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Solid State Tesla Coil (SSTC) - CTRL


1.1 Vorwort

Die Intention des Projekts "SSTC-CTRL" ist die Erschaffung einer flexiblen Ansteuerung für Solid State Teslaspulen (SSTC's --> Solid State Tesla Coils).

Projektziele:

  • Betriebsmodi:
  • starrer, ungeregelter Ansteuerung
  • Ist gekennzeichnet durch eine feste Frequenz des Ansteuersignals.
  • Diese wird so abgestimmt, dass sie der erwarteten Resonanzfrequenz des Resonators entspricht.
  • Die Frequenz soll hinreichend genau einstellbar sein.
  • geregelte Ansteuerung
  • Ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die Frequenz des Ansteuersignals
    (in gewissen Grenzen) der aktuellen Frequenz des Resonators anpasst, also selbstresonant ist.
  • Dies sei als SRSSTC (Self Resonant Solid State Tesla Coil) bezeichnet.
  • Die Bedienung der Ansteuerung soll mittels PC und graphischen Userinterface erfolgen.
  • Der PC soll vollkommen galvanisch getrennt vom Treiber sein.
  • Die Art der Erregung soll wählbar sein:
  • kontinuierlich
  • geburstet (zeitweise "ein" bzw. "aus")
  • Frequenz und Duty sollen einstellbar sein.
  • Auto-Tuning (im selbstresonanten Betriebsmodus) soll möglich sein.
  • Die Messung der Resonanzfrequenz im selbstresonanten Betriebsmodus soll möglich sein.
  • Hardy Scheidig
    ( 2007)

    1.2 Historie

    Version Datum Bemerkung
      1.0   09/2007   1. Version
      1.1   31.05.2009   geringfügige Änderungen
         







    1.3 Urheberrechtsbestimmung

    Der Inhalt dieses Werkes mit allen Texten und Abbildungen ist, soweit nicht anders gekennzeichnet, das geistige Eigentum von Hardy Scheidig.
    Es unterliegt den deutschen und internationalen Urheberrechtsbestimmung.
    Alle Rechte vorbehalten.

    2 Architektur

    Die folgende Darstellung illustriert den prinzipiellen Aufbau.

    Bild: prinzipiellen Aufbau der SSTC
    Abbildung 1: prinzipiellen Aufbau der SSTC

    Auf einem PC läuft die "SstcCtrl Applikation".
    Dies ist ein graphisches User-Interface, mit welchem die gewünschten Einstellungen getätigt werden können und der Betrieb kontrolliert wird.
    Details --> Graphisches User Interface.

    Die Kommunikation zwischen dem User -Interface und dem eigentlichen Controller erfolgt über einen seriellen Link, welcher via Funkübertragung hergestellt wird. Auf der Seite des PC ist dazu ein Funkmodul "RS232-Air Interface" via USB angeschlossen. Dieses Vorgehen schafft galvanische Trennung und damit maximale Sicherheit vor evtl. Spannungsüberschlägen.

    Der "Controller" ist eine Mikrokontrollerschaltung, welche ebenfalls über ein Funkinterface verfügt. Der Controller ist für die eigentliche Generierung, Formung und Anpassung des Signals verantwortlich. Es werden Rechtecksignale erzeugt.
    Details --> Controller.

    Das Signal des Controllers wird einer Treiberstufe "Driver" zugeführt. Es erfolgt eine weitere galvanische Trennung (Controller <--> Driver) sowie eine Auftrennung in zwei ebenfalls galvanisch getrennte Signalpfade, ein Pfad für den unteren Transistor der Endstufe und ein Pfad für den oberen Transistor der Endstufe .
    Details --> Driver.

    Der "Power Amplifier" (Endstufe) ist eine Halbbrückenschaltung mit Power Mosfets (im Ausführungsbeispiel), oder aber auch IGBT's. Das Ausgangssignal des Power Amplifiers treibt schließlich den Resonator also die Teslaspule.
    Details --> Power Amplifier.

    Aufgrund der galvanischen Trennung sind auch galvanisch getrennte Betriebsspannungen erforderlich. Diese werden vom "Isolated Power Supply" block zur Verfügung gestellt.
    Details--> Isolated Power Supply.

    "Main Power Supply" ist für die Bereitstellung der Betriebsspannung der Leistungsendstufe verantwortlich.

    3 Funktion

    3.1 Wirkprinzipien

    3.1.1 Starrer Betriebsmodus

    3.1.1.1 Überblick

    Diese Betriebsmodus entspricht der "herkömmlichen" Ansteuerung der Teslaspule.
    Der große Nachteil dieser Ansteuerung ist die starke Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von den räumlichen Gegebenheiten.

