Bobina Tesla
Introducción
Como ingeniero de electrónica de potencia, que trabaja a menudo con grandes semiconductores en fuentes de alimentación y unidades de motor, etc. Estos a menudo cambian de miles de vatios a varios cientos de kilohercios. transistores de potencia modernos ofrecen una alternativa cada vez más viable para el tubo de vacío Tesla Coils, como el rendimiento mejora y los precios siguen cayendo.
Mientras que probar una fuente de alimentación conmutada para un cliente, el resonador TC en el extremo del banco me llamó la atención, y la curiosidad sacó lo mejor de mí. No pude resistir la tentación de ver lo que sucedería si he sustituido el transformador de alta frecuencia en el suministro con una bobina primaria que alimenta el resonador. Lo peor que podría suceder es que los transistores de potencia serían fallar catastróficamente, y después de todo el suministro de todos modos no era la mía ;-)
En realidad, trabajó sorprendentemente bien (durante unos segundos), y decidí diseñar mi propia de estado sólido de mini bobina.
Diseño
El primer diseño se basa en dos dispositivos MOSFET IRF740 hechos por International Rectifier . Los dos dispositivos de conmutación están conectados en una configuración de medio puente como se muestra en el esquema a continuación. Estos dispositivos son muy cerca de la "conmutador ideal" teórica. Pueden cambiar 400volts en 10Amps en unos 50 nanosegundos y tienen un precio razonable.
El medio puente se alimenta de la red eléctrica 240Vrms, y los dispositivos MOSFET se enciende alternativamente en más o menos 250 kHz. La alta tensión de salida de onda cuadrada de los transistores se alimenta en un primario 25 a su vez que está estrechamente acoplado a la parte inferior del resonador. En la resonancia de la corriente de base del resonador es sinusoidal, y una corriente sinusoidal fluye en la bobina primaria también.
circuito simplificado:
Forma de onda primaria de voltaje (onda cuadrada Red,)
y forma de onda de corriente primario (onda sinusoidal Green,)
Si la bobina de Tesla es accionado a su frecuencia de resonancia entonces las transiciones de conmutación de S1 y S2 se producen cuando la corriente (Ip) pasa a través de cero. Esto significa que las pérdidas de conmutación en los MOSFETs prácticamente se eliminan, y el calentamiento se debe a las pérdidas de conducción solamente. (Esta es la técnica se explica como "de conmutación por software" o "ZCS" en muchos documentos de Power Electronics).
Una ventaja del método de alimentación primaria es que proporciona la transformación de tensión necesaria requerida para que coincida con la impedancia de salida del inversor al resonador. Esto niega la necesidad de emplear un transformador de adaptación de alta frecuencia separada o el uso de carriles de alimentación elevadas para obtener la tensión de accionamiento requerida.
Una desventaja significativa del método de alimentación primaria es que se requiere acoplamiento muy ajustado (k> 0,35) con el fin de obtener una buena transferencia de energía. Esto hace que el aislamiento de la primaria de la secundaria un poco difícil a medida que aumenta el nivel de potencia.
La electrónica de accionamiento se basa en el TL494 PWM controlador IC fabricado por Texas Instruments. Este circuito integrado es bastante "tiempo en el diente", pero se porta bien y es fácil de obtener. El IC contiene un generador de diente de sierra interna y los comparadores necesarios y pestillos para producir las señales de accionamiento requeridas para cada MOSFET en el medio puente. El IC genera dos señales de accionamiento complementarios con un corto tiempo muerto entre transiciones para asegurar que uno MOSFET ha tenido tiempo para apagar antes de que el dispositivo de oposición está activada.Sin esta precaución, los tiempos de conducción de los dos dispositivos se pueden superponer un cortocircuito en la red eléctrica con interesantes (léase caros), consecuencias.
Haga clic aquí para ver
esquemática originales ...
Las dos salidas de la TL494 son impulsadas por etapas en la corriente de vaivén y se utilizan para conducir al primario de un pequeño transformador de ferrita. Este transformador sirve para aislar el conjunto de circuitos sensibles control de baja tensión desde el lado MOSFET de alta potencia, mientras que el acoplamiento de las señales de accionamiento a las puertas de los dos MOSFETs. (Semiconductores de potencia suelen fallar cortocircuito. Sin este transformador de aislamiento tal fracaso es casi seguro que conducir a daño del circuito de control también.)
