Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

anonymousexd 30 Mar 2016 23:00 7305 6
  • Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    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:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne
    Prawie gotowy:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    - moduł zasilacz 12V (do wentylatorów) - wydzielony osobno w celu uniknięcia zakłóceń.
    Na zdjęciu wraz z wentylatorem, który potem został przyczepiony do dużego radiatora:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne
    - 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:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne
    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:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    - 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:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne
    Całość w trakcie składania:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    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:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    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:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne
    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):
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    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).
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne


    Żarówka na torusie zamiast breakpointa:

    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    Wiele wyładowań koronowych wokół torusa:


    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    Podwójne wyładowania koronowe z radiatora:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    Mały "piorun" uderzający puszkę przy ustawieniu cewki na pracę o małej mocy:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    Wyładowanie koronowe o małej mocy z breakpointa:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    Cztery wyładowania koronowe z radiatora:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne

    Świetlówki (nawet trzymane w dłoni) "same" świecą się w pobliżu Tesli.


    Wyładowanie dużej mocy:
    Półprzewodnikowa Cewka Tesli (SSTC) oparta o sprzężenie zwrotne


    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.


    Fajne!
  • #2 31 Mar 2016 22:58
    jakubmat977
    Poziom 2  

    czy po przebywaniu dłuższą chwilę przy tej cewce pojawiają się bóle głowy? Gdy ja uruchamiam moją to można to odczuć

  • #3 31 Mar 2016 23:14
    anonymousexd
    Poziom 24  

    jakubmat977 napisał:
    czy po przebywaniu dłuższą chwilę przy tej cewce pojawiają się bóle głowy? Gdy ja uruchamiam moją to można to odczuć


    Osobiście nie spotkałem się z tym zjawiskiem. Po dłuższej pracy SSTC czuć tylko zapach zjonizowanego powietrza.
    Jedynie uciążliwy może być hałas, co ciekawe dźwięk wyładowań też zależy od ustawień interruptera, np. tryb z długim czasem ON (ten największej mocy) jest bardziej cichy, to słychać nawet na zamieszczonych filmikach.

  • #4 31 Mar 2016 23:17
    jakubmat977
    Poziom 2  

    jaki lakier został użyty do zabezpieczenia uzwojenia, może to być zwykły lakier bezbarwny?

  • #5 31 Mar 2016 23:33
    freebsd
    Poziom 34  

    jakubmat977 napisał:
    czy po przebywaniu dłuższą chwilę przy tej cewce pojawiają się bóle głowy? Gdy ja uruchamiam moją to można to odczuć
    Ja się z tym spotkałem, u kilku osób, ale napięcia oscylowały od 400 kV do 2 MV - tylko to nie były "ciągłe" wyładowania, tylko maksimum do kilku "strzałów".

  • #6 01 Kwi 2016 10:50
    anonymousexd
    Poziom 24  

    jakubmat977 napisał:
    jaki lakier został użyty do zabezpieczenia uzwojenia, może to być zwykły lakier bezbarwny?


    Ja użyłem zwykłego bezbarwnego lakieru, taki miałem pod ręką, ale ogólnie zaleca się by to był wolnoschnący - wtedy lepiej wsiąka między zwoje i mocniej łączy całość. Uzwojenie należy lakierować od razu, ja lakierowałem już w przerwach w trakcie nawijania. Po nawinięciu całości nałożyłem jeszcze kilka warstw, bo to zawsze daje trochę większa ochronę od przebić (wyładowań) do zwojów wtórnego.

  • #7 01 Kwi 2016 12:22
    DVDM14
    Poziom 35  

    freebsd napisał:
    jakubmat977 napisał:
    czy po przebywaniu dłuższą chwilę przy tej cewce pojawiają się bóle głowy? Gdy ja uruchamiam moją to można to odczuć
    Ja się z tym spotkałem, u kilku osób, ale napięcia oscylowały od 400 kV do 2 MV - tylko to nie były "ciągłe" wyładowania, tylko maksimum do kilku "strzałów".


    Osobiście również nigdy nie doświadczyłem, a spędziłem sporo czasu z cewkami Tesli - nie tylko maluchami jak SSTC, ale nawet dużo większe nie powodowały tego rodzaju anomalii. Nie mniej, spotkałem się z takimi objawami u innych coilerów - podejrzewam że może być to kwestia "wrażliwości" danej osoby. Inna sprawa, że pola elektryczne wysokiej częstotliwości raczej niezbyt skutecznie stymulują układ nerwowy, przyczyny szukałbym gdzie indziej (chociażby w fakcie, iż uruchamiając cewkę w zamkniętym pomieszczeniu w powietrzu szybko rośnie stężenie ozonu, tlenków azotu i innych, niezbyt zdrowych substancji).

    @jakubmat977: Jaką masz cewkę i czy bóle pojawiają się gdy odpalasz ją w domu, czy także na wolnej przestrzeni?

    anonymousexd napisał:
    Po nawinięciu całości nałożyłem jeszcze kilka warstw, bo to zawsze daje trochę większa ochronę od przebić (wyładowań) do zwojów wtórnego.


    Powszechne przekonanie, niestety błędne. ;) 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... :P Zawłaszcza, że HV wysokiej częstotliwości wyjątkowo skutecznie "przeżera" izolację wyładowaniami koronowymi.
    Jedyna skuteczna metoda ochrony SSTC przed przebiciami to zadbać o dystans między uzwojeniami, solidne uziemienie rezonatora i dobrą "ścieżkę" do uwolnienia zmagazynowanej w obwodzie wtórnym energii (chodzi o breakpoint). Trzeba również uważać z pojemnością po stronie wtórnej - zbyt duży torus zwiększa ryzyko przebić.