TC
O názvosloví
Když už se v oblasti Teslových transformátorů pohybujete delší dobu, a chcete zapadnout mezi ty borce, pro které je pohyb v této oblasti životní filozofií a posláním, musíte prostě používat žargon a odborné zkratky, jinak byste prostě nezapadli. Vzhledem k tomu, že Tesla dozajista byl světový vynálezce, jsou i používané termíny světové, tedy jsou v angličtině - koneckonců v jazyce, ve kterém Tesla publikoval.
TC - Tesla Coil - Teslův transformátor. No je mi to nějaké divné. Z podstaty věci má transformátor minimálně dvě vinutí, tedy cívky. Skutečně i běžný Teslův transformátor má dvě cívky, primární a sekundární, ale v tomto názvu je použito jednotné číslo. Znamená to tedy, že tou Teslovou cívkou je pouze jedna z nich? A která to je? Primární nebo sekundární? A čí je ta druhá?
Ale nebuďme puntičkáři. Od této chvíle všechno, co má dvě cívky bez magnetického jádra a snaží se o zvyšování napětí budeme nazývat TC.
SGTC - Spark Gap Tesla Coil - tedy Teslův transformátor s jiskřištěm. Princip je celkem jednoduchý. Máme nějaký zdroj střídavého napětí, které je dostatečně vysoké na to, aby před dosažením jeho vrcholové hodnoty dokázala v jiskřišti přeskočit jiskra. Tímto napětím nabíjíme kondenzátor, ke kterému je přes jiskřiště připojeno primární vinutí Teslova transformátoru. Když napětí naroste dostatečně, chytne v jiskřišti oblouk, který spojí kondenzátor s cívkou a vytvoří tak rezonanční obvod, ve kterém se generují tlumené kmity na kmitočtu daném kapacitou kondenzátoru a indukčností primárního vinutí. Tyto kmity se přenesou do sekundárního vinutí, které tvoří laděný obvod společně s kapacitní "zátěží" na vrcholu - tento obvod se uzavírá okolním prostředím. Abyste dosáhli přeskoku jiskry v jiskřišti primárního obvodu, potřebujete dost vysoké napětí. Dnes se jako zdroj používá všechno možné, třeba alternátor poháněný parním strojem, ale Tesla téměř výhradně při svých pokusech používal trafo z mikrovlnky. Kondenzátor musí být fakt festovní - musí vydržet kilovolty napětí a zároveň dodat desítky, možná stovky ampér. Ti méně kreativní konstruktéři vyrábějí sériově-paralelní baterii z dostupných kondenzátorů, ale opravdoví TC machři si balí vlastní kondenzátory z alobalu a igelitových pytlů od umělých hnojiv, nebo použijí baterii PET lahví od minerálky naplněných slanou vodou a ponořených do vany rovněž plné slané vody. Dobře, tohle vyrábět nebudu.
RSGTC - Rotary Spark Gap Tesla Coil - tedy Teslův transformátor s rotačním jiskřištěm. Na rozdíl od předchozí konstrukce je zde použito rotační jiskřiště. Přeskok jiskry tedy určujeme přiblížením elektrod v jiskřišti. Jinak v podstatě platí totéž, jako u SGTC, včetně toho, že ani tohle vyrábět nebudu.
VTTC - Vacuum Tube Tesla Coil - tedy Teslův transformátor buzený elektronkou. Primární vinutí tohoto transformátoru je součástí elektronkového oscilátoru. Pro zavedení zpětné vazby je obvykle ještě doplněno jedno malé vinutí. Je účelné, aby oscilátor pracoval v pulzním režimu, abychom většinu energie nespálili v elektronce. Tohle jsem v určité fázi své TC geneze vyrábět začal. Na bastlící destičku jsem si zapojil krásnou lampu PL509. Ale když jsem si pro tento stroj vyrobil napájecí zdroj 600V/1A, tak jsem se toho zalekl a od dalších kroků na této cestě jsem upustil.
SSTC - Solid State Tesla Coil - tedy Teslův transformátor buzený polovodiči. Toto je velmi široký pojem, který obecně označuje všechna zapojení, která pro buzení primáru využívají polovodiče, dnes většinou MOSFET nebo IGBT. To nejklasičtější zapojení používá jeden výkonový tranzistor zapojený v oscilátoru podobně jako u VTTC.