  • Man muss die aktuelle Frequenz kennen und dann am Signalgenerator einstellen.
  • Diese Problematik kann (zumindest statisch) auch im starren Betriebsmode
    mittels Auto-Tuning Mechanismus gelöst werden.
    Siehe auch --> Plot / Auto-Tuning
  • Die Resonanzfrequenz ist jedoch sehr instabil.
  • Geringe Veränderungender der kapazitiven Verhältnisse in der Umgebung führen bereits dazu,
    dass die Spule außer Resonanz gerät.
  • Dies führt nicht nur zum Zusammenbrechen der Hochspannung, sondern auch dazu, dass die Endstufe ggf. überlastet wird.
    (Ungünstige Änderung der Eingangsimpedanz --> Siehe Abhandlung Resonatoranalyse
  • Die Benutzung der Hochspannung für weitergehende Experimente ist stark eingeschränkt.
  • Dieses Problem wird durch den Selbstresonanter Betriebsmodus gelöst.

  • 3.1.1.2 Funktionsprinzip

  • Ein Signalgenerator (Controller-DDS-Modul) erzeugt ein Signal einstellbarer Frequenz.
  • Ein Auto-Tuning Mechanismus hilft bei der Suche nach der Eigenfrequenz der Teslaspule.
  • Diese Signal wird einer Pulsformung zugeführt.
  • einstellbarer Duty Cycle.
  • einprogrammierte Todzeit (beide Transistore der Endstufe sind ausgeschaltet)
  • Ein weiterer Generator (Burst Generator) erzeugt ebenfalls eine Signal,
    jedoch ein NF-Signal, mit einstellbarer Frequenz und einstellbaren Duty Cycle.
  • Die beiden Signale werden miteinander multipliziert.
  • Das so entstandene Signal wird verstärkt (Driver und Endstufe) und kann dann an den Resonator ausgegeben werden.

  • 3.1.2 Selbstresonanter Betriebsmodus (SRSSTC)

    3.1.2.1 Überblick

    Dieser Betriebsmodus entspricht in seiner Beschaffenheit einem selbständigen Oszillator.
    Ein Teil der Energie (Spannung) des Resonators (der Teslaspule) wird rückgekoppelt und in verstärkter Form wieder dem Resonator zugeführt. Für das Oszillieren müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:

  • Rinverstärkungsbedingung (Kopplungsbedingung)
  • Das Produkt aus Abschwächung Rückkopplungsnetzwerk und Verstärkung des Verstärkers (Ringverstärkung) muß >= 1 sein.
  • Phasenbedingung
  • Die Rückkopplung muss phasenrichtig also konstruktiv erfolgen.
  • Trotz das sich diese Bedingung sozusagen "von selbst" erfüllt,
    stellt sie den Knackpunkt für den selbstresonanten Betriebsmodus dar.

  • 3.1.2.2 Knackpunkt Phasenbedingung

    Ohne es hier genauer herzuleiten gilt folgendes Postulat:
    Wenn ein selbstresonanter Teslaspulen - Oszillator schwingt, was gleichermaßen bedeutet, dass die Ringverstärkungsbedingung erfüllt ist, dann schwingt der Oszillator genau mit der Frequenz, für welche die Summe der Phasendrehungen bestehend aus Formel: df (Phasendrehung der Teslaspule) und Formel: df (Phasendrehung Teslaspulen Treibers) gleich 0° ist (oder ein ganzzahliges Vielfaches von 360 ° ist).

  • (Formel: dftc + Formel: dfdriver modulo 360 = 0

  • Bild: SRSSTC-Princip
    Abbildung 2: SRSSTC-Princip

    Konsequenzen des Postulates:

  • Der frequenzmäßige Arbeitspunkt der Teslaspule stellt sich so ein, dass Formel: dftc den Formel: dfdriver zu 0° kompensiert.
  • Da ein Teslaspulen-Resonator bei seiner Eigenfrequenz (welche die Frequenz bezeichnen soll,
    für welche die maximale Spannungsüberhöhung erreicht wird) eine Phasendrehung von
    Formel: dftc ≈ -90° erzeugt, muss Formel: dfdriver ≈ 90° (+ n*360°) Phasendrehung erzeugen.
  • Ist Formel: dfdriver ≠ 90° (+ n*360°) ,so wird der Oszillator auf einer Frequenz schwingen,
    welche nicht der optimalen Eigenfrequenz der Teslaspule entspricht.
  • Die sich einstellende Frequenz ist dann so, dass die Teslaspule eine Phasedrehung erzeugt,
    für welche wiederum (Formel: dftc + Formel: dfdriver modulo 360 = 0 ist.
    Bei der sich einstellenden Frequenz ist die Spannungsüberhöhung allerdings ggf. deutlich geringer.
    Mit den weiteren Konsequenzen:
  • verändert man Formel: dfdriver noch mehr in die falsche Richtung, dann bricht die Schwingung bald vollständig ab,
    denn mit der immer geringeren Spannungsüberhöhung wird die Rückkopplungsdämpfung immer größer und
    die Ringverstärkungsbedingung ist nicht mehr erfüllt.
  • Der frequenzmäßig falsche Arbeitspunkt kann zu einer deutlich niedrigen Eingansimpedanz der Primärseite
    der Teslaspule führen.
    Die Verlustleistung an der Endstufe steigt an und zerstört die Transistoren. (Das ist ein häufiges Problem)

