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SSTC-4: HF-SSTC mit 4 MHz
In letzter Zeit konzentriere ich mich stärker auf den Bau von elektronischen Teslaspulen, also SSTC's und VTTC's. Es war schon seit geraumer Zeit mein Wunsch, eine hochfrequente SSTC aufzubauen, also eine SSTC im Megahertz-Bereich. Dies ist aus vielerlei Gründen nicht ganz einfach. Mosfet's haben meist eine relativ hohe Eingangskapazität (Gate-Source) und ebenso eine gewisse Ausgangskapazität (Drain-Source). Die Eingangskapazität bewirkt eine verschlechterung der Anstiegsflanken, was hohe Schaltverluste im Mosfet umsetzt. Dadurch kann dieser zerstört werden. Die Ausgangskapazität stellt ebenfalls ein Problem dar. Jedesmal, wenn der Fet durchgesteuert wird, entlädt sich die in der Ausgangskapazität gespeicherte Energie durch die Drain-Source-Strecke. Dies passiert bei 4MHz 2 Millionen mal in der Sekunde!
Um diese Probleme zu lösen, wurde die Schaltung in sogenannter Klasse E aufgebaut. Das Grundprinzip der Klasse E Verstärkung besteht darin, dass jede Verstärkerstufe mit Hilfe eines Schwingkreises auf die Resonanzfrequenz der SSTC eingestellt wird. Dies bringt den Vorteil, dass immer im Spannungsnulldurchgang und Stromnulldurchgang geschalten wird, was die Verluste in der Endstufe minimiert.
Natürlich habe ich weder die Schaltung noch das Schaltungskonzept der Klasse E selber entwickelt. Die Schaltung wurde von Richie Burnett's Homepage http://www.richieburnett.co.uk/hfsstc.html übernommen und soweit angepasst, dass sie mit meinen Mitteln gebaut werden konnte. Das Schema entspricht weitgehend dem von Richie Burnett, einige kleinere Anpassungen waren für mich jedoch nötig. Ein Link zu meinem Schema findet sich etwas weiter unten.
Nebenstehend der Aufbau der Schaltung. Der Quarz erzeugt zusammen mit dem 7400 ein Rechteck-Signal mit 4.096 MHz Frequenz. Dieses wird von einem Schmitttrigger 4093 aufgebessert und gelangt zur ersten bipolaren Gegentaktstufe, bestehend aus einem BC547 und einem BC557. Es folgt eine zwiete bipolare Gegentaktstufe mit BD135 / BD138, um dann über einen kleinen GDT den IRF520 (1. Class-E-Verstärkerstufe) zu speisen. Über einen zweiten GDT wird das Signal schliesslich zur Endstufe (IRFP-460 auf schwarzem Kühlkörper) gekoppelt. Die drei grossen roten FKP-1-Kondensatoren dienen als Koppelkondensator zwischen Endstufe und Primärspule. Es sind 3 Stück impulsfeste 330nF/1600VDC WIMA FKP-1 Kondensatoren in Serie. Die Schaltung benötigt zwei Speisungen: 15V für Oszillator und Vorverstärkerteil, 0 bis ca. 150V für die Endstufe.
Bild: SSTC-4: Provisorischer Aufbau
Nachfolgend das Schema mit Bauteileangaben:
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bitte auf das Schema klicken oder besser zuerst mit Rechtsklick speichern
Das Schema zeichnete mir freundlicherweise jemand mit dem Programm SPlan. Der Urheber möchte jedoch nicht genannt werden. Leider kann ich absolut keine Garantie für die Richtigkeit der Schaltung geben, insbesondere darum, weil ich den Digitalteil (Oszillator und Schmitt-Trigger) nicht mehr gefunden habe in meinen Unterlagen und daher aus der Schaltung nochmals herleitete. Kritisch sind alle Schwingkreiselemente. Diese müssen möglichst exakt auf die Quarzfrequenz abgestimmt werden. Es sind dies im speziellen: Cx mit L1, Cy mit L2, Sekundärspule mit Topload. Man beachte bitte auch: Die Schaltung sieht auf dem Schema sehr einfach aus. Von der Anzahl der verwendeten Bauteile her gesehen ist sie das auch. Es ist jedoch bei einem solchen Projekt meist so, dass dieses nicht ohne Anpassungen einfach 1:1 nachgebaut werden kann, da bereits kleine Bauteiltoleranzen oder andere Layout-Eigenschaften entsprechende Anpassungen erfordern.
Und hier nochmals Bilder der laufenden Spule:
Entladungen: Heisse HF-Plasma-Flamme der SSTC-4, links mit Salz auf dem Topload, rechts die komplette Spule
Die HF-Flamme verhält sich anders als alle Hochspannungsentladungen, die ich bis jetzt erlebt habe. Bei richtiger Abstimmung ist sie ruhig und büschelig, manchmal rauscht und flackert sie jedoch ähnlich wie eine Kerzenflamme. Der helle Schein unterhalb der Flamme stammt von der Gelbglut der Schraube. Diese wird durch die Hitze der Plasmaflamme in kürzester Zeit extrem heiss, sodass Teile davon schmelzen oder gar wegspritzen. Die Kamera war mit der extremen Helligkeit etwas überfordert.
Für diejenigen Leser, die sich selber gerne eine solche Spule bauen möchten, folgen hier noch die wichtigsten Oszillogramme als grobe Anhaltspunkte zum Vergleich. Für eine grössere Ansicht bitte auf das jeweilige Bild klicken.
4MHz Oszillatorsignal 2V/50ns Signal nach Schmitttrigger 4093 5V/50ns Signal nach erster Bipolarstufe 5V/50ns
Signal nach zweiter Bipolarstufe 5V50ns Signal am Gate des IRF520 5V/50ns Signal nach IRF520 20V/50ns
Signal am Gate der Endstufe IRFP460 2V/50ns
Zu einem späteren Zeitpunkt wurde die Spule um einen zweiten, gegenphasig arbeitenden Signalpfad erweitert um die Leistung zu verdoppeln. Dies brachte allerdings nicht die gewünschten Resultate. Zwar betrug die aufgenommene Leistung tatsächlich etwa das doppelte (150V @6A), aber das Ergebnis hielt sich leider eher in Grenzen. Von diesem Aufbau habe ich nicht mehr viele Bilder, auch von den zugehörigen Entladungen nicht. Um dennoch eine Vorstellung zu erhalten, nachfolgend zwei Bilder, eines vom ziemlich unübersichtlichen Aufbau und eines der HF-Flamme.
=>>> SSTCs: Warum MOSFET's sterben <<<=