HBSSTC - Half Bridge Solid State Tesla Coil - tedy Teslův transformátor buzený polovodičovým polomostem. Tady se jako zdroj kmitů používá nezávislý oscilátor. Z něj je buzen polomost, který napájí primární vinutí transformátoru. U tohoto zapojení není primární vinutí součástí primárního rezonančního obvodu. Oscilátor je tedy třeba naladit na rezonanční kmitočet sekundáru.
FBSSTC - Full Bridge Solid State Tesla Coil - tedy Teslův transformátor buzený polovodičovým mostem. Oproti předchozímu zapojení je použit plný most, tedy dvojnásobek výkonových součástek. Cvičně jsem si takový most z MOSFETů postavil. Budil jsem je z GDT (Gate Drive Transformer). Už při prvních pokusech jsem od toho upustil. Nedařilo se mi výkonové tranzistory dostatečně rychle a tvrdě otevírat. Rušení mi je zase zavíralo. Díky tomu to brutálně topilo. A postrádalo to jednoduchost.
DRSSTC - Dual Resonant Solid State Tesla Coil - tedy Teslův transformátor s dvojitou rezonancí. Může to být zapojení vycházející z HBSSTC nebo FBSSTC, které je doplněno o kondenzátor zapojený do série s primárním vinutím TC, který s tímto vinutím tvoří sériový rezonanční obvod. Ten musí být samozřejmě naladěn na stejný kmitočet, na jaký je naladěn sekundární rezonanční obvod a budící oscilátor. Prakticky se primární obvod ladí o několik procent níže než sekundární, protože při zapálení výboje rezonanční kmitočet sekundáru klesá. Ovšem název tohoto zapojení, no to je ale překvapení. Najednou tady tu rezonanci na primáru budeme zdůrazňovat? Tedy by se SGTC měl vlastně jmenovat DRSGTC a RSGTC by se měl jmenovat DRRSGTC, protože obě tato zapojení mají také laděný jak sekundární, tak i primární obvod TC.
Využití TC
Dalo by se říct, že TC je naprosto k ničemu. Prvotní Teslův záměr, využít toto zařízení k bezdrátovému přenosu energie, se ukázal zcela scestným. Drtivá většina nadšenců, kteří dnes staví TC, to dělá kvůli generování výbojů. Přitom výboj byl pro původní Teslův záměr nežádoucím jevem, protože došlo k lokálnímu spotřebování energie. Tesla se snažil tuto energii předat do prostoru a přenést do dálky.
Vývoj vztahu Kreténa k TC
Můj vztah k TC začíná mnohaletým obdobím popírání. V tomto období jsem zastával stanovisko, že TC vyrábět nebudu. Toto byla nejrozumnější fáze mého vztahu k TC. Potom ale nastal zvrat, když mě K16 upozornil, že se k nám z daleké ciziny dovážejí malé TC jako hračky a stavebnice. Některé z nich umožňují připojit zdroj audio signálu a oblouk potom hraje. Začal jsem na Internetu studovat články a videa o TC. Velká část z nich měla zhruba toto poselství: "Podívejte, jaký jsem vyrobil výboj, minutu před tím, než mi to celé shořelo!"
Přešel jsem do fáze, kdy jsem o výrobě TC začal uvažovat. Když už to ale vyrobím, tak bych si přál, aby to zařízení vydrželo fungovat déle než minutu. Zároveň by mělo být relativně malé a kompaktní. Pokud totiž vydrží funkční déle než minutu, mohlo by být funkční i roky a takto dlouhou dobu mi potom bude doma překážet. A také by mělo být relativně bezpečné. Pro splnění této podmínky vidím jako základ napájení TC malým napětím galvanicky odděleným od sítě.
