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 73 nF/2 kV (bestehend aus 3 Stück 220 nF/600 V WIMA FKP1 Kondensatoren in Serie) mit der Primärspule (3.8 Windungen auf einem 13 cm Spulenkörper). Die Induktivität dieser beträgt somit rund 3.52 µH. Dies ergibt nach der Formel f = 1 / (2·π·√L·C) eine Resonanzfrequenz von rund 314 kHz. Ich empfehle für den Primärkreiskondensator ausdrücklich den Kondensatortyp FKP1, da dieser sehr belastbar und impulsfest ist. Meine Kondensatoren habe ich bei http://www.reichelt.de um ca. 3 Euro/Stück gekauft.

Wenn dies zu wenige Primärwindungen sind, verschalte ich primär 4 oder mehr Stück 220 nF Kondensatoren in Serie. Dies ergibt dann eine Gesamtkapazität von 220/4 = 55 nF. Demnach müsste die Primärspule bei einer Frequenz von 314 kHz eine Induktivität von 4.67 µH besitzen. Dies wäre mit 4.5 Windungen auf einem 13 cm Spulenkörper zu erzielen.

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).

Mittlerweile habe ich die Sekundärspule gewickelt und deren Resonanzfrequenz experimentell bestimmt. Hierzu habe ich lediglich am Fußpunkt der Sekundärspule einen Funktionsgenerator angeschlossen. Dessen Frequenz habe ich dann so lange verändert, bis die mit dem Tastkopf des Oszilloskops empfangene Schwingung maximal wurde. Dies war bei 327 kHz der Fall.

Die Primärspule wäre soweit auch schon fertig. Sie ist auf einem Rohr mit 13 cm Durchmesser gewickelt. Für eine Frequenz von 300 kHz (Anm.: Die Frequenz des primären Schwingkreises sollte immer ein wenig unterhalb der Resonanzfrequenz der Sekundärspule liegen, da die Funken die Kapazität der Sekundärspule ein wenig erhöhen und damit deren Resonanzfrequenz im Betrieb senken) und einer Primärkapazität von 73 nF benötigt man eine Induktivität von 3.86 µH. Dies wird mittels einer Primärspule bestehend aus nur ca. 4 Windungen erzielt. Falls dies zu wenig ist, muss ich die Primärkapazität weiter verringern und die demnach die Induktivität der Primärwicklung (Anzahl der Windungen) erhöhen.

Quelle: Raacke Teslaspulen-Rechner http://www.raacke.de/index.html?teslaform.html

Den Primärkreis bestehend aus Schwingkreiskondensator (3 Stück 220 nF in Serie) und Primärspule habe ich inzwischen auch auf die Sekundärspule abgestimmt. Bei etwas mehr als 3 Primärwindungen erhalte ich eine maximale Amplitude der Schwingung am Oszilloskop bei rund 310 kHz.

Bei 8 Windungen beträgt die Frequenz des Primärschwingkreises noch zu niedrige 154 kHz:

Bei nur noch 3.5 Windungen ist die Amplitude bei den gewünschten 310 kHz maximal:

Für die vorsichtige erste Inbetriebnahme des Teslatrafos habe ich mir zu Weihnachten einen Stelltransformator mit 2000W gegönnt. Dieser ist heute heil angekommen. Gekostet hat er 81 Euro inklusive Versand, da kann man absolut nicht meckern 😉

Die Neugierde war zu groß und ich musste einfach einen ersten Testlauf unternehmen.

Gute Nachricht: Ich erhalte bei Brückenspannungen um die 30-40V, 50µs on-time und einer Interrupterfrequenz von 150 Hz eine Entladung:

Schlechte Nachricht: Meine Gatesignale sehen schlecht aus. Dadurch habe ich mir bereits 2 Stück der IGBT’s zerschossen. Bei rund 40V zieht die Brücke bereits 4A und der Stelltrafo brummt besorgniserregend. Ich habe mir deshalb die Signale meines Treibers am Oszilloskop angeschaut. Am Feedbackeingang habe ich meinen XR2206 Signalgenerator angeschlossen. Nach dem 74HC14N habe ich ein schönes Rechtecksignal mit 5V Amplitude.

