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Solid State Tesla Coil (SSTC-2): Aufbau und Betrieb
=> Für eine grössere Ansicht bitte auf das jeweilige Bild klicken.
Eine sogenannte SSTC (engl. Abkürzung für "Solid State Tesla Coil")
basiert auf einem anderen Funktionsprinzip als die konventionelle SGTC (Spark
Gap Tesla Coil). Bei einer konventionellen Teslaspule wird ein
Hochspannungstransformator zum Ansteuern des Primärkreises verwendet. Die Ansteuerung
des Primärkreises einer SSTC erfolgt hingegen rein
elektronisch, das heisst, mit Hilfe einer Leistungselektronik wird ein
Rechtecksignal in die Primärspule eingespiesen, (ohne
Primärkondensator), welches genau der Resonanzfrequenz der Sekundärspule
entspricht. Auf diese Weise wird die Sekundärspule zum Schwingen angeregt und
erzeugt ähnlich wie bei einer konventionellen Teslaspule eine
Spannungsüberhöhung als Resonanzerscheinung. Die Vorteile einer SSTC können
nicht wegdiskutiert werden: Leise Funken, besserer Wirkungsgrad, genaue
Resonanzabstimmung möglich, kleinere Abmessungen möglich, weniger Gefahr, da
kein Hochspannungstransformator eingesetzt wird. Der Aufbau einer solchen Solid
State Spule ist allerdings nicht einfach, der Erbauer sollte einige
Kenntnisse im Bereich Leistungselektronik mitbringen oder sich diese erarbeiten
(es gibt sehr viele Informationen im Internet).
Es gibt im Internet eine Vielzahl von SSTC's mit unterschiedlichen Ansteuerschaltungen zu finden, die grundsätzlichen Komponenten sind jedoch immer die selben: Oszillator, Vorverstärker, Übertrager (GDT), Endstufe und Resonator (Sekundärspule). Die Funktionsgruppen einer typischen SSTC sind im folgenden Bild zu sehen:
Blockschaltbild einer typischen SSTC mit MOSFET-Endstufe
Im Folgenden sollen die einzelnen Baugruppen etwas näher beschrieben werden.
=>>> SSTCs: Warum MOSFET's sterben <<<=
SSTC-2
Ursprünglich begann ich mit einem haarsträubenden Versuchsaufbau, der SSTC-1. Diese wurde allerdings nach einer Überlastung wieder in ihre ursprünglichen Einzelteile zerlegt und soll hier vor allem wegen des hässlichen Aufbaus und der schlechten Funktionalität nicht mehr vorgestellt werden. Stattdessen wird auf den folgenden Seiten meine neue SSTC-2, die komplett auf einem kleinen Holzbrett Platz findet, vorgestellt.
Dies
ist der gesamte Aufbau. Im Hintergrund links der Resonator mit Primär- und
Sekundärspule, rechts im Hintergrund der Variac zum Regeln der Leistung,
daneben Netzfilter und 5A-Sicherungsautomat. Im
Vordergrund von links nach rechts Endstufe, Vorstufe und Oszillator mit verstellbarer Frequenz
(und Feinabstimmung) sowie einstellbarer Pulsbreite. Der kleine Trafo im
Vordergrund rechts dient zur Speisung von Vorverstärker und Oszillator. Zuerst
hatte ich noch einen Lüfter zur Kühlung der Endstufe geplant, dieser war dann
jedoch überflüssig, da sich die Endstufe trotz der kleinen Kühlkörper
praktisch nicht erwärmt.
Aufbau der SSTC-2
Der Oszillator erzeugt das Rechtecksignal zum Ansteuern der Spule, welches üblicherweise zwischen ca. 100 kHz bis einigen MHz liegt. Dieses muss in einem einigermassen weiten Frequenzbereich eingestellt werden können und sollte stabil sein (keine Frequenzdrifts) sowie steile schöne Rechteckflanken ohne Überschwingen erzeugen. Eine Oszillatorschaltung kann mit einem NE555, einem PLL-Kreis 4046, einem TL494, mit einem Quartz und digitaler Frequenzteilung oder diskret mit Einzelbauteilen aufgebaut werden.
