DRSSTC

DRSSTC
Double Resonant Solid State Tesla Coil
Czyli elektroniczna cewka tesli o podwójnym rezonansie
Spis treści...
1.
Co to jest ?
2.
Jak to działa?
3.
Przesunięcie fazy a gwarancja
4.
Inne informacje
Co to jest ?
Cewka tesli o podwójnym rezonansie to innymi słowy transformator o rdzeniu powietrznym,
posiada uzwojenie wtórne i uzwojenie pierwotne. Aby zwiększyć wydajność postanowiono że dwa
obwody muszą pracować w rezonansie, gdzie obwód pierwotny pracuje na takiej samej
częstotliwości jak obwód wtórny. W odróżnieniu DRSSTC od klasycznej cewki tesli nie potrzebuje
transformatora wysokiego napięcia, ani też przerwy iskrowej na której występują bardzo duże straty
mocy to właśnie sprawia iż za pomocą DRSSTC możemy osiągnąć dużo większe wyładowania
przy dużo mniejszym poborze prądu z sieci. Każdy blok jest szczegółowo dopracowany bo każda
niewielka różnica, mały błąd może spowodować zniszczenie DRSSTC. Zasilanie tego typu cewki
tesli to 230VAC a moc którą pobiera to maksymalnie 2.5KW. W sieci możemy znaleźć wiele typów
cewek tesli zaczynając od tak zwanych klasyków:
CT- Classic Tesla, Cewka Tesli;
SGTC- Spark Gap Tesla Coil to samo co klasyczna;
RSGTC Rotary Spark Gap Tesla Coil- klasyczna z obrotowym iskrownikiem
DCSGTC/DCTC taka sama cewka tesli jak klasyczna, zasilana wysokim napięciem stałym- DC;
VTTC- Vaccum Tube Tesla Coil cewka tesli gdzie elementem przełączającym jest lampa najczęściej
nadawcza dużej mocy, pentoda, trioda;
OLTC- Off Line Tesla Coil, cewka tesli pracująca z jednym tranzystorem o podwójnym rezonansie;
SISG- Sidac/IGBT Spark Gap, cewka tesli w której elementem zastępującym iskrownik są
tranzystory IGBT/ Triaki połączone szeregowo przełączające bardzo wysokie napięcia
SSTC- Solid State Tesla Coil cewka tesli oparta na dwóch/czterech tranzystorach mosfet o
pojedynczym rezonansie
Class E SSTC Cewka tesli oparta na jednym tranzystorze i topologii wzmacniacza klasy E
Jak widzimy powstało dużo rodzai cewek tesli i powstają następne, bardziej zaawansowane:
QCW- Quasi Continuous Wave powstała jedyna na świecie oparta na topologii wzmacniaczu typu
D, budowa nadal jest tajemnicą choćby chłodzenie wodne tranzystorów i wyładowanie 4 razy
większe niż sama konstrukcja
DRASTIC- Dual Resonant realtime Adjustable Solidstate Tesla Instrumentation Coil obecnie
największa na świecie cewka tesli działająca w topologii DRSSTC, prąd w obwodzie pierwotnym
dochodzi lekko do 5KA ! A ilość zwojów, wysokość uzwojenia wtórnego względem pierwotnego
regulowana jest przez mikroprocesor do uzyskania jak największego prądu w obwodzie
rezonansowym.
Podsumowując, powstają to coraz nowsze typy cewek tesli, każde wyładowanie różni się od siebie.
Wszyscy dążymy do przedstawienia nowych rozwiązań, wytworzenia jak największych wyładowań
a budowa transformatorów tesli to pasja, hobby. To co możemy teraz zaobserwować to coraz
większy wzrost zainteresowaniem, ludzie budują coraz wymyślniejsze, ładniejsze i ciekawsze
transformatory. Wprowadzono MIDI modulacje w cewkach Tesli dużych mocy i wiele innych.
Jak to działa ?
Elektroniczną cewkę tesli można podzielić na trzy główne bloki:
1. Blok rezonansowy pierwotny
2. Sterowanie bloku rezonansowego pierwotnego
3. Blok rezonansowy wtórny
Blok rezonansowy pierwotny. Blok rezonansowy pierwotny składa się z uzwojenia
pierwotnego i kondensatora rezonansowego. Układ rezonansowy pracuje w szeregu, to oznacza iż
występuje zjawisko rezonansu napięć a impedancja tego obwodu jest bliska zeru co powoduje że
prąd który płynie przez ten obwód jest praktycznie nieskończony i trzeba go ograniczać.
