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Solid State Tesla Coil (SSTC) - CTRL |
Die Intention des Projekts "SSTC-CTRL" ist die Erschaffung einer flexiblen Ansteuerung für
Solid State Teslaspulen (SSTC's --> Solid State Tesla Coils).
Projektziele:
(in gewissen Grenzen) der aktuellen Frequenz des Resonators anpasst, also selbstresonant ist.
Hardy Scheidig
( 2007)
| Version | Datum | Bemerkung |
| 1.0 | 09/2007 | 1. Version |
| 1.1 | 31.05.2009 | geringfügige Änderungen |
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.
Die folgende Darstellung illustriert den prinzipiellen Aufbau.
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.
Diese Betriebsmodus entspricht der "herkömmlichen" Ansteuerung der Teslaspule.
Der große Nachteil dieser Ansteuerung ist die
starke Abhängigkeit der Resonanzfrequenz von den räumlichen Gegebenheiten.
mittels Auto-Tuning Mechanismus gelöst werden.
Siehe auch --> Plot / Auto-Tuning
dass die Spule außer Resonanz gerät.
(Ungünstige Änderung der Eingangsimpedanz --> Siehe Abhandlung Resonatoranalyse
jedoch ein NF-Signal, mit einstellbarer Frequenz und einstellbaren Duty Cycle.
3.1.2 Selbstresonanter Betriebsmodus (SRSSTC)
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:
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 
(Phasendrehung der Teslaspule) und 
(Phasendrehung Teslaspulen Treibers) gleich 0° ist (oder ein ganzzahliges Vielfaches von 360 ° ist).
+
modulo 360 = 0
Abbildung 2: SRSSTC-Princip
Konsequenzen des Postulates:
den zu 0° kompensiert.für welche die maximale Spannungsüberhöhung erreicht wird) eine Phasendrehung von
≈ -90° erzeugt, muss
≈ 90° (+ n*360°) Phasendrehung erzeugen. ≠ 90° (+ n*360°) ,so wird der Oszillator auf einer Frequenz schwingen,welche nicht der optimalen Eigenfrequenz der Teslaspule entspricht.
für welche wiederum (
+
modulo 360 = 0 ist.Bei der sich einstellenden Frequenz ist die Spannungsüberhöhung allerdings ggf. deutlich geringer.
Mit den weiteren Konsequenzen:
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 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
(als angle(U2Ug) bezeichnet) 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
(als "fi_feedback" bezeichnet) reduziert.
Abbildung 4: Spannungsüberhöhung
Abgeleitet von den theoretischen Erkenntnissen ist folgendes Funktionsprinzip entstanden.
Dieser Sensor stellt eine kapazitive Rückkopplung dar.
dass durch die Begrenzung ein Rechtecksignal entsteht.
(Sensorkopplung, Verstärker…) abhängt, ist es schwierig,
die richtige Phase und somit das richtige Delay vorherzusagen.
Siehe auch --> Plot / Auto-Tuning
mit einstellbarer Frequenz und einstellbaren Duty Cycle.
im optimalen Arbeitspunkt (maximale Spannungsüberhöhung).
darf der Resonator natürlich nicht unbegrenzt verstimmt werden.
= 90° (ohne Verstimmung) = 90°+-4.5°.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.
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:
(1 / (2*Frequenz))-Cdeath_time eingestellt.
der Endstufe eingeschaltet ist (abhängig vom Transistor-Typ). z.B. 150ns.
Save / Load:
Damit ist die Reproduzierbarkeit bestimmter Szenarien möglich.
Einstellungen Burst Mode:
denn jede Teslaspule benötigt eine von der Bandbreite des Resonators abhängige Einschwingzeit.
Durch den Burst-Mode und dessen genaue Einstellbarkeit ist es auch möglich DRSSTC (Dual Resonant Tesla Coils) optimal anzusteuern.
