Wochenendprojekt SSTC (Solid State Tesla Coil)

Teslaspulen sind eigendlich unnütze aber sehr spektakuläre Geräte. Daher wollte ich schon immer mal so eine Teslaspule bauen.
Leider fehlte mit bisher die Zeit zu einem derartigen Projekt.

An einem langen Wochenende sagte ich mir aber: jetzt oder nie!

Was ist eigendlich eine Telaspule oder auch Teslatransformator?
Das haben andere schon hinreichend erklärt.

Wikipedia hat hierzu einen umfangreichen Artikel:

Nun gibt es mehrere Möglichkeiten zum Ziel:

Die klassische: Teslaspule mit Funkenstrecke: (SGTC)
Nötige Bauteile: Hochspannungstrafo mit ca. 5-?? KV mit einiger Leistung und ein Hochspannungsfester Kondensator.

Teslaspule mit Röhrenoszillator (VTTC):
Nötige Bauteile: Hochspannungstrafo, HV Gleichrichter, Hochspannungs- und HF feste Kondensatoren, eventuell auch ein Drehkondensator und natürlich eine kräftige Röhre wie z.B. die russische GU81.

Teslaspule mit Halbleitern (SSTC):
Nötige Bauteile: MOSFETS oder IGBT's mit ausreichender Leistung, Treiberbauteile für selbige.

Weiterhin sind auch noch Lösungen mit Thyratrons oder auch Thyristoren denkbar.

Da die SGTC und die VTTC Bauteile benötigen, die man nicht so eben mal herumliegen hat, habe ich mich für die SSTC entschieden, zumal mir gerade zwei alte Netzteile aus einem FDDI-Switch in die Hände gefallen sind.
Diese lieferten dann auch den Grundstock an Bauteilen.
(etliche IRFP460, Treiberbausteine, Folienkondensatoren, Netzfilter, schnelle Dioden, Brückengleichrichter)

Also ging es an die Arbeit:
Im ersten Schritt habe ich mich an die mechanischen Teile herangemacht.
Das Wickeln der (ersten) Sekundärspule hat 4 Stunden Fleissarbeit gekostet.
Als Träger eignet sich das günstig im Baumarkt erhältliche HT-Rohr.
Die Spule sollte gewisse Dimensionen einhalten, wobei sich bei einem 11cm Rohr eine maximale Wicklungslänge von 55cm ergibt.
Tipps zur Dimensionierung der Spule gibt es auf diversen Webseiten. Auch sollte man VOR Beginn der Arbeiten zumindest mal grob die Resonanzfrequenz der Spule ermitteln (ausrechnen), um zu überprüfen, ob man diese Frequenz mit der Elektronik erreichen kann!
Leider hat es sich herausgestellt, dass die Resonanzfrequenz der ersten Spule etwas hoch angesetzt war.

Als Basis dienen zwei Holzplatten, die mit Gewindestangen verbunden sind.
Im "Erdgeschoss" findet die Elektronik Platz.
Der Halter für die Spule (HT-Rohr) dient eine auf dem oberen Brett verschraubte Endkappe.
Durch eine Bohrung ist der untere Anschluss der Sekundärspule geführt.

Auf die untere Holzplatte wurden die Bauteile Netzfilter, Hilfstrafo und natürlich die Steuerplatine mit Kühlkörper montiert.

Entwicklung der Steuerelektronik:
Es gibt mehrere Standardschaltungen, die im Internet verbreitet sind.
Aufgrund meiner Erfahrung mit Schaltnetzteilen war mir die Halbbrückenvariante die angenehmste, da sie einen guten Kompromiss zwischen Leistung und Aufwand bietet.

Bei den Leistungshalbleitern war ich auf die vorhandenen IRFP460 festgelegt.

Das Gegenstück zu der Halbbrücke bilden zwei Folienkondensatoren, die unbedingt impulsfest sein sollten.
Ich hatte zunächst nur normale Folienkondensatoren (MKS4) verwendet, die sich aber deutlich erwärmten.
Bei meiner nächsten Bestellung werde ich mir ein Pärchen FKP Kondensatoren beschaffen!

Bei der Treiberschaltung wollte ich nicht einfach nachbauen, sondern selbst entwickeln und optimieren.
Die gesamte Schaltung ist relativ simpel aufgebaut aber der Teufel steckt im Detail!
Das CMOS-IC CD4047 erzeugt an seinen zwei Ausgängen genau gegenläufige Rechteckimpulse und ist damit prädestiniert als Oszillator.