Częstotliwość pracy tego bloku jest równa 58KHz, maksymalny prąd który płynie przez uzwojenie
pierwotne to 1000A, napięcie maksymalne MMC- baterii kondensatorów wynosi 3600VDC,
1800AC a pojemność zaledwie 455nF. Uzwojenie pierwotne wykonane jest z miedzianej rury o
średnicy 6mm. Kable łączące te części są przekroju 15mm^2 Uzwojenie pierwotne dodatkowo jest
zabezpieczone otwartym zwojem podłączonym do uziemienia, gdyby wyładowanie miało by
uderzyć w uzwojenie pierwotne uderzy w ten zwój.
Sterowanie bloku rezonansowego to najbardziej skomplikowany element DRSSTC. Jest to
układ falownika z tranzystorami IGBT połączonym z kontrolerem prądu, sprzężeniem zwrotnym,
przesuwnikiem fazy, ogranicznikiem prądu – interruperem i układem sterowania tranzystorów.
Układ falownika podaje napięcie przemienne o wartości 320VDC po odfiltrowaniu przez ogromny
kondensator elektrolityczny o pojemności rzędu 4700uF, na układ rezonansowy bloku pierwotnego.
To powoduje przepływ prądu, który ma przebieg sinusoidalny co jest spowodowane elementami LC
bloku pierwotnego. Interrupter czyli kontroler prądu pozwala precyzyjnie regulować ilość cykli
prądu w uzwojeniu pierwotnym oraz czas odstępu między każdą „paczką” ustawionej ilości cykli.
U mnie maksymalna ilość to 12 cykle. Wraz z każdym cyklem narasta wartość prądu, zmniejszając
ilość cykli zmniejszamy wartość płynącego prądu. Po zakończeniu zadanej ilości cykli pojawiają
się od trzech do pięciu cykli wygasających w których wartość prądu maleje. Ogranicznik prądu
składa się z kaskady dwóch przekładników prądowych o przekładni 1:1000 założonej na uzwojenie
pierwotne. Coś jak cewka rogowskiego, wyindukowane napięcie jest prostowane i podawane na
układ porównujący wartość napięcia do wartości napięcia zadanego. Jeśli napięcie z przekładnika
prądowego przekroczy zadaną wartość to na wyjściu komparatora pojawia się stan wyzwalający
generator monostabilny który na określoną ilość czasu (kilka nS) zatrzymuje pracę cewki aż prąd w
uzwojeniu pierwotnym zmniejszy się. Najczęściej czas stopu to czas jednego cyklu pracy. Po co
nam ogranicznik prądu jeżeli jest interrupter ? Podczas pracy często bywa tak że gdy wyładowanie
uderza w uziemiony przedmiot, prąd w uzwojeniu pierwotnym natychmiastowo rośnie do wartości
które mogą zniszczyć falownik. Kontroler prądu jest urządzeniem które cały czas jest trzymane w
rękach, tak więc aby wyeliminować możliwość porażenia prądem interrupter powinien być
połączony z cewką tesli za pomocą światłowodu. Sprzężenie zwrotne jest zrobione tak jak
ogranicznik, założony jest przekładnik prądowy, sygnał z przekładnika trafia na przerzutnik
Schmitta który powoduje przemianę sygnału sinusoidalnego w sygnał cyfrowy, który jest
przekazywany na układ sterowania tranzystorami. Tak więc nie ma innej możliwości by prąd
płynący w obwodzie pierwotnym nie był prądem rezonansowym. Oscylogram przebiegu
prądowego w uzwojeniu pierwotnym, 100A/Dz., 12 cykli narastających, 5 opadających.
Blok rezonansowy wtórny to część wtórna naszego transformatora. Składa się nań rura PCV
na którą nawinięte jest uzwojenie wtórne drutem miedzianym emaliowanym o przekroju 0.255mm i
terminal czyli dwie rury kominowe aluminiowe które stanowią pojemność względem otoczenia.
Obie rury kominowe są w taki sposób nawinięte by zmienić gradient potencjału tak aby
wyładowanie nie trafiało w uzwojenie pierwotne. Tak więc mamy tutaj kolejny obwód
rezonansowy. Kiedy przez uzwojenie pierwotne płynie prąd z częstotliwością rezonansową
uzwojenia pierwotnego i częstotliwością rezonansową uzwojenia wtórnego w uzwojeniu wtórnym
indukuje się ogromne napięcie i prąd. Dół uzwojenia wtórnego jest uziemiony. Współczynnik
sprzężenia uzwojenia wtórnego i pierwotnego wynosi 0.18% Uzwojenie wtórne zawiera około 4 km
drutu nawojowego więc musi być odpowiednio polakierowane by nie zostało uszkodzone poprzez
współczynnik rozszerzalności temperaturowej miedzi. Dodatkowo na terminalu jest zamieszczony
tak zwany breakpoint czyli punkt „przełamania” z którego wytwarzane jest wyładowanie. Wracając
do gradientu potencjału jest on tak ustawiony by wyładowanie nie uderzało w uzwojenie pierwotne
co by doprowadziło do jego zniszczenia.
