www.kilovolt.ch

Solid State Tesla Coil mit Vollbrücke: SSTC-3

SSTC: Solid State Tesla Coil (Teslaspule mit moderner MOSFET-Ansteuerung)

Diese neueste SSTC-3 befindet sich leider noch im Aufbau. Einige Arbeiten sind allerdings bereits fertiggestellt. Über die aktuellen Fortschritte und natürlich über die zukünftigen Testläufe wird hier berichtet. Schauen Sie deshalb ab und zu mal wieder vorbei ;-)

Erklärungen zur Funktionsweise einer SSTC findet man unter der Beschreibung der SSTC-2.

Die hauptsächliche Änderung gegenüber dem Vorläufermodell SSTC-2 besteht in der Verwendung einer Vollbrücke. Diese wird aus vier Stück IRFP-460 Power-MOSFET's aufgebaut. Mehr dazu weiter unten.

Das Treiber-Board

Die Ansteuerung der Vollbrücke erfolgt über insgesamt acht Stück MOSFET-Treiber IC's von Intersil, die gleichen, die schon bei der SSTC-2 Verwendung fanden (ICL7667). Diese treiben zwei unabhängige GDT's (Übertrager), welche je zwei MOSFET's der Brücke übers Kreuz durchsteuern. Die Schaltung des Treibers entspricht grösstenteils der Treiberschaltung der SSTC-2, allerdings doppelt geführt. Auch der bewährte Oszillator mit dem TL494 Baustein wurde von der SSTC-2 übernommen. Dieser wurde, wie bei der SSTC-2, auch auf dem Treiber-Board untergebracht. Das fast fertige Treiber-Board sieht folgendermassen aus:

Links sieht man den TL494 Oszillator mit ein paar frequenzbestimmenden Bauteilen rundherum und den drei Einstellmöglichkeiten für "Frequenzeinstellung, Frequenz-Feintuning und Tastverhältnis. Daneben ein ICL7667, welches für die Aufbereitung der Signale für die beiden Vierergruppen von Treiber-ICs zuständig ist. Rechts die zwei Vierergruppen der Treiber-IC's für die beiden GDT's. Rote Brücken bedeuten positive Spannungsversorgung 12V, blaue Brücken bedeuten Masse und nichtisolierte Brücken bedeuten Signalverbindungen.

Ein erster Test mit dem Labornetzgerät als Speisung und Leistungswiderständen als Last hat gezeigt, dass Treiber und Oszillator soweit mal ordentlich funktionieren. GDT's habe ich bisher noch keine angeschlossen.

UPDATE (13.10.2007):

Einige Bilder und Erklärungen zum Endstufenteil:

Hier die beiden GDT's:

Der Einfachheit halber habe ich mich dazu entschlossen, zwei separate GDT's zu wickeln. Einer für den linken Teil der Brücke, der andere für den rechten Teil der Brücke. Diese GDT's sind mit denselben Daten gefertigt worden wie der GDT der SSTC-2, da sich dieser bereits bewährt hat. Also gleicher Kern, gleiche Windungszahlen (9:9:9).

Der Endstufenkühlkörper mit den Leistungsmosfet's:

Hier mal der Kühlkörper mit den MOSFET's IRFP-460. Auf die Distanzbolzen wird später der Endstufenprint montiert, welcher die restlichen Bauteile wie Gate-Widerstände, Schutz- und Freilaufdioden sowie Kopplungskondensatoren (rot) enthält (siehe nächstes Bild unten).

Endstufe komplett:

Der Endsufenprint ist bereits provisorisch fertiggestellt, es müssen jedoch noch die Verbindungen zu den MOSFET's hergestellt und die beiden GDT's angeschlossen werden. Schlussendlich gab's dann doch noch mehr Bauteile als ich gedacht hatte, deshalb wirkt der Print nun ziemlich vollgestopft. Das Board wurde fast symmetrisch aufgebaut. In der Mitte sind die vier MUR-860 Freilaufdioden zu erkennen (für jeden MOSFET eine), daneben jeweils zwei 8.2V-Z-Dioden pro MOSFET am Gate. Bei den Widerständen handelt es sich um jeweils zwei 15 Ohm Widerstände parallel um die 7.5 Ohm der SSTC-2 zu erreichen. Die beiden roten impulsfesten WIMA-Kondensatoren dienen lediglich als Koppelkondensatoren zwischen Primärspule und Vollbrücke.

Auch die Brückenspeisung darf natürlich nicht fehlen. Vermutlich wird in einer ersten Testphase mal einfach halbgleichgerichtete Speisung angelegt.

Erste Tests - First Light!

Nach einigem Hin und Her ist es nun endlich mal soweit, die Spule erstmals zu testen. Der Aufbau ist noch etwas provisorisch, besonders der quick-and-dirty Resonator. Alles in allem ergibt die Spule aber bereits relativ schöne Ergebnisse (etwa wie die SSTC-2), und läuft zudem stabiler. Dies bedeutet, dass eigentlich noch deutlich mehr rauszuholen sein müsste. Allerdings sollte man sich immer langsam an das Leistungsmaximum rantasten, sonst gibt's  einen kurzen Knall und die vier Endstufen-MOSFET's sind im Halbleiterhimmel ;-). Diese sind nicht nur teuer, es ist auch mit einigem Aufwand verbunden, die FET's auszuwechseln.