Můj první pokus tedy byl
PCDRSSTC
neboli Pulse Charged Dual Resonant Solid State Tesla Coil
Lze ještě zvýšit jakost rezonančního obvodu oproti SGTC a budit takový obvod polovodiči z rozumného zdroje? Určitě ano. U SGTC je součástí primárního rezonančního obvodu oblouk, který má určitý odpor. Navíc tam budou nějaké vodiče mezi primární cívkou TC a jiskřištěm a kondenzátory. Tohle by šlo eliminovat. Vyrobil jsem primární cívku stočením dvou metrů měděné trubky do čtyř závitů. Konce vinutí jsem připojil pomocí mosazných šroubů na destičku cuprextitu, která měla plochu mědi přerušenou v polovině. Na tuto destičku jsem napájel svitkové kondenzátory. Kratší rezonanční obvod už snad vyrobit nejde. Jako zdroj jsem použil baterii osmi paralelně spojených kondenzátorů s celkovou kapacitou 2 mF. Napětí bylo zhruba 60 V. Výkonovým MOSFETem, ovládaným generátorem pulzů z UC3842 jsem do rezonančního obvodu pouštěl pulzy z baterie napájecích kondenzátorů. Během pulzu se kondenzátor v rezonančním obvodu nabil na napájecí napětí, zároveň primárním vinutím TC protékal dost velký proud. Po skončení pulzu se rezonanční obvod nádherně rozkmital, nebylo problém se dostat na několik stovek voltů. Prodleva mezi pulzy byla taková, aby tlumené kmity před dalším pulzem právě zanikly. Aby se mi záporná půlvlna tlumených kmitů neztratila na ochranné diodě MOSFETu, zapojil jsem do série ještě jednu diodu. Celé to bylo moc krásné, ale velmi rychle jsem začal narážet na limity. Bylo třeba najít správnou šířku budícího pulzu. Pokud byla moc krátká, přeneslo se málo energie. Pokud byla moc dlouhá, proud obvodem narostl natolik, že už začalo klesat napájecí napětí z baterie kondenzátorů, tedy maximální rozkmit tlumených kmitů byl dán nějakým kompromisem. Proudové špičky byly obrovské. Rozkmit napětí tlumených kmitů byl obrovský. Byl potřeba opravdu výkonný MOSFET. Další slabinou byla zmíněná dioda, která nepropouštěla zápornou půlvlnu tlumených kmitů k MOSFETu. Ta musela být velmi rychlá, aby se z obrovského proudu při otevřeném MOSFETu dokázala zotavit dříve, než na rezonančním obvodu vznikne záporná půlvlna. Zotavení trvalo tím déle, čím byl proud vyšší, bylo to tedy další kritérium pro omezení proudu. A také nebylo možné naladit rezonanční obvod na příliš vysoký kmitočet, aby záporná půlvlna nepřišla příliš brzy.
Zmíněné zapojení už z principu neumožňovalo CW (Continuous Waveform), která je nutná pro AM (audio modulation). Tedy jsem si udělal krásné cvičení na tlumené kmity a potom tento koncept opustil.
Finální řešení
Jak jsem se zmínil, tak jsem chvíli koketoval s myšlenkou FBDRSSTC, ale tu jsem také opustil. Chtěl jsem se vrátit k jednoduchosti, tedy k jedinému výkonovému prvku. A zároveň jsem bažil po vysoké účinnosti, abych tento výkonový prvek nemusel příliš chladit. Chci vyrábět (na rozdíl od Tesly) výboje, nikoli teplo. I když i ten výboj se asi většinou změní v teplo. Tedy chci vyrábět teplo prostřednictvím výbojů a nikoli na chladiči výkonového tranzistoru. Těmto kritériím odpovídá zapojení Class E (třída E), tedy SS (soft switching) zapojení, kdy jsou spínací ztráty minimalizovány tak, že tranzistor spíná v okamžiku, kdy je na něm nulové napětí.
Pokud máte TC buzený z oscilátoru naladěného pevně na rezonanční kmitočet sekundáru, všimnete si velmi brzy při různých pokusech, že výkon, tedy potažmo dálka výboje, se velmi mění. Když k výboji přiblížíte nějaký předmět (zářivku, ruku a podobně), změníte kapacitu a tím pádem rezonanční kmitočet sekundárního obvodu natolik, že přenos energie z primáru do sekundáru výrazně poklesne. Můžete samozřejmě naladit budící oscilátor na trochu nižší kmitočet, potom naopak přiblížením předmětu výboj zvětšíte.