Für das Ansteuern des Übertragers ist bereits eine erhebliche Leistung nötig. Die Vorstufe verstärkt das Oszillatorsignal so weit, dass es dem Übertrager (GDT Gate Drive Transformer) eingespiesen werden kann. Der Vorverstärker kann diskret mit einer kleinen Transistor- oder MOSFET-Brücke bewerkstelligt werden, oder es können Leistungsstarke MOSFET-Treiber-IC's verwendet werden (UCC37321, UCC37322, TC4420, TC4421, ICL7667). Ich habe mich für das ICL7667 entschieden, da man dieses einfach und relativ günstig bekommt und es sehr leistungsfähig ist. Von diesen IC's verbaute ich insgesamt fünf Stück im Vorverstärker, vier zum Treiben des Übertragers und ein Fünftes, um das Signal des einen Treiber IC-Paares zu invertieren, damit zwischen den Treiber-IC's schlussendlich eine Differenzspannung anliegt, mit welcher der Übertrager angesteuert wird. Für das Inverter-IC könnte ein ganz normaler Inverter genommen werden, aber da ich gleich mehrere ICL7667 zur Hand hatte, ver(sch)wendete ich dafür auch gleich ein solches Treiber-IC.
Hier
sieht man den Vorverstärker zusammen mit dem Oszillator. Der Oszillator besteht
aus einem TL494 mit ein paar frequenzbestimmenden Bauteilen rundherum. Es ist
ein tolles IC, das ich (im Gegensatz zum 555) absolut empfehlen kann! Der
Hauptvorteil des TL494 besteht darin, dass bei Änderungen der Betriebsspannung
oder Änderungen der Frequenz die eingestellte Pulsbreite absolut konstant
bleibt. Ausserdem erzeugt das TL494 sehr schöne Rechteckflanken. Der
Vorverstärker wurde wieder gleich aufgebaut wie letztes Mal, allerdings diesmal
mit vier Stück ICL7667 von Intersil (jeweils zwei IC's parallel, damit mehr Leistung für den GDT zur Verfügung
steht). Das fünfte ICL7667 dient nur als Inverter, um ein 180° phasengedrehtes
Signal für das rechte Zweiergrüppchen der ICL-Treiber zu erzeugen. Vom
Ersazteil-Standpunkt her gesehen ist es vernünftiger, nicht zu viele
unterschiedliche IC-Typen zu verwenden.
Alle IC's sind gesockelt und damit leicht auswechselbar. Hinten sieht man noch das einfach gehaltene Netzteil mit 7812 Spannungsregler und Gleichrichter sowie zwei Elkos, einen vor dem Spannungsregler und einen danach.
Um die Primärspule der SSTC mit satter Leistung antreiben zu können, ist eine leistungsfähige und HF-taugliche (bis ca. 500 kHz) Endstufe notwendig. Power-MOSFET's wie sie auch in Schaltnetzteilen eingesetzt werden, sind ideal geeignet für den Einsatz in SSTC's. In meiner Endstufe habe ich Standard-MOSFET's vom Typ IRF740 verwendet, da diese hohe Leistungen schnell schalten können und überdies sehr günstig zu haben sind. Beim Bau einer SSTC wird es wohl kaum zu vermeiden sein, dass einige FET's durchbrennen und in die ewigen Halbleiterjagdgründe entschwinden. Bis jetzt waren es bei mir glücklicherweise erst vier Stück ;-)
Der Zweck des
Übertragers besteht einerseits darin, den
empfindlichen Oszillator und den Vorverstärker galvanisch zu trennen von der
Leistungsendstufe. Zum anderen hat er den Vorteil, dass durch zwei getrennte
Sekundärwicklungen gegenphasige, potentialunabhängige Signale erzeugt werden.