(Tenga en cuenta que el esquema ligado opuesto no es un diseño terminado, y contiene algunos errores relativos a revertir la recuperación de los diodos MOSFET del cuerpo. se presenta aquí sólo como referencia para mostrar la progresión del diseño!
El último esquema se puede encontrar más abajo en esta página.
Este transformador de aislamiento tiene dos devanados secundarios enrollados en direcciones opuestas para accionar las puertas de cada MOSFET. Esto sirve para dos funciones. En primer lugar, se asegura que cuando uno MOSFET está activada por una tensión de puerta positivo, el dispositivo de oposición se mantiene firmemente en el estado apagado por una tensión de puerta negativa. (Este sesgo negativo es útil para evitar espuria de encendido debido a la capacitancia Miller del drenaje a la puerta del MOSFET.) En segundo lugar, los dos devanados secundarios aislados permiten que el del lado de alta (superior) MOSFET a ser conducido sin la necesidad de complicados flotante o fuentes de alimentación de arranque.
modos de operación
La disposición general es muy flexible, ya que el oscilador está funcionando continuamente. Los MOSFETs simplemente cortan hasta la tensión de alimentación como se indica por el oscilador y se alimentan la RF a la bobina primaria. Esto significa que la tensión de alimentación a la mitad del puente puede ser de corriente continua o prácticamente cualquier forma de onda deseada decide lanzar en él.
El efecto de la variación de la tensión de alimentación es de amplitud modular la RF aplicada al devanado primario TC.
Probé 4 esquemas de suministro diferentes que dieron diferentes sobres de RF y radicalmente diferentes características de encendido:
la rectificación de media onda,
envolvente de RF:
Esto se consiguió mediante la inserción de un diodo en serie con la alimentación de red del MOSFET medio puente para que semiciclos positivos solamente resultaron en flujo de corriente. (Esto es necesario de todos modos con el fin de evitar el cortocircuito de los ciclos de suministro negativos por los diodos del cuerpo MOSFET!) La envolvente de RF consistió de ráfagas redondeados de 10 ms duraderos RF con 10ms lagunas en el medio.
Chispas eran aproximadamente 6 pulgadas de largo, muy recto y "espada-como" de carácter. La ausencia de ramificación en las serpentinas me llamó la atención por ser muy extraño. Al parecer, este aspecto es común en las comunidades terapéuticas tubo de vacío también.
El sonido era como un zumbido de 50 Hz amortiguado pero todavía bastante ruidoso.
La potencia se estima en alrededor de 160 vatios en la imagen opuesta.
aparición de chispas:
rectificación de onda completa,
RF Sobre:
Esto se logró mediante el uso de un rectificador de puente de onda completa entre la línea de la red eléctrica y el puente MOSFET. Esto asegura que no es corriente que fluye a través del inversor durante todo el ciclo de suministro. La potencia absorbida de la red eléctrica línea aproximadamente se duplicó como se esperaba y la envolvente de RF supone la de onda completa rectificada clásico forma. Esto implica un aumento considerable de la energía media de RF aplicada al TC.
Las chispas se hicieron notablemente más grueso y más espeso, pero no hubo aumento en la longitud. La imagen de la derecha muestra claramente la mayor "plenitud" de la descarga incluyendo ramas tenues que parte de la función principal.
El tono del sonido cambia a dos veces el paso (100 Hz) y se hizo claramente más "a pleno pulmón" y silbante.
La potencia se estima en alrededor de 300 vatios.
aparición de chispas:
Estas dos imágenes muestran la capacidad de la bobina para producir una gran cantidad de puntos de la corona. Observe cómo la descarga menudo se divide en dos chorros de corona a la derecha en los puntos de ruptura.
Suavizado DC,
RF Sobre:
Esto se logró mediante el uso de un rectificador de puente de onda completa y un gran depósito de condensador de alta tensión por delante del puente MOSFET. Esto proporciona un suministro constante de alrededor de 350Vdc al inversor. el consumo de energía aumenta de nuevo debido a la alta tensión sostenida, y la envolvente de RF era la de una fuente de onda continua. Durante esta prueba se observó cierto calentamiento del disipador de calor MOSFET debido a la alta corriente promedio.