Nach den beiden UCC37321/22 schaut es allerdings nicht mehr so schön aus. Es scheint, als wenn einer der beiden kein richtiges Signal liefert. Bei 12V Versorgungsspannung müsste ich ja am Ausgang der beiden UCC’s ein +/-12V Rechteck erhalten. Dies ist aber nicht der Fall:

Mit angeschlossenem GDT sieht das Signal noch schlechter aus:

Daher konnte ich von den Gate-Signalen natürlich auch nicht viel erwarten. Es sieht so aus, als wenn eine Halbwelle nicht funktioniert:

Also stehen zunächst einmal die UCC’s im Verdacht, defekt zu sein. Dies würde mich auch nicht wundern, denn soweit ich mich erinnere habe ich diese sehr günstig auf ebay.com gekauft. Gut möglich, dass es fake-ICs sind. Deshalb habe ich bei TME (https://www.tme.eu/at/) neue UCC37321 und UCC37322 geordert.

Heute sind dank Blitzversand aus Polen die Treiber-ICs eingetroffen. Insgesamt 8 Stück haben inkl. Versand rund 34 Euro gekostet. Natürlich musste ich sie gleich testen. Und siehe da, jetzt ist das Signal nach den UCC37321/22 wie es sein soll, ein schönes Rechteck mit +/-12V.

Mit angeschlossenem GDT erhalte ich komische Störungen:

Die Gate-Signale sehen aber wiederum sehr schön aus. Die Flankensteilheit ist auch akzeptabel (rise-time rund 300 ns):

Hier gibt es eine schöne Darstellung der unterschiedlichen Gate-Signalformen inkl. erfoderlicher Maßnahmen: http://www.richieburnett.co.uk/temp/gdt/gdt2.html

Deshalb traute ich mich, einen weiteren Testlauf der DRSSTC zu starten. Die Stromaufnahme blieb bei sehr geringer on-time und niedrigen interrupter-Frequenzen sehr moderat (0.6A bei 60V vom Stelltransformator) und die Kühlkörper der Vollbrücke blieben angenehm handwarm. Einziger Wehrmutstropfen: Die Blitze sind noch sehr bescheiden. Vermutlich fehlt noch die passende Abstimmung der Teslaspule.

Deshalb werde ich in den nächsten Tagen eine Primärspule mit mehreren Abgriffen anbringen und dann für jeden Abgriff den Output überprüfen. Aber fürs Erste bin ich einmal sehr zufrieden und froh, dass meine DRSSTC scheinbar recht stabil zu laufen scheint.

Neuer Zwischenstand mit folgenden Problemen:

1.) Im “normalen” Interrupter-mode bei geringer on-time (max. rund 100 µs) und geringer interrupter-Frequenz bleibt der Stromverbrauch extrem moderat, nur ca. 0.7A bei 55V vom Stelltrafo. Problem ist die extreme Lautstärke. In meiner kleinen Wohnung betrieben kann ich da nicht wirklich weiter hochregeln. Ich bekomme in diesem Modus auch sehr dünne, stark verästelte Blitze.

 

2.) Im Burst-Modus erhalte ich ein komplett anderes Funkenbild. Die Blitze sind nun viel intensiver, aber die Vollbrücke zieht selbst bei nur 30V bereits 10A und mehr über den Stelltrafo. Eigenartigerweise ist die Lautstärke in diesem Modus aber gefühlt deutlich geringer und erträglich. Aber ich kann hier natürlich aufgrund des sehr hohen Strombedarfs nicht noch weiter mit der Spannung gehen. Das Funkenbild ist aber auch eigenartig und erinnert mich eher an eine VTTC und nicht an eine DRSSTC.

