SGTC-1

SGTC-3

SGTC-4

SGTC-5

SSTC-2

SSTC-3

SSTC-3.1

SSTC-4

Twin-SSTC

DRSSTC-1

VTTC-1

VTTC-2

VTTC-3

Staccato Controller

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DRSSTC-1: Dual Resonant Solid State Tesla Coil

Eine DRSSTC (Abkürzung für Dual Resonant Solid State Tesla Coil) hat im Gegensatz zu einer SSTC zusätzlich einen primärseitigen Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die des Sekundärkreises abgestimmt ist, ähnlich wie bei einer konventionellen Teslaspule mit Funkenstrecke. Der primäre Schwingkreis wird in der Regel als Serieschwingkreis ausgeführt, wodurch sehr hohe Ströme fliessen können bei Resonanz (Leitkreis). Aufgrund der hohen Stromspitzen von bis zu mehreren hundert Ampère kann eine solche Spule nicht kontinuierlich betrieben werden. Stattdessen werden mit einem Interrupter nur wenige Impulse erlaubt, bis sich der Schwingkreis gerade soweit aufgeschaukelt hat, dass der Strom für die Schaltelemente noch nicht zu hoch wird. Zusätzlich wird mit ZCS gearbeitet (zero current switching), es wird also immer dann geschaltet, wenn der Strom Null ist. Auf diese Weise kann die Verlustleistung in den Schaltelementen minimiert werden.

Da ich die Möglichkeit hatte, günstig an grosse IGBT-Bricks und Kondensatoren zu kommen, bot sich der Bau einer DRSSTC an. Diese soll nachfolgend beschrieben werden. Die Spule funktioniert gut, ist aber noch nicht unbedingt fertig, da es noch diverse Experimentier- und Verbesserungsmöglichkeiten gibt. Die Schaltungen wurden grösstenteils übernommen, da es nicht unbedingt Sinn macht, das Rad nochmals komplett neu erfinden zu wollen, erst recht nicht, wenn man zuerst ein Gefühl für die Sache bekommen möchte.

Interrupter

Die Schaltung des Interrupters stammt von Steve Ward's Webseite.

http://www.stevehv.4hv.org/interrupter/intwbmsch.JPG

Es ist eine vielerprobte Schaltung, welche mit drei Stück NE555 Timerbausteinen das Interruptersignal erzeugt. Mit diesem Rechtecksignal wird die DRSSTC "aktiviert" resp. "deaktiviert". Der Interrupter sorgt dafür, dass jeweils nur während kurzer Zeit (in meinem Fall maximal für ca. 250µs) ein Einschalten der DRSSTC erfolgt. Dies entspricht maximal etwa 25 Schwingungen des HF-Signals, mit dem die Spule arbeitet. Mit dem Interrupter können diverse Grössen eingestellt werden, so beispielsweise die BPS (Bangs per Second, also wie oft die Spule pro Sekunde eingeschalten wird), dann die Pulsweite, also wie lange die Spule jeweils pro Mal eingeschalten bleibt und er ermöglicht auch einen sogenannten Burst-Mode, also eine Betriebsart, bei der nur einzelne Rechteckpakete zugelassen werden, sozusagen ein Unterbrecher des Unterbrechers. Um Einstreuungen zu vermeiden, empfiehlt es sich, den Interrupter in ein geerdetes Metallgehäuse einzubauen.

Treiberstufe

Auch die Schaltung des Treibers stammt von Steve Ward, siehe hier: http://www.stevehv.4hv.org/newdriver08/DRSSTC_pndriver1_3b.pdf

Die Hauptaufgabe des Treibers besteht darin, das Feedbacksignal auszuwerten und für die Ansteuerung der Endstufe aufzubereiten. Er kann jedoch eine Menge weiterer Funktionen übernehmen.

Bei dieser Treiberversion handelt es sich um einen universell einsetzbaren Treiber mit einer Überstromschutzschaltung. Diese misst über einen Stromwandler den im Primärkreis fliessenden Strom und vergleicht diesen über einen Komparator mit einem voreingestellten Wert. Wird dieser Wert überschritten, so greift die Schutzschaltung und schaltet die Endstufe aus, allerdings nicht zu einem beliebigen Zeitpunkt, sondern erst im nächsten Strom-Nulldurchgang. Würde die Brücke bei vollem Stromfluss ausgeschalten, so könnte sie aufgrund der dadurch ausgelösten Überspannungsspitze der Primärspule sterben.

Modernere Treiberschaltungen haben noch mehr Features zu bieten. So beispielsweise eine Funktion namens "Phase-Lead". Es handelt sich hierbei um eine kleine Schaltung, welche die Phase des Feedbacksignals etwas verschiebt, damit die IGBTs trotz allfälligen Verzögerungen genau in den Nulldurchgängen schalten können. Dies ermöglicht es auch, spezifische Verzögerungen von IGBTs oder anderen Schaltungsteilen zu kompensieren. Eine modernere Version wäre beispielsweise diese hier, ebenfalls von Steve Ward: http://www.stevehv.4hv.org/leadcomp/UD2_1revB/UD2_1revbschem.pdf Die hier gezeigte Version hat überdies zwei Endstufen, um zwei separate GDTs (Gate Drive Transformer) anzusteuern. Dies bringt natürlich mehr Treiberleistung und lässt auch eine einstellbare Deadtime zu. Ich habe mich trotzdem vorerst für die einfachere Variante entschieden.