La descarga del punto de ruptura se hizo muy espeso. Parecía y sonaba como un chorro de gas que se quema, y se extiende como un cono desde el punto de descarga.
Todo el zumbido había desaparecido para dejar un silbido puro. Esta prueba produce una gran cantidad de ozono muy rápidamente y también sobrecalienta el alambre fino en la base de la bobina secundaria ampollas el barniz.
La potencia se estima en 420 W en la imagen se muestra al lado.
controlador del ángulo de fase,
RF Sobre:
Un controlador de ángulo de fase (similar a un regulador de intensidad de luz comercial) estaba conectado por delante del inversor MOSFET con el fin de interrumpir el suministro a la media-puente. El controlador de ángulo de fase se estableció para encender exactamente en el pico de los ciclos de alimentación de red y permanecerá encendida hasta que el extremo de cada medio ciclo. Esto lleva a un muy fuerte aumento de la tensión aplicada al inversor, al pasar de 0 a alrededor de 350 voltios en cuestión de microsegundos. Esta repentina aplicación de los resultados de potencia en un fuerte aumento de la envolvente de RF y un efecto interesante en la característica chispa.
La descarga del punto de ruptura se hizo ramificado como un TC hueco de chispa convencional. Las chispas eran aproximadamente 6 pulgadas de largo, claramente spidery y bailaron sobre frenéticamente.
El sonido era considerablemente más agudo y más áspera, sin duda debido al rápido aumento de la envolvente de RF. Era similar al sonido de un TC convencional sincrónica 100 puntos básicos, pero sonaba un poco más profundo y más plena.
El nivel de potencia RMS se pensaba que era alrededor de la marca de 180 vatios, aunque esta medida puede no ser particularmente precisa.
Otra imagen que muestra una ramificación peculiar en la descarga. El arco a la parte inferior derecha de la imagen es llamativo una pieza de metal que no estaba conectado a tierra.
aparición de chispas:
La potencia media de RF
A diferencia de una onda amortiguada convencional bobina de Tesla, el estado de la bobina Tesla sólido es capaz de producir cantidades considerables de potencia de RF sostenida. Esto lleva a algunas cosas inusuales:
En primer lugar, la base de la secundaria se puso muy caliente debido a los altos RMS corriente que fluye a través del alambre fino. Tal efecto de la piel juega algún papel en esto también. Esto es particularmente notable si el sistema se ejecuta en modo CW durante cualquier periodo de tiempo.
No es visiblemente más actual en ataques terrestres que se encuentran con mi TC espacio de chispa.
Sparks a tierra aparecen como llamas blancas fantasmales pálidos y el arco hacia arriba con el calor como el arco de una escalera Jacobs. Cualquier cosa capturas inflamables fuego al instante en el arco.
Me di cuenta de que tengo RF burns diminutos si tocaba algo metálico en las proximidades de la bobina en funcionamiento incluso a niveles de potencia relativamente bajos.
En un momento me olvidé de poner el punto de ruptura en la bobina de estado sólido, y un resonador sin utilizar cerca de 2 pies de la bobina de estado sólido, (pero muy cerca de mí,) saltó a la vida con una corona firey de corona. Vaya que esa sorpresa me !!!
Conclusión
Tenga en cuenta que la construcción de una bobina de Tesla de estado sólido no es fácil . De hecho, tanto el diseño y construcción presente significativamente diferente y mucho más compleja desafíos que los encontrados en el trabajo de bobina de Tesla convencional. A (100 MHz) osciloscopio muy rápido y una gran bolsa de MOSFETs son esenciales. El mayor problema con este tipo de diseño es que un MOSFET soplado es a menudo el primer signo que reciba acerca de un problema subyacente, por lo que el diagnóstico de la causa de los semiconductores sopladas a veces puede ser difícil. A pesar de estas dificultades, la bobina de estado sólido es una cosa hermosa cuando funciona correctamente.
Creo que un pequeño estado sólido (o tubo de vacío) bobina de Tesla es el método de elección para el análisis "de cerca" de la conducta de la chispa y manifestaciones. Cuando se compara con una bobina convencional que tiene las siguientes características: -
menos ruido audible. No tanto choque y explosión, más el zumbido y el silbido.