So sieht die aktuelle Schaltung aus:

Erklärung: Der CD4047 erzeugt ein durch den Trimmer veränderbares Rechtecksignal von ca. 150-250KHz.
Dieses steuert verstärkt durch den Treiberbaustein ICL7667 (TC4424) die beiden IRF540 FET's an.
Direkt an den Versorgungsspannungsanschlüssen des ICL7667 und auch in der Nähe der Mittelpunktanzapfung des übertragers sollten Elkos vorgesehen werden, die die Versorgungsspannung stützen.
Während die Gates umgeladen werden, fliessen hohe Impulsströme, die unbedingt durch Kondensatoren abgefangen werden müssen.
Wird dies unterlassen, bricht die Spannungsversorgung ein, da der Spannungsregler den maximalen Strom auf 1A begrenzt.
über den Gateübertrager werden die eigentlichen Leistungsschalter angesteuert, die zusammen mit den Kondensatoren C2+C3 eine Halbbrücke bilden.

Eigentlich sollte man meinen, dass es keine Hexerei ist, einen Leistungsoszillator mit einer Frequenz von ca. 300-400KHz zu bauen.
Schon die ersten Experimente auf dem Steckbrett haben gezeigt, dass es eine sehr kräftige Treiberschaltung benötigt, um zwei IRFP460 bei dieser Frequenz sauber zu schalten.
Versuche mit dem vorhandenen Treiber IC TC4424 Zeigten, dass dieser damit völlig überfordert ist.
Da ich keine exotischen Treiber verwenden wollte und konnte (Wochenende!), habe ich mich zu einer Kombination aus integrierter und diskreter Treiberschaltung entschlossen.

Für die Ansteuerung des "High Side" Transistors benötigt man eine potentialfreie Ansteuerung oder einen Levelshifter mit ausreichender Leistung um das Gate schnell genug umzuladen.
Mit einem Ansteuertransformator werden gleich zwei Themen abgehandelt:
Zum einen werden die Transistoren potentialfrei angesteuert und zum anderen zerstört ein Defekt in der Endstufe nicht die Treiberschaltung.
Nachteilig ist die Verzerrung der Steuersignale durch die Induktivität.

Ich hatte auch Versuche mit dem IR2153 Halbbrückentreiber gemacht.
Leider hatte dieser Baustein zwei Nachteile:
Eine feste Totzeit und bei weitem nicht genug Leistung, um die Gates bei > 100KHz anzusteuern.
Eventuell könnte man noch einen SG3525 versuchen.
Aber schon ein Blick in das Datenblatt zeigt, dass die Ausgangstreiber nur 500mA liefern.

Somit treibt der TC4424 jetzt zwei "kleine" IRF540, die in einer "push pull" Schaltung den Gateübertrager treiben.
In der Wochenendversion waren die IRF540 noch zwei BUZ91, die aber gekühlt werden mussten, da sie einen zu hohen ON-Widerstand hatten.

Den Gateübertrager habe ich noch in der Steckbrettphase gewickelt.
Der Ferritkern stammt aus der Bastelkiste und war einmal eine Filterdrossel.
Die Windungszahl wurde experimentell bestimmt.
Zunächst hatte ich 15 Windungen Aufgewickelt was aber zu viel war.
Damit war das Gatesignal nicht steilflankig genug.
Mit 10 Windungen war das Ergebnis recht gut.
Wer einen Ferritkern kaufen möchte, der sollte auf einen hohen AL-Wert achten.
Ungeeignet sind Eisenpulverkerne sowie die Speicherdrosseln aus alten PC-Netzteilen.
Eventuell ist der Kern der Siebdrossel im Eingang des Netzteiles verwendbar.
Auf jeden Fall sollte das optimale Wicklungsverhältnis selbst ermittelt werden.
Die Art der Bewicklung hat auch einen grossen Einfluss auf die Qualität des übertragenen Signals. Die besten Ergebnisse brachte eine sauber nebeneinader gewickelte Wicklung wie bei dem unten gezeigten übertrager.
Dieser kommerzielle übertrager war für den Einsatz bei ca. 50KHz gebaut und für den Betrieb bei 200KHz weniger gut geeignet.

So sieht ein kommerzieller Gateübertrager aus:

Passende Ringkerne hat z.B. Reichelt Elektronik. Dort bekommt man auch den ICL7667 als Ersatztyp für den TC4424 und alle anderen Bauteile!
Der ICL7667 ist zwar ein invertierenter Treiber, aber das ist in der Schaltung egal!
Vor die Gates der IRFP460 sind 10 Ohm/2W Widerstände geschaltet, da es sonst zu erheblichen überschwingern kommt.
Der Widerstand ist mit einer schnellen Diode überbrückt, damit die Abschaltzeit verkürzt wird.
Diese Schaltung sorgt für eine geringe Totzeit und verhindert erfolgreich ein gleichzeitiges Schalten der Halbbrücke. (Shoot Through)
Eine unnötig hohe Totzeit würde dafür sorgen, dass die Freilaufdioden wesentlich mehr "Arbeit" bekämen.
WICHTIG: Die MOSFET's dürfen niemals gleichzeitig leiten, auch nicht kurzzeitig! Der gewaltige Kurzschlusstrom durch die beiden Transistoren würde sie zerstören!
Leider hatte ich aufgrund von Störeinflüssen dann doch noch meinen "Shoot Through".