Ist alles noch nicht wirklich befriedigend. Hätte meine DRSSTC halt schon sehr gerne direkt am Netz betrieben, auch wenn ich sie dafür massiv drosseln müsste. So kann ich mir das aber komplett abschminken. Aber so wie es sich jetzt darstellt ist der Stromverbrauch in Ordnung, dafür die Blitze (logischerweise) mickrig und die Lautstärke aber extrem oder es geht von der Lautstärke und der Blitzlänge, dafür ist der Stromverbrauch indiskutabel. Mal sehen, was ich jetzt noch unternehmen werde/kann. Leider bin ich absolut nicht der Tesla-Profi…

Dank eines netten Hinweises eines Kollegen habe ich einmal meinen Burst-Modus genauer untersucht und festgestellt, dass ich erstens anstelle der beiden 50 kΩ-Potentiometer zwei 100 kΩ-Potentiometer verbaut habe und zweitens die on-time im Burst-Modus viel zu lange eingestellt war. Diese beiden Potentiometer hatte ich nämlich nicht nach draußen geführt und somit leicht bedienbar gemacht, sondern sie waren nur bei geöffneten Gehäuse einzusehen und zu verstellen. Daher habe ich einmal mit den Einstellungen im Burst-Modus herumgespielt. Der Strom ist jetzt in der “schonensten” Einstellung zwar deutlich zurückgegangen, beträgt aber immer noch so um die 4A bei 40V vom Stelltrafo. Keine Ahnung, ob dies normal oder überdurchschnittlich hoch ist. Traue mich aber wiederum fast nicht, die Spannung deutlich zu erhöhen…

Die Form der Blitze hat sich dadurch auch  verändert. Sie sind jetzt nicht mehr so gerade und intensiv wie noch vorhin, als sie mir ja wie von einer VTTC (vacuum tube tesla coil) schienen.

Da mir die Gate-Spannungen unnötig hoch erschienen, habe ich heute die 27V Zenerdioden gegen 24V Typen getauscht und den GDT abgeändert. Anstelle von 17 Windungen habe ich nun 15 sekundärseitig, primärseitig sind es 8. Damit erhoffte ich steilere Flanken an den Gates. Aber ich bin nach wie vor im Bereich von 300 ns…

Meine Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule ist aber mit rund 30% deutlich zu hoch. Bei DRSSTCs sollte sie im Bereich 10-20% liegen. Ich werde daher wohl auf eine horizontale Primärspule wechseln.

Um die Kopplung von über 30% zu reduzieren, bastel ich gerade an einer horizontalen Primärspule. Den Kupferdraht dafür mit 2.5 mm Durchmesser habe ich auf ebay bestellt. Bis der ankommt, wird es aber noch 2-3 Wochen dauern. Mit dieser neuen Spule sinkt laut Raacke-Rechner (http://www.raacke.de/index.html?teslaform.html) die Kopplung auf rund 21%.

Damit ich mit der Resonanzfrequenz noch ein wenig nach unten komme, habe ich einen neuen Topload aus Styropor und Aluklebeband gefertigt. Er misst 34 cm im äußeren Durchmesser. Das Alublech hat mir dankenswerterweise meine Tochter durch eine waghalsige Aktion besorgt 😉

Mit diesem größeren Topload habe ich gleich die Resonanzfrequenz der Sekundärspule neuerlich ermittelt. Ich komme nun auf 280 kHz. Zuvor waren es noch um die 325 kHz.

Als Reserve habe ich mir bei Völkner noch IGBTs gekauft und zwar IXGH30N60C3 von IXYS um 3.20 Euro das Stück. Bei Conrad kosteten diese bis vor kurzem auch nur rund 3 Euro bevor der Preis auf stattliche 7.50 Euro gestiegen ist. Sie besitzen laut Datenblatt sehr gute Werte (geringe Anstiegs- und Fallzeiten, geringe Gatekapazität). Mal schauen, ob sie eine Verbesserung im Vergleich zu den günstigen von pollin bewirken. Ich tausche sie aber erst aus, wenn die jetzigen kaputt sind…

Wenn es Neuigkeiten gibt, geht es hier weiter…