Nachfolgend also mal erste Bilder.

Für eine grössere Ansicht bitte auf das entsprechende Bild klicken!

Überblick über den Aufbau:

Links im Vordergrund sieht man den Variac für die Speisung der Brücke und das schwarze, rechteckige Netzgerät für die 12V-Speisung des Treibers. Rechts neben dem Netzgerät die Oszillator/Treiberstufe, dahinter die Endstufe (Vollbrücke). Zuhinterst der noch etwas lausig aufgebaute Resonator.

Der Variac ist während dem Betrieb ziemlich überlastet. Die Spannung von 240V im Leerlauf bei maximal eingestelltem Abgriff sank auf ca. 200V zusammen während dem Betrieb der Brücke.

SSTC-3: Aufbau

Auf nebenstehendem Bild ist die komplette Ansteuerelektronik zu sehen. Die einzelnen Komponenten wurden weiter oben bereits beschrieben.

Die Treiberschaltung der SSTC-3

Provisorisch angeschlossene Endstufe mir den beiden GDT's. Die Speisung erfolgt noch halbgleichgerichtet mit nur einer Diode zwischen Variac und Brücke.

Vollbrücke der SSTC-3

Noch sehr provisorisch aufgebauter Resonator, bestehend aus einer Sekundärspule mit 5cm Durchmesser und ca. 1000 Windungen 0.15mm Draht und einer Primärspule mit momentan noch ca. 12 Windungen 1mm (?) Litze. Heissleim ist übrigens einer der wichtigsten Rohstoffe für den Elektroniker ;-)

SSTC-3: Resonator

Spule in Betrieb. Die Funkenlänge beträgt ca. 20 bis 25cm, je nach Laune des Geräts ;-)

Erste Funkenentladungen der SSTC-3

Nun wurde eine etwas dickere Sekundärspule (Durchmesser 7.5cm) eingebaut. Die Leistung ist dadurch nochmals erheblich gestiegen. Leider ist dann durch einen dummen Zwischenfall ein Primärspulenanschluss während dem Betrieb ans Kühlblech der Endstufe gekommen und PUFF! Zwei IRFP-460 mussten ihr Leben lassen :-(( Demnächst werd ich jedoch neue bestellen...

SSTC-3: 30cm Entladungen 

SSTC-3: Funken mit etwas Salz auf dem Topload

SSTC-3-Projekt vorzeitig beendet :-(

Nach einem erneuten "Crash" hat diese Spule nun vorläufig ausgedient. Um den Variac zu schonen, wurde die Spule direkt am 230V-Netz betrieben. Zunächst funktionierte alles einwandfrei, doch nach erneutem Einschalten gabs einen Knall und zwei der vier Mosfet's erlitten einen Durchschuss. Leider sind bei diesem Vorfall auch gleich einzelne Leiterbahnen des Endstufenprints verbrannt bzw. verdampft, was eine weitere Reparatur der Vollbrücke praktisch unmöglich macht.

... armer kleiner Mosfet ;-)

Was geschieht als nächstes mit der SSTC-3?

Das weiss ich selber momentan noch nicht so genau. Da die Endstufe nicht so einfach repariert werden kann, müsste ich diese komplett neu aufbauen. Dies kommt im Moment wohl eher nicht in Frage. Eine Idee wäre allerdings, den Doppeltreiber für ne kleine Twin-SSTC zu gebrauchen, also eine doppelte SSTC mit zwei Halbbrücken, bei welcher beide Primärspulen gegenphasig angesteuert werden und somit die Differenzspannung zwischen beiden Toploads doppelt so hoch wird. Dieses Projekt würde allerdings auch einigen Aufwand bedeuten und viel Zeit in Anspruch nehmen.

=>>> SSTCs: Warum MOSFET's sterben <<<=

Die neue Vollbrücke für die SSTC-3 ist da!

Nach langem Zögern hab ich die Arbeit nun doch noch in Angriff genommen und habe die Endstufe nochmals komplett neu aufgebaut. Diesmal spendierte ich der Schaltung eine grössere, übersichtlichere Leiterplatte mit abwechslungsweise durchgezogenen Leiterbahnen und Abständen. Dies soll Überschläge vermeiden.

Des weitern hab ich festgestellt, dass die Z-Dioden an den Gates der Mosfet's offenbar schlechteren Einfluss auf das Signal haben als diejenigen, welche in der Halbbrücke der SSTC-2 zum Einsatz kamen. Die Z-Dioden werden ersetzt, momentan arbeitet die Spule sogar ganz ohne Z-Dioden.

Und hier mal ein paar erste Bilder:

SSTC-Vollbrücke

Einige erste Sparks:

Weitere sparcs & arcs der SSTC-3

HOME     Zurück