Po chvíli vás to ale začne nudit. Budete chtít, aby se budící kmitočet sám přizpůsoboval změnám v naladění sekundáru. Zároveň je ale dobré mít možnost budící oscilátor rozlaďovat. Je to totiž velmi efektivní způsob, jak měnit výkon předávaný do výboje a tím vytvářet různé efekty. Pokud použijeme VCO (Voltage Controlled Oscillator), který ovládáme audio signálem, bude nám náš TC hrát. Můžeme se samozřejmě uchýlit i k prostému přerušování budícího signálu pomocí - jak my TC odborníci říkáme - interrupteru a samozřejmě mít možnost přepínat mezi IM (Interrupted Mode) a CW (Continuous Waveform). Pokud tedy použijeme VCO, k jeho automatickému dolaďování na rezonanční kmitočet sekundáru použijeme PLL (Phase-locked Loop), neboli fázový závěs.
Co jsem to tedy vlastně vyrobil?
Interrupted Mode and Audio Modulated Continuous Waveform Phase-locked Loop Voltage Controlled Oscillator Driven Class E Soft Switching Solid State Tesla Coil
tedy pro borce z branže prostě
IMAMCWPLLVCODCESSSSTC
Popis konstrukce
Celé zařízení je kompaktní. Základem je dřevěná bedna o vnějších rozměrech 270x270x150 mm, její dno je vyrobeno z pozinkovaného plechu tloušťky 1,5 mm.
Primární cívku TC tvoří měděná trubka o průměru 8 mm a délce 2 m stočená do 4 závitů, což činí vinutí o průměru zhruba 160 mm. Jednotlivé závity jsou od sebe vzdáleny také zhruba 8 mm.
Sekundární cívku TC tvoří 1720 závitů smaltovaného drátu o průměru 0,25 mm navinutých na plastovou odpadní rouru o průměru 75 mm. Do obou konců roury jsou zalepeny dřevěné disky se středovým šroubem. Spodní slouží k přichycení cívky k dřevěné bedně, na horní je našroubován distanční špalík ze silonu a na něm je přichycen hliníkový toroid, který tvoří kapacitní zátěž. Zemnící vodič cívky je připojen na plechové dno bedny přístroje.
Rezonanční kmitočet sekundárního obvodu je zhruba 300 kHz.
Řídící obvod
Řídící obvod je na jedné desce plošného spoje. Rušení v okolí TC je značné. Aby řídící obvod správně pracoval, musí být uzavřen v plechové krabičce.
Obvod je napájen samostatným 12 V vinutím z napájecího transformátoru. Na desce je usměrňovač a filtrační kondenzátor, usměrněné napětí je přímo použito pro napájení obvodu MCP1407 - driveru výkonového tranzistoru. Zbytek obvodu je napájen stabilizovaným napětím 5 V.
K realizaci oscilátoru a fázového závěsu je použit klasický starý dobrý obvod 74HC4046. Zdvih VCO je pevně nastaven, zatímco offset oscilátoru lze měnit potenciometrem. Sériovým a paralelním odporem v obvodu potenciometru jsou nastaveny meze kmitočtového rozsahu.
Na analogový vstup komparátorů je přiveden signál ze sondy umístěné na zemnícím vodiči sekundárního vinutí TC přes jednoduché ochranné obvody. Sonda je tvořena zhruba 20 závity smaltovaného drátu navinutého na feritovém toroidu. Počet závitů jsem určil zkusmo, aby na sondě byl rozkmit napětí několik desítek voltů. Doporučuji nechat TC delší dobu běžet a sledovat, jestli se toroid nadměrně nezahřívá (pokud by byl příliš malý, mohl by být přesycen). Sondu připojujeme v takové polaritě, aby její signál byl ve fázi s výstupem VCO. Bude trochu opožděn, viz níže.
Na digitální vstup komparátorů je zaveden výstupní signál z VCO přes jednoduchý zpožďovací obvod tvořený integračním článkem a operačním zesilovačem (polovinou obvodu LM393). Signál získaný ze sondy na zemnícím vodiči je totiž v rezonanci a tedy při maximálním výkonu opožděn oproti budícímu signálu, v mém případě o zhruba 400 ns. Zapojení využívá komparátor 2, který se snaží udržovat nulový fázový posuv. Je tedy třeba se stejně velkým zpožděním, s jakým na analogový vstup přichází signál ze sekundáru TC, zavést signál i na druhý vstup komparátoru. Tento obvod má zpoždění nastavitelné trimrem. Stačí jej nastavit při oživování, potom již není třeba měnit.