  • Folgende Darstellung zeigt an Hand eines Beispiels die Phasendrehung Formel: dftc (als angle(U2Ug) bezeichnet) in Abhängigkeit von der Frequenz.

    Bild: Phasendrehung in Abhängigkeit von der Frequenz
    Abbildung 3: Phasendrehung in Abhängigkeit von der Frequenz

    Folgende Darstellung zeigt an Hand eines Beispiels, wie sich die Spannungsüberhöhung in Abhängigkeit von Formel: dftc (als "fi_feedback" bezeichnet) reduziert.

    Bild:  Spannungsüberhöhung
    Abbildung 4: Spannungsüberhöhung

    3.1.2.3 Funktionsprinzip

    Abgeleitet von den theoretischen Erkenntnissen ist folgendes Funktionsprinzip entstanden.

  • Die gesamte Konstruktion inklusive Resonator (Teslaspule) bildet einen selbstschwingenden Oszillator.
  • Ein Sensor (z.B. ein Stück Draht) wird in hinreichender Nähe (und hinreichender Entfernung, z.B. 2m Abstand) platziert.
    Dieser Sensor stellt eine kapazitive Rückkopplung dar.
  • Im übrigen ist auch eine induktive Kopplung am Fußpunkt der Teslaspule denkbar.
  • Das empfangene Signal wird dem Verstärker (Controller – Input Amplifier) zugeführt und dort soweit verstärkt,
    dass durch die Begrenzung ein Rechtecksignal entsteht.
  • Wichtig ist es, darauf zu achten, dass das Rechtecksignal symmetrisch wird.
  • Dies Rechtecksignal wird einem einstellbaren Delay-Block (Controller –CPLD) verzögert.
  • Dies entspricht einer (wenn auch frequenzabhängigen ) Phasendrehung.
  • Es ist also möglich, die optimale Phasendrehung einzustellen.
  • Da die notwendige Phasendrehung nicht nur von der Teslaspule, sondern auch von zusätzlichen Phasenverschiebungen
    (Sensorkopplung, Verstärker…) abhängt, ist es schwierig,
    die richtige Phase und somit das richtige Delay vorherzusagen.
  • Um dieses Problem zu lösen, wird ein Auto-Tuning Mechanismus verwendet.
    Siehe auch --> Plot / Auto-Tuning
  • Dieses verzögerte Signal wird einer Pulsformung zugeführt.
  • einstellbarer Duty Cycle.
  • einprogrammierte Todzeit (beide Transistore der Endstufe sind ausgeschaltet)
  • Ein weiterer Generator (Burst Generator) erzeugt ebenfalls eine Signal, jedoch ein NF-Signal,
    mit einstellbarer Frequenz und einstellbaren Duty Cycle.
  • Die beiden Signale werden miteinander multipliziert.
  • Das so entstandene Signal wird verstärkt (Driver und Endstufe) und kann dann an den Resonator ausgegeben werden.
  • Da die Konstruktion nicht von allein zu schwingen anfängt, wird ein Startpuls bzw. ein Pulssequenz benötigt.
  • Dieser Puls wird im Controller erzeugt und vorübergehend auf den Signalpfad geschaltet.
  • Danach schaltet der Controller wieder auf den "normalen" Signalpfad zurück, so dass der Kreis wieder geschlossen ist.
  • Ist der Oszillator eingeschwungen, bleibt er (in erster Näherung) auch bei Veränderung der Resonanzfrequenz der Teslaspule
    im optimalen Arbeitspunkt (maximale Spannungsüberhöhung).
  • Da die durch das Delay erzeugt Phasendrehung frequenzabhängig ist,
    darf der Resonator natürlich nicht unbegrenzt verstimmt werden.
  • Nimmt man eine maximale Verstimmung von +-5% an, so wäre die Phase wie folgt:
  • Annahme: Formel: dfdriver = 90° (ohne Verstimmung)
  • dann ergibt sich für die 5% Verstimmung Formel: dfdriver = 90°+-4.5°.
  • Entsprechend Abbildung 4 ist für diese Phasenänderung noch keine wesentliche
    Einbuße der Spannungsüberhöhung zu verzeichnen.
  • Bemerkung:
    Der starre Betriebsmodus würde bei einer 5% Verstimmung schon lange nicht mehr funktionieren.
    Durch eine Rückkopplung mittels PLL könnte man ebenfalls die gewünschte Nachregelung erzielen. Allerdings bleibt auch bei der PLL, das Problem der unbekannten zusätzlichen Phasendrehung (Sensorkopplung, Verstärker…) ungelöst. Die PLL allein kann nur eine feste Phasenbeziehung zwischen zwei Signalen aufrecht erhalten. Die grundsätzliche Einhaltung der Phasenbedingung ist jedoch nicht automatisch gegeben.

