DRSSTC

DRSSTC steht für Dual Resonant Solid State Tesla Coil. Wie es der Name schon sagt, haben wir es hier mit 2 Schwingkreisen zu tun. Einmal den sekundärseitigen Schwingkreis gebildet von der Sekundärspule mit ihrer Induktivität und Kapazität und dann den primärseitigen Schwingkreis. Dieser besteht konkret aus der Serienschaltung eines Kondensators mit der Kapazität von 75 nF/2 kV (bestehend aus 3 Stück 220 nF/600 V WIMA FKP1 Kondensatoren in Serie) mit der Primärspule (6 Windungen auf einem 7.5 cm Spulenkörper). Die Induktivität dieser beträgt somit rund 5.5 µH. Dies ergibt nach der Formel f = 1 / (2·π·√L·C) eine Resonanzfrequenz von rund 280 kHz. Ich empfehle für den Primärkreiskondensator ausdrücklich den Typ FKP1, da dieser sehr belastbar und impulsfest ist. Meine Kondensatoren habe ich bei http://www.reichelt.de um ca. 3 Euro/Stück gekauft.

Dieser primärseitige Schwingkreis befindet sich in einer Vollbrücke, bestehend aus 4 Stück 40 A/600 V IGBTs vom Typ HGTG20N60B3D. Diese konnte ich um nur 1.25 Euro/Stück bei http://www.pollin.de erwerben.

Zunächst einmal zur Funktionsweise einer Vollbrücke. Sie besteht wie schon erwähnt aus 4 IGBTs oder Mosfets (= quasi Schalter).

Liegt etwa an den Gates G1 und G4 eine ausreichende Spannung (z.B. 10 V) an und an den Gates G2 und G3 keine oder eine negative Spannung, so schaltet die Vollbrücke so durch, dass durch die Last (im Schaltplan die Primärwicklung pri) im Uhrzeigersinn Strom fließt.

Liegt aber nun an den Gates G2 und G3 eine positive Spannung an und an den Gates G1 und G4 keine, so schaltet die Vollbrücke genau andersrum durch und durch die Last fließt entgegen dem Uhrzeigersinn Strom.

Jetzt ist das Besondere an einer DRSSTC, dass diese Schaltfrequenz nicht willkürlich durch einen Oszillator vorgegeben ist, sondern der in der Regel primärseitige Schwingkreis selbst gibt durch ein sog. feedback den Takt vor. Dies sorgt dafür, dass der primärseitige Schwingkreis genau dann einen “Schubs” bekommt, wenn es für ihn zeitlich ideal ist. Auf diese Weise wird sehr effektiv Energie in den primärseitigen Schwingkreis gepumpt mit der Konsequenz, dass dort der Strom extrem stark ansteigt. Nun würde dieser Stromanstieg über kurz oder lang die IGBTs und den Primärkreiskondensator zerstören. Deshalb lässt man nur wenige Schwingungen zu, bevor man die Ansteuerung der Vollbrücke wieder unterbricht. Für diese Unterbrechung sorgt der sog. Interrupter.

Quelle: https://www.stevehv.4hv.org/interrupter/intwbmsch.JPG

 

Nehmen wir an, die Resonanzfrequenz des Primärkreises beträgt 280 kHz. Dann dauert eine vollständige Schwingung nur rund 3.6 µs. Nehmen wir weiter an, der Interrupter besitzt eine Frequenz von 1 kHz mit einem Tastgrad von nur 10%. Dann wird die Vollbrücke nur innerhalb von 100 µs angesteuert, die verbleibenden 900 µs wird die Ansteuerung unterbrochen. Dies hat nun 2 Auswirkungen: Erstens kann der primärseitige Schwingkreis nur rund 30 (konkret 100/3.6) volle Schwingungen vollführen. Und zweitens hört man die Entladungen an der Sekundärspule mit einer Frequenz von genau 1 kHz. Würde der Interrupter mit nur 500 Hz laufen, so würde man einen Ton von eben nur 500 Hz wahrnehmen. Auf diese Weise kann man mit einer DRSSTC Töne wahrnehmen.

Die Tonfrequenz darf man aber nicht beliebig erhöhen. Würde nämlich die on-time mit 100 µs gleich bleiben und der Interrupter würde z.B. mit 2 kHz (Periodendauer = 500 µs) laufen, so beträge die on-time immerhin bereits 20%. Bei 1 kHz waren es noch 10%. Auf diese Weise würden die Bauteile ebenfalls überlastet und zerstört werden.

Normalerweise entnimmt man das Feedback dem Primärschwingkreis. Bei meiner “unechten” DRSSTC wird das Feedback aber vom Fußpunkt der Sekundärspule entnommen.

Dieser Takt wird dann mittels der Treiber ICs UCC37321 und UCC37322 leistungsmäßig verstärkt und dem sog. Gate Drive Transformer, das ist ein Ferritring mit mehrere Wicklungen ähnlich wie ein Überträger bzw. Transformator, zugeführt. Konkret besitzt er bei einer Vollbrücke 1 Primärwicklung und 4 Sekundärwicklungen (für jeden IGBT eine).

Wie bei jeder Teslaspule muss natürlich der Takt der primärseitigen Ansteuerung (bei SSTCs) bzw. die Resonanzfrequenz des primärseitigen Schwingkreises (bei SGTCs und DRSSTCs) auf die Resonanzfrequenz des sekundärseitigen Schwingkreises (Teslaspule mit Topload) abgestimmt sein. Je größer die Teslaspule, desto größer ist ihre Induktivität L und desto niedriger wird ihre Resonanzfrequenz.

Anbei der komplette Schaltplan der DRSSTC 5 von CTC Labs. Man benötigt neben der gleichgerichteten und geglätteten Netzspannung für die Vollbrücke noch +5V für die Feedback-Aufbereitung und +12V für die Ansteuerung des GDT.

Hier nun einige Bilder der Vollbrücke bzw. der anderen Komponenten (z.B. Topload der Sekundärspule):

Die Buskapazität besteht bei mir aus 5 Stück 470 µF/450 V Elkos in Parallelschaltung (ergibt eine Gesamtkapazität von 2350 µF).