Ve schématu je vstup VCO připojen na jezdec potenciometru, jehož jeden konec je připojen na polovinu napájecího napětí a druhý konec na výstup komparátoru. Lze jím plynule nastavit velikost zpětné vazby z fázového závěsu. Já jsem ale nakonec tento potenciometr nahradil přepínačem. Buď je tedy kmitočet nastavován ručně, nebo se nastavuje automaticky. Zároveň je do tohoto obvodu připojen vstup audio signálu.
Jako přerušovač je použit rovněž klasický obvod 555. Ten má nastavitelný kmitočet v rozmezí zhruba 1 Hz až několik kHz. K nastavení střídy signálu přerušovače je použit operační zesilovač (druhá polovina LM393). Na jeden ze vstupů je přiveden trojúhelníkový signál z 555, jehož úroveň se pohybuje v rozmezí 1/3 - 2/3 napájecího napětí, na druhý vstup je přivedeno napětí z potenciometru. Toto napětí je možné měnit ve větším rozsahu než zmíněné 1/3 - 2/3, lze tak střídu měnit s rezervou na koncích dráhy potenciometru v rozmezí 0-100% a tím výstupní signál pro buzení TC úplně vypnout nebo naopak trvale zapnout. Výstupem operačního zesilovače je otevřený kolektor, který přizemňuje signál vedený z VCO do budiče MOSFETu MCP1407.
Napájení
Napájecí zdroj výkonové části je napájen z vinutí 28V/8A. Za 8 A diodovým můstkem následuje baterie kondenzátorů, co dům dal, tedy konkrétně 16 ks 470uF/200V. První 4 kusy jsou zapojeny do dvou paralelních dvojic spojených do série, ostatní jsou paralelně. Pomocí relé ovládaného jednoduchým spínačem lze přepínat mezi dvoucestným usměrněním a zdvojovačem napětí. Při dvoucestném usměrnění je zdroj tvrdý, dodává zhruba 30 V bez ohledu na odběr proudu. Při zapojení jako zdvojovač napětí jsou oba vstupy diodového můstku spojeny paralelně a diody pracují do dvojice kapacit 940 uF (2x2x470uF). Zdroj v tomto zapojení dodává při trvalém zatížení proud zhruba 5 A při dvojnásobném odběru, tedy zhruba 10 A, ale je měkký. Pokud jej odlehčíme - použijeme přerušovač - napětí na zdroji vzroste až na 60 V. Přerušované výboje se tak výrazně prodlouží a jsou hlasitější. Tento režim není tedy určen pro CW, neboť trafo by bylo přetíženo.
Výkonová část
Koncový stupeň jsem nabastlil na destičce cuprextitu, do které jsem dělící čáry vyřezal plátkem pilky. Použil jsem dva výkonové MOSFETy paralelně, abych snížil odpor v sepnutém stavu. Hodnotu kondenzátoru pro režim ve třídě E jsem určil pokusně. Vzhledem k tomu, že se kmitočet mění, není nutné volit kapacitu příliš přesně, je třeba pouze srazit ztráty na přijatelnou úroveň. Pokud napětí před sepnutím neklesne na nulu, bude spínat tranzistor při napětí a ztráty vzniknou na něm. Pokud by napětí kleslo pod nulu, otevře se ochranná dioda a ztráty vzniknou na ní. Vyberte si. Kondenzátor musí být festovní. Použil jsem nějaký starý ruský svitkový kondenzátor na 1000 V. Těsně u koncového stupně je paralelně k napájecím vodičům připojena baterie svitkových kondenzátorů, 6 x 330nF/400V. Je opravdu třeba použít více kondenzátorů s nižší kapacitou zapojených paralelně. Jediný kondenzátor s velkou kapacitou by se přehříval.
Koncový stupeň i můstkový usměrňovač napájecího stroje jsem umístil na protilehlé konce relativně velkého chladiče. Při delší době provozu se teplota na můstku ustálí okolo 65 °C a teplota na tranzistorech okolo 45 °C.