Brückenteil / Endstufe

Die Endstufe dient der direkten Ansteuerung des Resonators. Sie besteht in meinem Fall aus einer Vollbrücke mit zwei IGBT-Bricks des Herstellers INFINEON, Typ FF400R12KT3. Die beiden grossen Elkos sind über Kupferschienen niederohmig mit den IGBTs verbunden, um hohe Impulsspitzenströme zu ermöglichen. Niederohmige und niederinduktive Verbindungen im gesamten Leistungsteil und Primärschwingkreis sind entscheidend für einen guten Output. Allerdings verursacht das schnelle Schalten hoher Ströme teils unschöne, induktive Spannungsspitzen, die nahe an den IGBTs unterdrückt werden müssen, um die Brücke zu schützen. Dazu wurden hier diverse 400V-TVS-Dioden und Snubber-Kondensatoren verbaut. Um Überspannungen durch Einschläge in den Primärteil weiter zu minimieren, wurde zusätzlich ein impulsfester Folienkondensator mit 100nF/1000V zwischen Minuspol der Brücke und Schutzleiter verbaut. Als Vorlage für die Brücke habe ich dieses Schema hier, ebenfalls von Steve Ward, gewählt: http://www.stevehv.4hv.org/drsstcdesign/ISSTC_sch2.JPG Man könnte natürlich genausogut auch ein anderes Schema nehmen, denn die Brückenschaltungen sind grundsätzlich alle sehr ähnlich aufgebaut. Unterschiedlich ist meist nur die Schutzbeschaltung, die meiner Ansicht nach in diesem Beispiel von Steve Ward wirklich gut gelöst ist.

Endstufe Vorderansicht, Kupferschienen mit IGBTs und Rückansicht

Resonator

Der Resonator besteht aus dem Primärkondensator, der Primärspule und der Sekundärspule mit Topload. Der Primärkondensator (MMC) wiederum wurde aus 80 Stück WIMA FKP-1 Kondensatoren aufgebaut mit insgesamt 275nF / 8kV. Jede Kette besteht jeweils aus acht Stück 220nF / 1000VDC in Serie, dies ergibt 27.5nF / 8kV pro Kette. Zehn dieser Ketten wiederum ergeben 275nF für das ganze MMC. Der Anschluss erfolgt auch hier über Kupferschienen, um eine möglichst niederohmige Verbindung zwischen den Kondensatorketten zu ermöglichen.

Die Primärspule besteht aus elf Windungen (mittlerweile nur noch 7 Windungen) Kupferrohr mit 8mm Durchmesser und einem Strikerail, also einem geerdeten Kupferring oberhalb der Primärspule, um Funkeneinschläge in die Primärspule zu verhindern. Das Kupfer liess sich relativ gut biegen, da es vorgängig weichgeglüht wurde. Für den momentanen Betrieb werden nur fünf Windungen abgegriffen, aber ich wollte mir alle Optionen frei halten. Achtung: Die ursprüngliche Version der Primärspule mit den Briden als Befestigung (Bild rechts) funktionierte nicht gut. Die Nägel wurden aufgrund von Wirbelströmen so heiss, dass sie sich durch die Briden durchschmolzen, wodurch sich das Kupferrohr von der Grundplatte löste. Daher habe ich später eine neue Varainte gefertigt, diesmal mit Kabelbinder als Befestigung (Bild links).

Die Sekundärspule enthält ca. 1800 Windungen Kupferlackdraht mit 0.26mm Durchmesser, gewickelt auf 48.5cm. Der Fusspunkt der Spule muss niederohmig geerdet werden, in meinem Fall erfolgte die Verbindung mit einem geerdeten Heizkörper. Das Topload ist ein gebogener Aluflexschlauch mit einer Dicke von 11cm und einem Durchmesser von ca. 40cm. Die Resonanzfrequenz der Spule bewegt sich bei ca. 109kHz.

Betrieb der Spule, erste Ergebnisse

Die Ergebnisse sind in Anbetracht der geringen Grösse des Resonators schon nach kurzer Zeit durchaus erfreulich. Die Funkenlänge beträgt momentan etwas mehr als einen Meter. Die Elektronik könnte noch eine wesentlich höhere Leistung bereitstellen, aber der Resonator ist wohl wirklich etwas knapp bemessen. Es treten immer mal wieder Überschläge im unteren Bereich der Sekundärspule auf. Ebenso gab es teils Einschläge in die Primärspule, bei der dann jeweils die Überstromschutzschaltung auslöste. Diese ist zur Zeit auf etwa 400A eingestellt, könnte aber gut auf 800A erhöht werden. Auch die Speisespannung der Brücke beträgt momentan erst etwa 120 bis 150V.

Nachfolgend einige erste Eindrücke vom Betrieb:

Ungefähr ein Meter lange Entladungen in der ersten Testphase. Die blaue Plexiglasplatte liegt auf der Primärspule, um Einschläge in den Primärkreis zu vermeiden. In dieser Phase war noch kein Strikerail vorhanden und ein Einschlag in die Primärspule hätte böse Folgen für die Brücke haben können.

Mittlerweile wurde die Spule etwas definitiver zusammengebaut. MMC, Treiber, Endstufe und Netzteil wurden auf eine Grundplatte montiert und die Treiberschaltung in ein vollgeschirmtes Aluminium-Gehäuse verfrachtet. Der Resonator wurde mittels Holzdübel steckbar darauf angebracht. So kann die Spule bei Bedarf leicht zerlegt werden. Besonders einfach ist der Zugang zum Treiber, dessen Gehäusedeckel einfach abgeschraubt werden kann und damit Messungen und Einstellungen möglich sind, ohne die Spule weiter zerlegen zu müssen.

Zum Schluss noch ein Filmchen vom Betrieb:

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