Przykładowe zdjęcie wyładowania o długości ok.180cm.
Co i jak można zrobić? Urządzenie może posłużyć jako pokaz wyładowań elektrycznych o
długości dwóch metrów. Może też posłużyć jako prezentacja przesyłu energii przez powietrze
bezprzewodowo gdy postawimy obok w odległości 5-10 metrów drugie uzwojenie wtórne z
uzwojeniem pierwotnym, kondensatorem rezonansowym na mniejszy prąd i np. podłączonymi
kilkoma żarówkami. Kolejnym bardzo widowiskowym zastosowaniem jest stworzenie interruptera
który byłby zmodulowany za pomocą MIDI, efektem czego DRSSTC grała by muzykę, co prawda
prostą ale bardzo efektywną. Filmy w internecie można znaleźć wpisując „MIDI DRSSTC”
Przesunięcie fazy a gwarancja
Wszystkie przerzutniki, bramki logiczne, wzmacniacze itd. wprowadzają opóźnienia tzw.
czasy propagacji. Części falownika takie jak kondensator, mostek prostowniczy i tranzystory IGBT
muszą być połączone płaskownikami a to z kolei stanowi indukcyjność. Tranzystory muszą
przełączać napięcie w zerach prądu tzw. ZCS (Zero Cross Switching) Wprowadzone czasy
propagacji powodują iż tranzystory nie przełączają w zerach tylko obok, co je dociąża. Płynie
większy prąd przez płaskowniki, jako iż praca odbywa się przy 50-60KHz indukcyjności połączeń
zaczynają wprowadzać szpile napięciowe dodatnie o dwukrotnej a nawet większej, wartości
napięcia zasilania:
Kolor błękitny to przebieg
prądowy, kolor żółty u góry to
przebieg napięcia- przełączanie
tranzystora.
Efekt ten jest niepożądany gdyż większość tranzystorów pracuje przy napięciu maksymalnym
600VDC, przy zasilaniu z 320VDC szpile od razu by zniszczyły tranzystory. Tak więc ktoś
wymyślił że sygnał z sprzężenia zwrotnego można przesunąć w fazie za pomocą indukcyjności i
porównawcza stworzonego na komparatorze. Potrzebny do tego jest bardzo szybki komparator,
odpowiednio zaprojektowana płytka PCB tak aby wyeliminować niewskazane inne indukcyjności i
pojemności. Obecnie oscylogram po dostrojeniu i wyregulowaniu przesunięcia fazowego wygląda:
Wystarczyło tylko niewiele przesunąć fazę a szpile dodatnie od razu znikły. Tranzystory są dużo
mniej obciążone a to wydłuża ich żywotność. Nie ma też ograniczenia napięciowego, można
spokojnie podać nawet 450VDC na mostek. Pomysłodawca od razu postanowił przerobić
ogranicznik prądowy stosując również ultra szybkie komparatory co przyczyniło się do powstania
„sterownika idealnego”. Dodatkowym jego elementem jest pełny mostek pośredni, który służy do
wysterowania dużego transformatora sterującego bramkami tak aby uzyskać czasy narastania
zbocza rzędu 200nS, zapobiec wyjściu z nasycenia tranzystorów podając odpowiednie napięcie na
jego bramki i odseparować galwanicznie część sterującą od falownika. W projekcie tegoż
sterownika jest też miejsce na światłowód do interruptera. Jest to przełomowy sterownik który daje
niemalże wieloletnią gwarancję niezawodności. Wadą sterownika jest cena niektórych elementów
które trzeba by dodatkowo sprowadzić za oceanu, ale to już mniejszy problem.
Zdjęcie sterownika zaprojektowanego przez Finn-a Hammer-a, odkrywcy tego rozwiązania:
Inne sterowniki nie dają takiej gwarancji, często niszczone są tranzystory IGBT których koszt jest
dużo większy niż sterownika Hammer-a po kilku „strzałach” falownika. Po każdej zmianie
otoczenia DRSSTC trzeba przestrajać sterownik od nowa gdyż każdy przedmiot wprowadza zmianę
częstotliwości rezonansowej.
Ważnym elementem niezawodnej pracy jest też uziemienie które bywa pomijane co jest
błędem. Uziemieniem mogą być dwie rurki półtorametrowe wbite w ziemie o dużej powierzchni
połączeń z przewodami prowadzącymi do DRSSTC. Przewody powinny być o jak największym
przekroju.
