Jeden potencjometr reguluje czas ON (cewka włączona), a drugi czas OFF (cewka wyłączona). Regulując te czasy można otrzymać różne poziomy mocy oraz efekty.
Krótki ON długi OFF
Krótki ON krótki OFF
Długi ON długi OFF
Długi ON krótki OFF
Moim zdaniem najciekawszy efekt (niemalże jak w trybie Continous Wave) - tu Tesla generuje już nie iskry, lecz gorące, żółte plazmowe łuki niczym ZVS.
Kosztorys:
Prace nad moją SSTC trwały dość długo i powstało jej kilka wersji, ale tu postaram się mniej więcej oszacować każdego z modułów a potem koszt całości:
Moduł zasilania 5V, 12V, 15V:
- stabilizatory 5V, 12V, 15V - 3 zł
- transformator 20VA 24V - 20 zł
- kondensator 35V 2200uF - 1 zł
- kondensatory 100nF - 1 zł
- laminat, reszta - 5 zł
Całość: 30 zł
Moduł zasilania 12V:
- stabilizatory 12V - 1 zł
- transformator 20VA 24V - 20 zł
- kondensator 35V 2200uF - 1 zł
- kondensatory 100nF - 1 zł
- laminat, reszta - 5 zł
Całość: 28 zł
Driver logiki:
- 74HC14 - 3 zł
- NE555 - 1 zł
- TC4452 - 10 zł
- TC4451 - 10 zł
- BC547 - 1 zł
- kondensatory tantalowe 47uF - 2 * 3 zł = 6 zł
- potencjometry obrotowe - 2 * 1.5zł = 3 zł
- laminat, reszta - 5 zł
Całość: 39 zł
Falownik (półmostek) zasilany bezpośrednio z sieci:
- IRFP460 - 2 * 7 zł = 14 zł
- kondensatory WIMA MKP10 400V 0,68uF - 2 * 3 zł = 6 zł
- kondensatory WIMA MKP10 400V 1uF - 4 zł
- mostek greatza 15A 800V - 3 zł
- kondensator elektrolityczny 400V 220uF - 8 zł
- shottky - 5 zł
- diody szykie BYV-29 - 2 * 4zł = 8 zł
- radiator i wentylator - 20 zł
- laminat, reszta - 5 zł
Całość: 73 zł
Uzwojenie wtórne:
- rura PCV 1m średnica 11cm - 10 zł
- drut 0,17mm - 10 zł (za 550 metrów)
- dwie misy aluminiowe - z kuchni
- lakier, reszta - 5 zł
Całość: 25 zł
Koszty są orientacyjne i mogą się różnić od rzeczywistych. Cewkę budowałem od dłuższego czasu i miała parę wersji - tu przedstawiam tylko koszt wersji finalnej. W podanych tu kosztach nie wliczałem ceny przesyłki elementów oraz kosztów elementów zapasowych, które przy budowie SSTC często się przydają.
Koszt całości: około 200 zł
Galeria:
Część obrazków to animowane gify (animacja zaczyna się po otwarciu obrazka w przeglądarce).
Żarówka na torusie zamiast breakpointa:
Wiele wyładowań koronowych wokół torusa:
Podwójne wyładowania koronowe z radiatora:
Mały "piorun" uderzający puszkę przy ustawieniu cewki na pracę o małej mocy:
Wyładowanie koronowe o małej mocy z breakpointa:
Cztery wyładowania koronowe z radiatora:
Świetlówki (nawet trzymane w dłoni) "same" świecą się w pobliżu Tesli.
Wyładowanie dużej mocy:
Ewentualne możliwości dalszej rozbudowy
Bieżący układ pozwala na następujące możliwości dalszej rozbudowy:
- dodanie modulacji audio (tzw. "grająca Tesla")
- zamiana półmostka na pełny mostek (cztery MOSFETy zamiast dwóch, większa moc)
- zamiana półmostka opartego na MOSFETach na jego odpowiednik oparty na IGBT
Podsumowanie
Konstrukcję uważam za w pełni udaną, a docelowo otrzymane efekty są lepsze niż na pokazanych filmach (większość filmów jest z czasów, gdy było pierwsze uzwojenie wtórne nawinięte drutem 0.35mm, teraz jest lepsze wtórne nawinięte drutem 0.16mm). SSTC udało się uruchomić na napięciu sieciowym za pierwszym razem, bez uszkadzania żadnego MOSFETu. Budowa całości była pouczającym zadaniem i pozwoliła zaznajomić się m.in. z zasadami projektowania płytek od układów impulsowych oraz z obsługą oscyloskopu.
Załączniki
sstc_powerSupply5_12_15.zip - projekt Eagle (schemat, płytka, pdf) zasilacza 5V, 12V, 15V dla zasilania sterownika SSTC
sstc_powerSupply12.zip - projekt Eagle (schemat, płytka, pdf) zasilacza 12V na 7812 dla wentylatorów
sstc_halfbridge.zip - projekt Eagle (schemat, płytka, pdf) półmostka SSTC
sstc_newDriver11.zip - projekt Eagle (schemat, płytka, pdf) sterownika logiki, wersja pierwsza, z potencjometrami na płytce
sstc_newDriver12_nopots.zip - projekt Eagle (schemat, płytka, pdf) sterownika logiki, wersja druga, z goldpinami zamiast potencjometrów
PS: Te płytki mogłyby zostać jeszcze znacznie ulepszone, ale w moim przypadku się sprawdzają. Używacie na własną odpowiedzialność. Wszystkie sugestie co do poprawy layoutu mile widziane.
Cool? Ranking DIY
Lakier pełni rolę czysto mechaniczną - zapobiega rozwinięciu się rezonatora wskutek np. rozszerzalność termicznej drutu. Przy tych napięciach lakier nie stanowi żadnej izolacji (jedynie izolację międzyzwojową, ale ta spoczywa głównie na emalii którą pokryty jest DNE), cewka jeżeli "zechce" potrafi przebić do pierwotnego przez kilka milimetrów plastiku... 
Zawłaszcza, że HV wysokiej częstotliwości wyjątkowo skutecznie "przeżera" izolację wyładowaniami koronowymi.