    3.2 Graphisches User Interface

    Die folgende Abbildung zeigt die GUI im Betriebsmodus "selbstresonant CW" nach erfolgtem Auto Tuning ("Cmd Tune"). Zusätzlich ist CW-info ("Cmd CW Info") aktiv. Frequenz und Level werden gemessen.

  • Kommando "Cmd CW" ist aktiv
  • DDS ist nicht aktiv

  • Die Pulse Width ist auf Maximum eingestellt. Dies heißt nicht, dass die gewählte Pulsdauer erzwungen wird, denn dann wäre die angezeigte Frequenz nicht erreichbar. Es gilt:

  • wenn 2/Frequenz < Puls Width, dann wird die tatsächliche Puls Width auf
    (1 / (2*Frequenz))-Cdeath_time eingestellt.
  • Cdeath_time entspricht der Zeit, während welcher weder der obere noch der untere Transistor
    der Endstufe eingeschaltet ist (abhängig vom Transistor-Typ). z.B. 150ns.

  • Bild:  SSTC GUI
    Abbildung 5: SSTC GUI

    COM-Port:

  • Auswahl des COM-Ports für die Verbindung zum Air-Interface.
  • Bei Auswahl eines neuen Ports, wird automatisch ein Verbindungstest durchgeführt.
    Man kann auch händisch mittels "COM Test" den Verbindungsstatus testen.
  • Ist die Verbindung nicht möglich wird dies durch Rotfärbung des "COM Test" Button signalisiert.

  • Save / Load:

  • Es ist möglich, ein Set von Einstellungen zu speichern bez. zu laden.
    Damit ist die Reproduzierbarkeit bestimmter Szenarien möglich.

  • Einstellungen Burst Mode:

  • Burst Frequenz (Unterbrechungsfrequenz)
  • Range: 0.3 … 1000 Hz
  • Burst Duty ("ON-Time" des Bursts)
  • Burst Frequenz (Unterbrechungsfrequenz)
  • 0.02 … 0.8
  • Anzeige Burst Duty in ms
  • Zur Einschätzung, ob die gewählte "ON-Time" noch Sinn macht,
    denn jede Teslaspule benötigt eine von der Bandbreite des Resonators abhängige Einschwingzeit.
  • Die Einstellungen sind nur möglich
  • im inaktiven Zustand (kein Kommando ausgeführt)
  • oder im aktiven Burtsbetrieb ("Cmd Burst" ist aktiviert)
  • Durch den Burst-Mode und dessen genaue Einstellbarkeit ist es auch möglich DRSSTC (Dual Resonant Tesla Coils) optimal anzusteuern.

    Pulse Width:

  • Es ist möglich die Pulsweite einzustellen und zu variieren.
    (Im inaktiven Status oder auch im aktiven Staus)
  • Range: 0.3Formel: us .. 126.6Formel: us
  • Auflösung: 100ns
  • Die angegebene Pulsweite entspricht der Dauer für die der obere bzw. untere Transistor der Endstufe jeweils durchgeschaltet ist.
  • Der eingestellte Wert ist als maximaler Wert zu sehen. Ist die Eigen- Pulsweite, resultierend aus 1/(2*Frequenz),
    kleiner als der eingestellte Wert, so sorgt die Schaltung im Controller- CPLD dafür,
    dass als tatsächliche Pulsweite 1 / (2*Frequenz))- Cdeath_time eingestellt wird.
  • Cdeath_time entspricht der Zeit, während welcher weder der obere noch der untere Transistor
    der Endstufe eingeschaltet ist (abhängig vom Transistor-Typ). z.B. 150ns.
  • Die tatsächlich Pulsweite kann jedoch nie größer als die eingestellte Pulsweite werden.
    Daraus ergibt sich für niedrige Frequenzen eine Reduzierung des Duty Cycle und somit der Leistung.
    Die minimale Frequenz, für die bei gegebener Pulsweite noch die volle Leistung erreicht wird,
    ist im Feld "Min Full Power Frequency" angezeigt.
  • Pulse Delay:

  • Es ist möglich die Verzögerung des Signals (das Delay) einzustellen und zu variieren.
    (Im inaktiven Status oder auch im aktiven Staus)
  • Range: 0.65Formel: us .. 7Formel: us
  • Auflösung: 50ns
  • Das eingestellte Delay ist assoziiert zu einer Phaseverschiebung
  • Formel1
  • Diese Phasenverschiebung wird zum Tuning im "selbstresonanten Betriebsmodus" benötigt.
    Im "starren Betriebsmodus" ist das Delay nicht relevant.
  • Bedingt durch die Art und Weise der Realisierung im Controller CPLD werden Frequenzen, die höher als eine bestimmte Grenzfrequenz sind,
    vollkommen ausgefiltert.
    Dieses Tiefpass-Verhalten ist sehr nützlich, um zu verhindern, dass der Resonator auf einer Oberwelle schwingt.
  • Die obere Grenzfrequenz berechnet sich durch :
    2 /(Puls Delay-500ns)
  • Der Wert wird als "Max Frequency due to Delay" angezeigt.
  • Einstellungen List Mode:

  • Im List Mode kann
  • entweder ein vorgefertigtes List-File mit einer Sequenz von unterschiedlich langen Bursts abgearbeitet werden.
  • Das Listfile folgt dabei einem einfachen Syntax und wird von einem einfachen Interpreter abgearbeitet.
  • oder ein "monophones Midi File" abgespielt werden.
  • Ein Interpreter wandelt dazu das Midi-File in eine Kommando-Sequenz und
    übergibt diese an den Controller.
  • "Load List" wird benutzt um ein List-File auszuwählen und zu laden.
  • Der eigentliche Start erfolgt mit dem Kommando-Button "Cmd List".
  • Dies ist hilfreich, wenn man beispielsweise parallel das Listfile mit einem Editor bearbeitet.
  • Die Einstellungen sind nur im inaktiven Status möglich.
  • Einstellungen DDS:

  • Die DDS-Frequenz kann im mit einer Genauigkeit von 1Hz in einem Range von 10kHz…2000kHz eingestellt werden.
  • Mittels "Step" kann man die Frequenz-Schrittweite der Buttons "Up" und "Down" einstellen.
  • Eine feine Schrittweite ist beim Fein-Tuning sinnvoll.
  • Mittels "Enable DDS" kann man die DDS Funktionalität aktivieren.
    Damit wird gleichzeitig der Betriebsmodus von "selbstresonant " auf "starr " umgeschaltet.
  • Aus "Enable DDS" wird "Disable DDS"
  • Mittels "Disable DDS" kann dann wieder auf "selbstresonant " umgeschaltet werden.
  • Die Umschaltung ist nur im inaktiven Status möglich.
  • Das Einstellfeld "DDS Frequency" wird im "selbstresonaten" Betriebsmode auch als Anzeige benutzt.
    Setzt man den Cursor im Plot auf einen bestimmten Punkt (Level vs. Delay), so wird die dazugehörige Eigenfrequenz angezeigt.
  • Plot / Auto-Tuning:

  • Das Plot-Fenster kann Ein – bzw. Ausgeschaltet werden. ("Enable Plot")
  • Es dient der Darstellung der Ergebnisse des Auto-Tuning (Kommando "Cmd Tune")
  • selbstresonanter Betriebsmodus:
  • Die Signalverzögerung (Delay, welches einer bestimmten Rückkopplungsphase entspricht) wird Schritt für Schritt variiert.
  • Für jedes Delay (Phase) wird der Pegel gemessen und im Plot dargestellt.
  • Nach erfolgtem Tuning kann man dann den geeigneten Arbeitspunkt wählen.
  • Je nach Eigenfrequenz des Resonators sind ein oder mehrere Maximas möglich,
    je nachdem welche Phasenänderung insgsamt durchlaufen wurde.
  • Es gilt: Formel1
  • Im übrigen ist die sich im Arbeitspunkt einstellende Frequenz ebenfalls von der Phase (respektive Delay) abhängig.
    Ziel ist, dass diese Frequenz der Eigenfrequenz des Reonators entspricht.
  • starrer Betriebsmodus (DDS ist eingeschaltet)
  • Die Frequenz wird Schritt für Schritt variiert.
  • Für jede Frequenz wird der Pegel gemessen und im Plot dargestellt.
  • Nach erfolgtem Tuning kann man dann den geeigneten Arbeitspunkt wählen.
  • Kommandos:

  • Außer "Cmd Tick", "COM Test" und "CW Info" sind alle Kommandos exklusiv
    und führen zum Wechsel in den "aktiven Beriebsstatus" .
  • Durch "Stop" wird der "aktive Betriebsstatus" verlassen.
  • "Cmd CW"
  • ist zum Starten des CW Modes
  • "selbstresonanter Betriebsmode", wenn DDS nicht "enabled" ist.
  • "starrer Betriebsmode", wenn DDS "enabled" ist.
  • "Cmd Burst"
  • ist zum Starten des Burstbetriebs.
  • Betriebsmodi wie "Cmd CW"
  • "Cmd Tune"
  • ist zum Starten des Auto-Tunings
  • Betriebsmodi wie "Cmd CW"
  • Auto-Tuning siehe --> Plot / Auto-Tuning
  • "Cmd List"
  • ist zum Starten des List-Modes, und nur verfügbar, wenn zuvor ein List-File geladen wurde.
  • Das geladene List-File wird aktiviert.
  • Siehe auch --> Einstellungen List Mode
  • "Cmd Special"
  • nicht beschrieben
  • "COM Test"
  • siehe --> COM-Port
  • "Cmd Tick"
  • Diese Kommando kann "selbstresonanten Betriebsmode" hilfreich sein.
  • Es führt dazu, dass der Controller einen kurzen Puls bzw. eine Pulsfolge generiert
    und zum Driver sowie zur Endstufe durchsteuert.
    Dieser Puls dient als Startpuls zum Anschwingen im selbstresonanten Betriebsmodus.
  • CW-Info:

  • "Cmd CW Info" kann im Zusammenhang mit dem CW Mode ("Cmd CW") benutzt werden.
    Es ist nur in diesem Mode "enabled"
  • Es führt dazu, dass regelmäßig (etwa alle 0.5s) die aktuelle Frequenz und der aktueller Pegel vom Controller angefordert
    und sodann angezeigt werden.
  • Die Auflösung der Frequenzmessung ist 10 Hz (0.1s Torzeit)
  • Der Pegel ist Maß für die analoge Eingangsspannung am Controller-Input Amplifier.
    Die genaue Zuordnung Pegel zu Spannung ist vorerst nicht gegeben.
    Die Angabe erfolgt vorerst ohne Einheit und hat den Range 0..255.

  • 3.3 Controller

    Die folgende Zeichnung illustriert den generellen Aufbau des Controllers.

    Bild: Überblick Controller
    Abbildung 6: Überblick Controller

    Microcontroller Modul:
    Das MC-Modul ist eine selbständige Schaltung. Sie besteht im Wesentlichen aus

  • einem ATmega168
  • der grundlegenden Beschaltung des MC (einige Widerstände und Kondensatoren)
  • einem 20 MHz Quarz

  • Das Programm des MC besteht aus :

  • einer Kommando State Machine, welche die seriell (Signale "ser1") empfangen Befehle abarbeitet und
    damit die benötigte Funktionalität zur Verfügung stellt.
  • einer Hauptschleife, welche eine Kontroll-LED entsprechend des aktuellen Status blinken lässt und
    den Watch-Dog zurücksetzt.
  • einigen Interrupt-Routinen:
  • Timer zur Generierung des Burst-Taktes
  • Timer zur Messung der Frequenz (Signal "f_cnt")
  • Rx und Tx Interrupts für die serielle Verbindung (Signale "ser1")
  • Funktionalitäten des MC sind:

  • Parametrisierung der CPLD-Logic
  • Die Einstellungen erfolgen über einen einfachen parallelen Bus ("par1") mit 7 Datenleitungen und zwei Strobe- Signalen.
  • Parameter sind "Delay Time" und "Pulse Width"
  • Ausführung der Startroutine für den selbstresonanten Betriebsmodus
  • Zum Anschwingen ist es notwendig einen "Tick" (einen Startpuls bzw. eine Startpulsfolge) zu generieren.
  • Dazu ist es notwendig zuerst auf die Signalquelle "sig2" zu schalten und
    dann das notwendige Signal auf der Leitung "sig2" zu erzeugen.
  • Anschließend wird wieder auf "sig1" zurückgeschaltet.
  • Das Signal "sel_sig" wird zum Umschalten benutzt.
  • Generierung des "on_off" Signals zum Ein- bzw. Ausschalten der Ausgangssignale ("out1" und "out2").
    "on_off" kann:
  • statisch zum einfachen Ein- und Ausschalten benutzt werden
  • oder dynamisch mit einer bestimmtem Frequenz und einem zugehörigen Duty Ein- und Ausschalten.
  • Beim Einschalten im selbstresonanten Betriebsmodus muss natürlich stets die Startroutine ausgeführt werden.
  • Messung der Frequenz
  • Mittels des Signals "f_cnt" (welches physisch dem Signal "out1" entspricht) wird das Ausgangssignal dem MC zugeführt.
    Im MC wird die Anzahl der Pulse während einer bestimmtem Gate-Time (0.2s) gezählt.
  • Konfiguration des DDS-Moduls
  • ON/OFF sowie die Frequenz werden dem DDS-Modul über die synchrone, serielle Schnittstelle "ser2" mitgeteilt.
  • Generierung der "H" und "L" Phasen im Burstbetrieb.
  • AD-Wandlung der anlogen Spannung des Signals "level".
  • Der Spannungswert ist ein Maß für Stärke des als "analog1" empfangenen Signals.
  • Die Funktionalität ist in "C" programmiert.