Inne informacje
Kilka słów odnośnie bezpieczeństwa. Wpływ tak wysokiego pola magnetycznego,
elektrycznego i jonizacji gazów na pewno działa negatywnie na wszelkie urządzenia elektroniczne
dookoła. Wiadomym jest to że żarówka jarzeniowa świeci się w odległości nawet 5 metrów od
cewki tesli. Niewiadomym jest jak różny wpływ mogą mieć emitowane pola na urządzenia bardzo
czułe typu rozruszniki serca, komputery telefony komórkowe itp. Moją propozycją jest budowa
klatki Faradaya, oraz wywieszenie prośby o wyłączenie telefonów komórkowych podczas pokazów.
Kolejnym elementem byłby transformator separujący 230V/230V 2KW Wpływ zakłóceń na
urządzenia podłączone do tej samej sieci jednak jest niewielki np. uruchamiałem cewkę tesli w tym
samym pokoju w którym był włączony komputer i nic się z nim nie działo.
Inne zabezpieczenia falownika to łączone szeregowo diody typu transil 1.5KW, 110V tak
aby dopuszczalna moc strat wynosiła 6KW. Kondensatory snubber o ultra-niskiej indukcyjności i
dużym prądzie w impulsie do „łykania” szpil napięcia w razie rozstrojenia chwilowego sterownika,
stosowane powszechnie w wszystkich falownikach IGBT. Na wszelki wypadek powinien być też
zastosowany bezpiecznik 16A bezpośrednio przed wejściem zasilania.
Zasilanie DRSSTC jak wspomniałem wcześniej odbywa się z 230VAC, prosto z sieci lub
przez odseparowanie za pomocą transformatora 2KW. Sterownik jest zasilany z transformatora
100W 2x15VAC. Falownik w konfiguracji pół-mostka wraz z starym sterownikiem wygląda tak:
Na zdjęciu możemy dostrzec grube czerwone kable, o przekroju 15mm^2 bardzo duży radiator do
którego przykręcony jest pół-mostkowy moduł tranzystorowy IGBT, obok radiatora po prawej
stronie leżą dwie kaskady przekładników prądowych. Na radiatorze leży też transformator
sterujący, i rdzeń ferrytowy na którym jest kilka zwojów- jako indukcyjność znosząca wysokie
częstotliwości w przypadku przebicia transformatora separującego. Widać też terminal
podłączeniowy, transformator zasilania sterownika, dwa duże kondensatory pracujące jako filtry
napięcia oraz jako „masa”. Zastosowany jest tak duży radiator o grubości podstawy 2cm aby oddać
jak najwięcej ciepła ze struktury modułu tranzystorowego, Żółte kondensatory służą jako snubbery.
Nawiew nie jest potrzebny, zamontowałem go gdyż falownika używałem do różnych rzeczy np.
nagrzewnicy indukcyjnej gdzie częstotliwość pracy jest prawie czterokrotnie większa a więc
tranzystor IGBT wprowadza większe straty mocy które są oddawane w postaci ciepła.
Możemy tutaj zobaczyć MMC- baterie kondensatorów z dodatkowymi kilkoma kondensatorami by
zmienić częstotliwość rezonansową kiedy falownik pracował z nagrzewnicą indukcyjną. Jako
ciekawostka dołączam zdjęcie nagrzanego klucza francuskiego w 20sekund przy podaniu tylko 1/3
mocy na falownik.
Podsumowując DRSSTC nie jest prostym zagadnieniem. Wiele szczegółów decyduje czy
urządzenie jest sprawne. Budowa pierwszej wersji od postaw nie mając żadnej wiedzy na jej temat
zajęła nam rok. Piszę nam gdyż równolegle budował swoją wersje Krzysztof Jaworski i z lekkim
opóźnieniem Łukasz Sterczewski. Razem w trojkę jesteśmy jedynymi w Polsce konstruktorami
swoich DRSSTC. Nasza współpraca dawała nam nadal daje wiele korzyści, np. przy zamawianiu
elementów z Teksasu, Stanów zjednoczonych zamawiając razem płaciliśmy mniej. Razem też
szukaliśmy wszyscy wspólnie informacji, projektowaliśmy sterowniki i falowniki. Obecnie każdy z
nas ma swoją własną cewkę Tesli typu DRSSTC. Współpracowaliśmy razem nawet z osobami z
innych krajów: Lineas, Hammerton który udostępnił nam pierwszym schemat sterownika. Dlatego
Zamieszam tutaj serdeczne podziękowania dla tych osób.
Co do zdjęć w prezentacji, to zdjęcie samego sterownika jest wykonane przez Krzysztofa,
jest to jego sterownik, a zdjęcia- dwa oscylogramy z przebiegiem prądowym i napięciowym w
temacie przesuwania fazy są zaczerpnięte z filmu Hammera. Zdjęcia wyładowań są robione przez
Łukasza podczas wizyty u mnie w garażu, aparatem o długim czasie naświetlania. Autorem reszty
zdjęć, dokumentacji jestem ja- Robert Małocha.