Menos RF hash radiada. El SSTC es muy limpio debido a su fuente electrónica continua de RF, y no causa ningún TVI.
potencia RF media superior. El SSTC parece producir un campo de RF mucho más fuerte que un TC calificación similar hueco de chispa.
Gran para pantallas de corona y tubos de iluminación de neón a una distancia sin cables.
Gran variedad de características de encendido de un rayo en forma de horquilla a las llamas mediante la modulación del generador de RF de diferentes maneras.
No choca tanto como quemadura, pero este tipo de RF burns son reportados a ser muy desagradable.
Ideal para la investigación debido a que el sistema está bajo control electrónico completo. (Tal vez se podría ajustar la velocidad de tiro lo suficientemente rápido para tocar el himno nacional?)
inconvenientes significativos en el enfoque de estado sólido son los siguientes: -
Requiere que el diseñador tenga un buen conocimiento de la electrónica de potencia,
se debe prestar atención cuidadosa al diseño, y la detección,
semiconductores adecuados son moderadamente caro,
Los semiconductores son todavía bastante frágil en dicha aplicación, y no son perdón de los errores.
notas de aplicación y ejemplos de diseño proporcionados por los fabricantes de dispositivos ayudan en gran medida con diseño y maquetación consejos, y los semiconductores de potencia son cada consistentemente más rápido, más fuerte, y más barato, por lo que el futuro parece prometedor para el estado sólido de bobina de Tesla.
Los acontecimientos recientes (18" chispas)
A finales del año pasado abordé los problemas de fiabilidad con el diseño original SSTC. También he modificado el circuito para formar una configuración completa de puente en H en busca de algunas chispas más largos.
El resonador de la foto es de 3,5" x 16" y se remata con una 'x 1,5' toroide 6. Sparks parecen similares a los de una separación de encendido convencional bobina de Tesla, aunque son algo más gruesa y más caliente.
El conductor se ejecuta directamente desde la red eléctrica de 240V 50Hz AC que es entonces de media onda rectificada. El consumo de corriente es de aproximadamente 5 amperios RMS.
Se utiliza cuatro dispositivos STW15NB50 MOSFET conectados en una disposición de puente en H. Esto lleva a los dos extremos de la bobina primaria en oposición (anti-fase) y se duplica efectivamente la oscilación de tensión que puede ser desarrollado a través del devanado primario. (Esto realmente ayudó a lograr una buena longitud de la chispa.)
Actualmente no hay condensadores de filtrado o de almacenamiento de energía en su uso aquí. El principal consiste en 19 vueltas de alambre y es enlace acoplado sobre el tercio inferior del resonador. (K estima en alrededor de 0,40) La potencia de cresta RF se ha medido a 4800 vatios, por lo que la entrada de potencia RMS debe ser de aproximadamente 1200 vatios o menos. pico de corriente de RF en el primario es de 22 amperios, y el resonador se presenta como un sumidero de corriente constante una vez que se ha alcanzado el potencial de ruptura.
La frecuencia de resonancia es 350kHz nominalmente, pero la frecuencia del conductor es barrida de forma dinámica durante el ciclo de suministro de la red en un intento de mantener la sintonización correcta a medida que crecen las chispas.
Este ajuste dinámico es de cierta importancia para el logro de chispas largas. Sin algún ajuste automático del oscilador del crecimiento chispas "desaire" a sí mismos, ya que desafinación del resonador y limitan la tensión del terminal. ajuste dinámico se logra mediante la alimentación de una pequeña porción de la tensión de alimentación en la parte que determina la frecuencia del circuito conductor. Esto provoca una caída progresiva de la frecuencia de excitación medida que aumenta la tensión de alimentación y las chispas se propagan. Es muy crudo, pero sin duda hace una mejora.
Los cuatro MOSFETs son sólo ligeramente caliente después de una carrera de 3 minuto, y me han funcionado durante 30 minutos de forma continua para comprobar la fiabilidad. Después de más largo plazo, el disipador de calor era bastante caliente, y tanto primaria como secundaria está representada calefacción notable.