Jak to funguje?
Děkuji za optání, docela dobře :-) V CW módu je proudový odběr z tvrdého zdroje zhruba 7 A, tedy by výkon dodaný do výboje mohl být kolem 200 W. Výboj je jasný, košatý, několik centimetrů dlouhý. V IM lze při přepnutí zdroje do zdvojovače napětí volbou vhodné střídy interrupteru dosáhnout délky výbojů kolem 10 cm, vytvářejí se dlouhé větvící se výboje.
Návod k použití
Vážený uživateli. Dostává se Vám do rukou přístroj, který není k ničemu dobrý. Jako takový může pouze způsobit škody a potíže. Proto byste jej vůbec neměl používat. Pokud i přes toto varování hodláte s přístrojem pracovat, věnujte prosím pozornost následujícím pokynům.
Přístroj je schopen do okolí vyzářit až 200 W energie ve formě elektrických výbojů a vysokofrekvenčního elektromagnetického pole. Pokud se v blízkosti přístroje nacházejí kovové předměty, měly by tyto být uzemněny a spojeny se zemnící zdířkou umístěnou na zadní straně přístroje vedle napájecího konektoru. Při hoření elektrického výboje vzniká nebezpečné ultrafialové záření a vytvářejí se jedovaté plyny jako ozón a oxidy dusíku. Přístroj nikdy nenechávejte zapnutý bez dozoru.
Provoz v CW (Continuous Waveform) módu
Přepínač režimu napájecího zdroje přepneme do horní polohy (0) - dvoucestné usměrnění. Přepínač režimu AFC (Automatic Frequency Control) přepneme doprava (AFC vypnuto). Potenciometr pro nastavení kmitočtu oscilátoru vytočíme do levé krajní polohy. Potenciometr pro nastavení střídy přerušovače otočíme do pravé krajní polohy. Potenciometr pro nastavení periody přerušovače nastavíme kam je nám libo.
Přístroj zapneme vypínačem. Tak. Před chvílí jsem se posmíval Angličanům kvůli jejich Teslově cívce a teď se mi to vrátilo. Proč nemáme v češtině pro zapnutí přístroje zapínač? No tak sakra, na co všichni ty jazykovědci máme? Nimraj se v kravinách a chudák Kretén, který dlouhé měsíce vyráběl svůj skvělý přístroj, jej teď musí potupně zapnout vypínačem!
Rozsvítí se červená kontrolka a ampérmetr začne ukazovat nějaký malý proud. Otáčíme potenciometrem pro nastavení kmitočtu oscilátoru až dosáhneme maximální výchylky na ampérmetru. Při tomto nastavení bude i výboj největší.
AFC
Pokud při vypnutém AFC přibližujeme k výboji nějaký předmět, dochází k rozlaďování obvodu, tím klesá přenos energie a výboj se zmenšuje. Zapnutím AFC se oscilátor automaticky dolaďuje na rezonanční kmitočet, k poklesu výkonu tak nedochází.
Provoz s přerušovačem
Při provozu v IM (Interrupted Mode) není vhodné zapínat AFC. Pokud přístroj provozujeme v CW módu a otočíme potenciometrem pro nastavení střídy přerušovače doleva, začne přerušovač pracovat. Výsledkem je přerušovaný výboj doprovázený zvukem. V tomto režimu při menší střídě můžeme délku a hlasitost výboje zvětšit přepnutím zdroje do režimu zdvojovače napětí.
AM (audio modulation)
V CW režimu s vypnutým AFC naladíme oscilátor lehce pod rezonanční kmitočet. Ampérmetr by měl ukazovat zhruba 4 A, oblouk by měl mít délku zhruba 2 cm. Do audio vstupu připojíme zdroj zvuku s nízkou výstupní impedancí (např. výstup pro sluchátka mobilního telefonu). Oblouk bude hrát. Změnou nastavení oscilátoru můžeme kvalitu zvuku doladit.
Po ukončení činnosti VYPNEME přístroj VY-PÍ-NA-ČEM. Při delším nepoužívání vytáhneme jeho napájecí kabel ze zásuvky.
P15/1, K15 - prosinec 2006, naposledy aktualizováno: leden 2024