Pulse Width:
(Im inaktiven Status oder auch im aktiven Staus)
.. 126.6kleiner als der eingestellte Wert, so sorgt die Schaltung im Controller- CPLD dafür,
dass als tatsächliche Pulsweite 1 / (2*Frequenz))- Cdeath_time eingestellt wird.
der Endstufe eingeschaltet ist (abhängig vom Transistor-Typ). z.B. 150ns.
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:
(Im inaktiven Status oder auch im aktiven Staus)
.. 7
Im "starren Betriebsmodus" ist das Delay nicht relevant.
vollkommen ausgefiltert.
Dieses Tiefpass-Verhalten ist sehr nützlich, um zu verhindern, dass der Resonator auf einer Oberwelle schwingt.
2 /(Puls Delay-500ns)
Einstellungen DDS:
Damit wird gleichzeitig der Betriebsmodus von "selbstresonant " auf "starr " umgeschaltet.
Setzt man den Cursor im Plot auf einen bestimmten Punkt (Level vs. Delay), so wird die dazugehörige Eigenfrequenz angezeigt.
Kommandos:
und führen zum Wechsel in den "aktiven Beriebsstatus" .
und zum Driver sowie zur Endstufe durchsteuert.
Dieser Puls dient als Startpuls zum Anschwingen im selbstresonanten Betriebsmodus.
CW-Info:
Es ist nur in diesem Mode "enabled"
und sodann angezeigt werden.
Die genaue Zuordnung Pegel zu Spannung ist vorerst nicht gegeben.
Die Angabe erfolgt vorerst ohne Einheit und hat den Range 0..255.
Die folgende Zeichnung illustriert den generellen Aufbau des Controllers.
Abbildung 6: Überblick Controller
Microcontroller Modul:
Das MC-Modul ist eine selbständige Schaltung. Sie besteht im Wesentlichen aus
Das Programm des MC besteht aus :
damit die benötigte Funktionalität zur Verfügung stellt.
den Watch-Dog zurücksetzt.
Funktionalitäten des MC sind:
dann das notwendige Signal auf der Leitung "sig2" zu erzeugen.
"on_off" kann:
Im MC wird die Anzahl der Pulse während einer bestimmtem Gate-Time (0.2s) gezählt.
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:
(also 0..6.35
) eingestellt werden. Es erfolgt zusätzlich ein systembedingte Verzögerung um 13 clock's (0.65
)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.
(also 0.3.. 12.6
) eingestellt werden.bei geeigneter Wahl die Endstufe im "Class E-Mode" zu betreiben.
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.
Die folgende Zeichnung illustriert den generellen Aufbau des Drivers.
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.
(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.
Die folgende Zeichnung illustriert den generellen 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).
denn sie sind vergleichsweise langsam.
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.
um dem Arbeitstromkreis nicht zu viel Leistung zu entziehen.
Deshalb sollten Shottky-Dioden verwendet werden.
Bemerkung:
Nicht abgeschaltete interne Dioden führen zu erheblichen Verlustleistungen.
Die Block ist verantwortlich für die Bereitstellung der notwendigen, voneinander isolierten Betriebsspannungen.
Die folgende Abbildung illustriert den generellen Aufbau.
Abbildung 9: Isolated Power Supply Überblick
Aus einer gemeinsamen Eingangsspannung Uips (z.B. 12 V) werden die drei isolierten Betriebsspannungen gewonnen.
Dies geschieht mittels DC-DC Wandlern. Es werden fertig aufgebaute Wandler
(z.B. TEL5-1212 bzw. TEL5-1211) eingesetzt.
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.
4.3 Einsatzbeispiel der Ansteuerungssoftware
Bei den nachfolgenden Bildern und Videos wurde die Teslaspulen mit dem Treiber betrieben.
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Bilder der Teslaspule 12: |
Videos der Teslaspule 12: |
Bilder der Teslaspule 21: |
Videos der Teslaspule 21: |
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Weiterführende Links
http://de.wikipedia.org/wiki/Teslaspule.