    Transceiver Modul:
    Als Transceiver Modul wird ein ER400TRS eingesetzt. Dies ist ein fertiges Modul, welches eine asynchrone serielle Übertragung im 433 MHz ISM-Band ermöglicht. Das Modul kann nach entsprechender Pegelanpassung mit einer normalen RS232 Schnittstelle verbunden werden.
    Damit erfolgt eine sichere galvanische Trennung zwischen PC und Controller Hardware.

    DDS Modul:
    Das DDS Modul basiert auf dem DDS-Schaltkreis AD9835. Zusammen mit einem einfachen Clock-Generator (Quarz) und ein paar Widerständen kann man mit diesem Schaltkreis ein Sinussignal einstellbarer Frequenz erzeugen.
    Die Einstellung erfolgt über eine serielle Schnittstelle ("ser2").
    Der theoretische Frequenzbereich ist 0 --> etwa 0.4*fclock mit einer Granularität von einigen mHz.
    (Es wird allerdings nur eine 1 Hz Auflösung benutzt.)
    Das Ausgangssignal des DDS Moduls wird im starren, ungeregelten Betriebsmodus verwendet.

    Imput Amplifier:
    Der Eingangsverstärker verstärkt das Signal "anlog1" bzw. "analog2" so weit, dass ein Rechtecksignal entsteht, welches dann dem CPLD als "sig1" zugeführt werden kann.
    Des weiteren wird das analoge Signal gleichgerichtet um als Signal "level" ein Maß für den aktuellen Pegel bereitzustellen. Dieser Pegel wird einem AD-Wandler des MC zugeführt. Er dient letztlich als Messgröße für das Auto-Tuning.

    Clock:
    Als Clock Generator wird ein fertiger CMOS Clock Schaltkreis verwendet.
    Dieser erzeugt das Signal "clk1" mit einer Frequenz von 20 MHz.

    CPLD:
    Das CPLD beinhaltet die Logik (Gatter und FlipFlops) für die erforderliche Funktionalität.
    Die Funktionalität ist:

  • Einstellbare Verzögerung des digitalen Eingangssignals ("sig1",bzw. "sig2")
  • Die Verzögerung kann mit einer 7 bit Auflösung im Bereich (0..127)/fclk
    (also 0..6.35 Formel: us) eingestellt werden.
    Es erfolgt zusätzlich ein systembedingte Verzögerung um 13 clock's (0.65 Formel: us)
  • Bemerkung:
    Die einstellbare Verzögerung wirkt wie eine einstellbare Phase im Rückkopplungszweig im selbstresonanten Betriebsmodus.
    Das wird benötigt um die Phasenbedingung im selbstresonanten Betriebsmodus optimal zu erfüllen.
  • Einstellbare Pulsbreite für die Ausgangssignale "out1" und "out2"
  • Die Pulsbreite kann mit einer Auflösung von 7 bit im Bereich (6..252) /fclk
    (also 0.3.. 12.6Formel: us) eingestellt werden.
  • Dies ermöglicht es die Leistung des Ausgangssignals einzustellen oder
    bei geeigneter Wahl die Endstufe im "Class E-Mode" zu betreiben.
  • Verschiedene Logik-und Multiplex Funktionalität
  • Erzeugung einer "Todzeit" während der weder "out1" noch "out2" aktiv sind.
  • "out1" und "out2" werden benutzt um jeweils den "oberen" bzw. "unteren"
    Transistor der Endstufen-Halbbrücke ein- bzw. auszuschalten.
    Diese Todzeit ist eine Maßnahme um den Querstrom der Endstufe (durch die Trägheit beim Ausschalten) zu minimieren.
  • Als CPLD kommt ein EPM7064 zum Einsatz. Die Umsetzung der Funktionalität erfolgte mittels Beschreibungssprache VHDL.

    3.4 Driver

    Die folgende Zeichnung illustriert den generellen Aufbau des Drivers.

    Bild: Driver
    Abbildung 7: Driver

    Der Driver besteht aus zwei identischen aber voneinander galvanisch getrennten Pfaden
    Driver-Path 1 und Driver-Path 2. Die Pfade dienen der getrennten Ansteuerung des oberen und unteren Transistors des "Power Amplifier".