Longitud media de chispa es de alrededor de 14 pulgadas con éxitos ocasionales a cabo a 18" o menos. Las chispas generan un ruido sordo ruidoso zumbido, y aparecen como llamas gruesas pulgadas donde entran en contacto el toroide.
También he visto varias bolas blancas brillantes emitidos por el toroide durante el funcionamiento. (Véase el marco de secuencia opuesta.) Estos se cree que son las bolas de la quema de aluminio que provienen de la superficie de la lámina de cubierta toroide, aunque realmente me sorprendió cuando sucedió por primera vez!
La superficie del toroide se cubre con pequeñas 1/8 th golpes de lámina de pulgada para promover la ruptura. Si un toroide suave, que no tenga ningún punto de ruptura, hay descargas disruptivas graves que al instante se queman la forma primaria de plástico: Un problema significativo con el uso de un acoplamiento tan apretada.
No tengo planes para aumentar la longitud chispa de este diseño en particular, ya que se pretende como una unidad portátil compacto. Que será empaquetado cuidadosamente y se utiliza para demostraciones en Teslathons etc. Sin embargo, puedo tratar de construir un sistema de estado sólido más grande en el futuro, ya que la flexibilidad y la ausencia de televisión y radio interferencia es atractivo para mí.
Varios miembros de la Lista Tesla también han señalado que esta bobina representa una buena plataforma para la investigación de las áreas poco comprendidas de carga chispa y la adaptación de impedancia a la corona.
La imagen de la derecha muestra una feroz llama 9 pulgadas producido mediante la ejecución del controlador de estado sólido a partir de una alimentación de CC alisado continuo. (Modo CW)
Esto provoca un calentamiento apreciable en el conductor, el devanado primario, y la porción inferior del resonador Tesla.
potencia de entrada se midió a 1500 vatios. A pesar de esta baja potencia final del punto de ruptura (pequeño conductor terminal) se convirtió en fundido en una bola. La punta continuó ilumine para segundos después de que se apaga.
La descarga fue muy caliente en este modo, y "calor-brillo" fue visible por encima de la corona. Sonido era una, silbidos, ruidos crepitantes corriendo.
Un fenómeno inusual observado con frecuencia por encima de los arcos de energía. En estos dos marcos de la bobina se arqueándose sobre una distancia de 6 pulgadas a un cable de conexión a tierra.
Breves manchas de luz de color amarillo pálido se ve el aumento por encima del arco principal de llama similares. Se me ha informado que esto es debido a la combustión de gases traza en el aire.
esquemas de controlador de puente H
Los últimos esquemas para la electrónica de control y electrónica de potencia se pueden descargar haciendo clic en los dos enlaces de abajo. Estos esquemas han sido verificadas por los errores obvios, y se cree que estén libres de errores. Mejoras significativas se han hecho a partir del diseño original en las siguientes áreas:
Re-configuración de los controladores de puerta MOSFET para reducir el tiempo muerto en conmutación de transiciones. El diseño de edad tenía un gran 5% de tiempo muerto en los instantes de conmutación para permitir que un MOSFET para apagar antes que el otro está encendido. Se encontró que este tiempo muerto a ser excesivo, e hizo que los diodos de cuerpo de los MOSFETs para llevar a cabo en gran medida debido a la corriente autónoma.
El aislamiento de los diodos de cuerpo MOSFET, usando serie un diodo Schottky y diodos de recuperación rápida paralelas. Esto elimina problemas debido a las características de recuperación lenta inversa del diodo cuerpo. Esta modificación se combina con el explicado anteriormente, reduce drásticamente las tasas de mortalidad MOSFET!
ajuste dinámico. La señal portadora generada por el TL494 es "frecuencia modulada" por la tensión de alimentación de alta tensión. La frecuencia es en realidad barrió en un pequeño porcentaje como la tensión aumenta en un intento de realizar un seguimiento de la frecuencia de resonancia a medida que crecen las chispas. Esto es bastante peligroso, como es no tener en cuenta que sólo desafinación pasa por encima de ruptura, etc. Sin embargo, se ha encontrado para ser muy eficaz, muy probablemente debido a que el resonador de carga Q es baja, y el rango de ajuste es en realidad bastante amplio durante provocando condiciones?