Der Übertrager wird am besten auf einen runden Ferritkern gewickelt (ein Eisenkern
funtioniert nicht bei diesen hohen Frequenzen). Dieser
Ferritringkern kann beim Elektronikfachhandel bezogen werden, man kann ihn aber auch
aus diversen Geräten und Schaltungsteilen ausbauen
(beispielsweise aus
getakteten PC-Schaltnetzteilen). Nun wickelt man
so viele Windungen darauf, wie nötig sind (dies muss experimentell ermittelt
werden). In meinem Fall musste ich für jede Wicklung 8 bis 9 Windungen
aufbringen. Dies hängt vor allem davon ab, wie der Vorverstärker beschaffen
ist. Werden zu wenig Windungen gewickelt, so fliesst ein sehr
hoher Strom und die ICL's werden heiss und das Rechtecksignal überschwingt.
Werden hingegen zu viele Wicklungen aufgebracht, so wird der GDT zu hochohmig
und zu induktiv und kann ebenfalls nicht mehr vernünftig getrieben werden (das Signal am GDT
nimmt dann fast Sinusform an).
Auf
nebenstehendem Bild ist die Endstufe zu sehen zusammen mit dem GDT (Gate Drive
Transformer). Das Signal wird am GDT eingespiesen, gelangt über die zwei
grossen, weissen 7.5 Ohm-Leistungswiderstände an die 8.2V-Z-Dioden, die das Überschwingen
des GDT's unterdrücken und einen steilen Flankenanstieg des Rechtecksignals
ermöglichen.
Es hat sich herausgestellt, dass die Begrenzung des Signals mittels Z-Dioden ein
sehr schönes Rechtecksignal zur Folge hat und deshalb der Einsatz der Z-Dioden
absolut zwingend ist (dies hatte ich bei der SSTC-1 noch nicht erkannt). Ein
sauberes Rechtecksignal ist wichtig, damit sich die Verlustleistung der MOSFET's in Grenzen
hält und diese dadurch auch bei längerem Betrieb kühl bleiben. Die MOSFET-Endstufentransistoren IRF740 sind hinten auf dem Print zu
sehen, auf den kleinen schwarzen Kühlkörpern. Sie werden selbst nach minutenlangem Laufen höchstens handwarm.
Das
nebenstehende Bild zeigt die Speisung der Halbbrücke mit Netzfilter und Variac
(Regeltrafo). Der Variac dient zum Einstellen der Leistung. Er stammt von einem
Flohmarkt und war damals für SFr. 3.00 zu haben ;-). Die Leistung ist zwar
nicht gerade hervorragend und er ist auch nicht netzgetrennt, aber für diese
Anwendung reicht er allemal. Links das Netzfilter mit dem etwas provisorisch
befestigten 5A-Sicherungsautomat. Die am Variac ebenfalls noch provisorisch
angelötete Diode 1N5408 dient der Einweggleichrichtung für die Speisung der
MOSFET-Halbbrücke. Interessanterweise sehen die Funken mit
Halbweggleichrichtung und ohne Glättungskondensator schöner aus als mit
Vollweggleichrichtung. Ausserdem ist die Endstufe dadurch etwas besser
entlastet, da sie jeweils immer während einer Halbwelle des Netzes
"ausruhen" kann.
( Für Vergrösserung bitte auf das jeweilige Schema klicken!)
Die mit dem Computer erstellten Schemas wurden mir in verdankenswerter Art und Weise von "crazyman", Mitglied des Forums mosfetkiller.de, gezeichnet. An dieser Stelle nochmals vielen herzlichen Dank !