    Die Driver Pfade sind ohne induktive Wandler aber galvanisch getrennt aufgebaut. Auf so genannte GDT (Gate Drive Transformer) wurde bewusst verzichtet.

  • GDT wären, neben ihrer Vielzahl von anderen Nachteilen, für eine universelle Ansteuerung
    (keine feste Betriebsfrequenz, variable Pulsbreite) nicht geeignet.

  • Der Nachteil der Lösung ohne GDT ist, dass der "High Side Path" floatet und gewissermaßen die Ausgangsspannung des Power Amplifiers aufgeprägt bekommt. Der "High Side Path" muss deshalb so gut wie möglich isoliert sein. (Für DC und AC !) Dabei ist insbesondere auch darauf zu beachten, dass die galvanische Trennung gegenüber Erde und anderen Modulen auch kapazitätsarm erfolgen muss.

    Die Opto Coupler dienen der galvanischen Trennung von Driver und Controller. Zudem wird das Übergreifen von Störungen auf den Controller vermindert.
    Zur Anwendung kommen dazu der HCPL9031.

    Die Mosfet Driver bringen die digitalen Rechtecksignale auf das notwendige Spannungs- und Stromniveau. Hier kommen ebenfalls fertige IC's ( Typ MC34152 ) zur Anwendung.

    3.5 Power Amplifier

    Die folgende Zeichnung illustriert den generellen Aufbau des Power Amplifier.

    Bild: Aufbau des Power Amplifier
    Abbildung 8: Aufbau des Power Amplifier

    Der Power Amplifier ist eine "Standard Halbbrücke" mit N-Kanal Power MOSFET (z.B. IRFP460).
    Bemerkenswert ist die Schaltung der Dioden.
    Die Dioden D1 und D2 dienen dem "Abschalten" der MOSFET internen Dioden (nicht im Bild dargestellt).

  • Die internen Dioden sind technologiebedingt und nicht unbedingt gewollt,
    denn sie sind vergleichsweise langsam.
  • Um die zusätzlichen schnellen Dioden (D3, D4) zur Wirkung zu bringen, muss verhindert werden,
    dass die langsamen Dioden nachhaltig leitend werden.
    (Denn die Schwellspannung der internen Dioden ist nicht höher als die der externen Dioden).
    Dies geschieht mittels D1 und D2.
  • D1 und D2 sollten eine möglichst niedrige Schwellspannung aufweisen,
    um dem Arbeitstromkreis nicht zu viel Leistung zu entziehen.
    Deshalb sollten Shottky-Dioden verwendet werden.
  • Bemerkung:
    Nicht abgeschaltete interne Dioden führen zu erheblichen Verlustleistungen.

    3.6 Isolated Power Supply

    Die Block ist verantwortlich für die Bereitstellung der notwendigen, voneinander isolierten Betriebsspannungen. Die folgende Abbildung illustriert den generellen Aufbau.

    Bild: Isolated Power Supply Überblick
    Abbildung 9: Isolated Power Supply Überblick

    Aus einer gemeinsamen Eingangsspannung Uips (z.B. 12 V) werden die drei isolierten Betriebsspannungen gewonnen.

  • Uc (für den Controller)
  • Udr1, Udr2 (für den Driver)

  • Dies geschieht mittels DC-DC Wandlern. Es werden fertig aufgebaute Wandler (z.B. TEL5-1212 bzw. TEL5-1211) eingesetzt.

    4 Zusammenfassung

    4.1 Highlights

    Die Highlights sind:
          - Auswahl zwischen den folgenden Betriebsmodi:
                - Starre Ansteuerung
                - Geregelte Ansteuerung (selbstresonant)
          - Die Regelung / Steuerung erfolgt durch Mikrocontroller
          - Die Bedienung / Steuerung erfolgt mittels
                - PC – Software
                - ISM – Band Funksteuerung (damit maximale Sicherheit gegen Stromschläge)
          - Regelbarer Burstmode
                - Frequenz und Duty sind einstellbar
          - Monophone Midi Files können abgespielt werden
          - Frequenzmessung im selbstresonanten Betriebsmodus
          - Auto-Tuning.

    4.2 Praktischer Aufbau

    univ.SSTC Treiber

    univ.SSTC Treiber

    univ.SSTC Treiber

    4.3 Einsatzbeispiel der Ansteuerungssoftware

    univ.SSTC Treiber Software

    4.4 In Aktion

    Bei den nachfolgenden Bildern und Videos wurde die Teslaspulen mit dem Treiber betrieben.

    Bilder der Teslaspule 12:
    Videos der Teslaspule 12:
    Bilder der Teslaspule 21:
    Videos der Teslaspule 21:
    Go to: Teslaspule 12
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    Weiterführende Links

    http://de.wikipedia.org/wiki/Teslaspule
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