Las fotos de la tarjeta de control
La imagen muestra opuesto mi tablero del controlador de estado sólido conectado al devanado primario bobina de Tesla.
Las medidas de PCB 6" x 4" y se monta directamente en la parte superior de un gran disipador de calor de aluminio para la refrigeración de los semiconductores de potencia.
El pequeño transformador en la parte superior derecha de la PCB proporciona un suministro de 15 voltios para alimentar la electrónica de control. Todo lo demás se ejecuta directamente desde la red eléctrica de 240V.
Como una advertencia a cualquiera que contempla la construcción de un sistema similar, el desarrollo de este proyecto era muy caro, me pasó el equivalente de alrededor de 600 dólares en diversos semiconductores y tuvo que pedir prestado algún equipo de prueba sofisticado para depurar el diseño. Sin embargo, ahora que funciona bien, creo que es hermoso! Es necesario prestar cuidadosa atención a la disposición, las longitudes de cableado, heatsinking y blindaje para asegurar un funcionamiento fiable. Algunos consejos de diseño y construcción se pueden encontrar haciendo clic en el enlace de más abajo.
La quema de arcos de acero y canto
Haga clic aquí para ver nuevas imágenes de un punto de ruptura de acero quema de distancia, y la música que venía de una chispa !!!
Teoría del Estado Sólido bobina de Tesla
Si se ha tomado la molestia de leer hasta aquí es probable que desee saber más acerca de la operación SSTC. Pero cuidado, aquí es donde se pone un poco más pesado ...
Haga clic aquí para leer mis profundidad en estado sólido páginas DRIVER teoría. (Se recomienda la lectura si se va a construir su propio controlador).
o haga clic en este enlace para ver algunas de las razones por qué dispositivos MOSFET fallar en el deber TC estado sólido, si usted ha construido su propio conductor, pero tienen problemas!
Foto de Cambridge 2001 por Mark Hales.
Desarrollos futuros
Aquí están algunas ideas para futuros desarrollos en el tema SSTC:
Se tiene previsto modificar esta plataforma existente para operar desde continuo alisado a finales de este año, con el propósito de investigar cuestiones de impedancia y de carga de corona.
Más investigación sobre la disminución de la impedancia del resonador base de no-carga, con el fin de obtener más poder en el resonador sin requerir un coeficiente muy alto de acoplamiento. (Posiblemente el bobinado de un físicamente más grande secundaria a ser operado por encima de un plano de tierra.)
ajuste dinámico basado en la detección de la corriente de base resonador. En esencia, el resonador está hecho para ser la frecuencia de la determinación de parte del oscilador, por lo que la frecuencia conductor "perfectamente" un seguimiento de la frecuencia de resonancia durante el crecimiento streamer. Esto también asegurará que las transiciones de conmutación se producen a corriente cero, lo que resulta en la reducción de las pérdidas de conmutación.
Desarrollo de un SSTC gemelo. Esto debería proporcionar chispas más largos entre las torres, sin aumentar esfuerzos de tensión a través de cada torre.
Mejorar la heatsinking del presente diseño, ya que todavía hay algunos problemas térmicos cuando los tiempos de riego son largos.
Créditos y enlaces
Muchas gracias a John Freau, Alan Sharp y Paul Nicholson para proporcionar información, consejos y sugerencias para mi trabajo bobina de CW.
Aquí hay un enlace a la página web de Alan Sharp , que contiene excelente información sobre el diseño y la construcción de estado sólido de bobina de Tesla. Internacional del rectificador sitio web también contiene muchas notas de aplicación valiosas que cubren temas tales como circuitos MOSFET de unidad, etc. Aquí hay un enlace a la página web de John Freau que contiene alguna información acerca de tubo de vacío bobinas de Tesla. (Bobinas de tubo de vacío son muy similares a las bobinas de estado sólido en su método de operación.)
También asegúrese de revisar la sección dedicada de enlaces relacionados SSTC en mi principal página de enlaces. Innumerables personas han aportado ideas a mi trabajo SSTC, y muchos otros han construido bobinas Tesla estado sólido basado en la información que aquí se presenta. Hay una cantidad cada vez mayor de la información disponible de SSTC cosas en estos sitios.