Oszillator: Vorverstärker:
IC1 bis IC5: Intersil ICL7667
Beschaltung bei allen IC's:
Funktion der Potentiometer Pin 6 Betriebsspannung 12V
P1 Frequenzeinstellung fein Pin 3 Masse
P2 Frequenzabstimmung grob Pin 2 und 4 Eingänge
P3 Pulsbreiteneinstellung Pin 5 und 7 Ausgänge
Endstufe: Speisung:
=> ACHTUNG!! Nach vielen Versuchen, toten Halbleitern, Erfolgserlebnisssen und Rückschlägen wurden verschiedene Dinge
angepasst und geändert. Folgende Änderungen wurden vorgenommen (und sind empfehlenswert!):
Speiseteil: Vor und hinter dem 7812 Spannungsregler müssen wesentlich grössere Kapazitäten eingebaut werden. Mindestens je 3000uF. Dies vorallem deshalb, weil die Intersil ICL-7667 Treiber kurzzeitig hohe Spitzenströme von mehreren A ziehen, welche den 7812 Regler überfordern würden.
Treiberstufe: Sehr wichtig! Zu jedem ICL7667 sollte möglichst nahe parallel zur Speisung ein 47nF Kondensator (oder ähnlicher Wert) geschalten werden. Damit lässt sich das Ausgangssignal des ICL's bedeutend verbessern, da der hohe Impulsstrombedarf des ICL's damit besser abgedeckt werden kann.
Halbbrücke: Die Mosfets IRF740 in der Halbbrücke wurden ausgetauscht gegen leistungsstärkere vom Typ IRFP-460. Diese können viel höhere Spitzenströme schalten und haben einen wesentlich niedrigeren ON-Widerstand. Leider ist auch die Gatekapazität etwas höher, deshalb ist nu etwas mehr Ansteuerleistung notwendig.
Halbbrücke: Der GDT-Ferrit-Kern wurde durch einen grösseren ersetzt. Dies kompensierte in gewisser Weise den Mehrbedarf an Leistung, um die stärkeren Mosfet's entsprechen anzusteuern.
Die Halbbrücke wurde nach einem Durchschuss nach Überlastung komplett neu umgebaut. Diesmal legte ich besonderen Wert auf eine bessere Kühlung der Halbbrücken-Mosfets und auf möglichst kurze und dicke Verbindungen im Leistungsteil.
Sekundärspule: Probleme gabs dann später auch noch mit der Sekundärspule: Da diese mit 5cm Durchmesser eine relativ kleine Oberfläche besitzt im Verhältnis zur reingepumpten Leistung, wird sie im betrieb sehr warm. Dies kann nach einigen Minuten dazu führen, dass die Resonanzfrequenz leicht driftet. Das Problem könnte wohl nur mit einer neuen Sekundärspule behoben werden. Es hat mich aber bisher nicht sonderlich gestört.
Primärspule: Auch diese wurde leicht abgeändert. Statt der dünnen 1mm-Litze brachte ich nun 9 Windungen RG-58 Koaxialkabel auf. Als Leiter habe ich das Anschirmgeflecht genommen, da dieses wunderbar grossflächig ist und daher bestens für die hohen Spitzenströme im Primärkreis geeignet ist.
=> Nach den obengenannten Änderungen beträgt die Funkenlänge nun bereits ca. 25cm, was viel ist für eine SSTC. Für Fragen zum Nachbau oder zur Funktion der Spule stehe ich gerne per E-Mail zur Verfügung.
Nach besserer Abstimmung und mit etwas längerer Belichtungszeit (1/6s):
Versuche mit der SSTC-2:
Neu habe ich die Halbbrücke etwas modifiziert. Die Endstufen-MOSFET's IRF740 wurden gegen stärkere und niederohmigere IRFP460 getauscht. Dies machte schon erstaunlich viel aus. Nun sind die Entladungen energiereich und heiss wie ein Lichtbogen. Auch gegen Erde gibt's Lichtbögen. Nachfolgend einige Bilder:
SSTC-2: Entladungen mit gut 20cm Länge SSTC-2: Entladungen mit Salz auf dem Topload
Neue Resultate mit IRFP-460 MOSFET's. Die Streamerlänge beträgt ca. 15cm.
SSTC-2: Arcs (Lichtbögen) gegen Erde