=> Schaltung abschirmen!

Auf dem folgenden Bild ist die etwas provisorische Abschirmung (Blechteil) des Logikteils zu erkennen.
Die Bauteile des Leistungsteils sind recht unempfindlich gegen Störeinflüsse.
Es wäre sicherlich sinnvoll, den Logikteil in ein HF - dichtes Gehäuse zu packen.
In späteren Projekten habe ich die gesamte Elektronik in das Gehäuse eines alten PC-Netzteils eingebaut.

Vor den Gates sitzen noch je zwei Z-Dioden um die Gates vor Spannungsspitzen zu schützen.
Ich habe die 1,3W Z-Dioden verwendet, da ich zunächst Probleme mit überschwingern hatte, und damit die Z-Dioden das Gatesignal begrenzt haben.
Eine Verbesserung der Führung der Leiterbahnen, sowie das ordentlichere Wickeln des Gateübertragers haben die Z-Dioden eigentlich überflüssig gemacht.
Aber Z-Dioden sind preiswerter als Power-MOS Transistoren oder gar IGBT-Bricks (200-300€ das Stück!) deshalb sind sie geblieben.

=> Gateübertrager optimieren!

Die Netzspannung wird über eine Einweggleichrichtung der Halbbrücke zugeführt.
Damit wird die Spule mit 50 Hz moduliert, was ein schönes Entladungsbild ergibt.
Mit einer Vollbrückengleichrichtung sind die FET's etwas überfordert.

Die >flinke< Sicherung vor der Halbbrücke ist Pflicht! In der Versuchsphase hatte ich sie noch nicht vorgesehen.
Resultat: schwere "Verwüstungen" in der Leistungsendstufe.

Immerhin ist mir während der gesamten Bauphase nur ein Satz Transistoren kaputtgegangen.
(Und das aus Dummheit ...)

Das ist dann auch der passende Zeitpunkt auf die Gefahren hinzuweisen:
Ein Teslatrafo ist sicherheitstechnisch sicher anders zu bewerten wie ein "narrensicheres" Haushaltsgerät.
Sie ist immer ein Versuchsaufbau, der nicht unbewacht und durch Unbefugte in Betrieb genommen werden darf!
Obwohl eine SSTC mit relativ geringen Primärspannungen arbeitet, haben hier Finger in der laufenden Schaltung nichts verloren.

Da die Leistungselektronik an ihren Grenzen arbeitet, kann besonders während des Abstimmens etwas hochgehen.
Leistungstransistoren können regelrecht explodieren (siehe Bild) und die Trümmer können Verletzungen besonders im Auge hervorrufen.

Die austretenden Entladungen sind sehr heiss und können Material in Brand setzen.

Obwohl das Berühren der Entladungen nicht lebensgefährlich ist, sollte man davon Abstand halten. Wenn es zu einem überschlag zwischen Primär und Sekundärspule kommt, kann es gefährlich werden.
Bei der Berührung mit blosser Hand sind Verbrennungen einzukalkulieren.
Ein Träger eines Herzschrittmachers sollte die Idee mit der Teslaspule komplett vergessen...

Immer wieder hört man von dem SKIN-Effekt, der aber bei den relativ geringen Frequenzen einer Teslaspule noch nicht relevant ist.
Tatsache ist, dass die hochfrequente Wechselspannung keine Nervenreizungen mehr erzeugt, und deshalb nicht wahrgenommen wird.

Welche Ströme durch den Körper fliessen zeigt das folgende Experiment:
Mit einer Hand hält man eine 230V/25W Glühbirne mit dem Fusskontakt an einen geerdeten Gegenstand und mit der anderen nährt man sich der Teslaspule.
Je nach Leistung der Spule leuchtet die Glühbirne mehr oder weniger hell auf. Bei 230V/50Hz wäre man jetzt tot!
Experimente dieser Art sollte man nur machen, wenn man sich sicher ist, dass alle Sicherheitsmassnahmen getroffen sind!

Man sollte die Schaltung möglichst schnell und aus sicherer Entfernung ausser Betrieb setzen können. Eine schaltbare Steckdosenleiste ist da Minimum, besser ist ein NOT-Aus Schalter, der die Schaltung allpolig vom Netz trennt.

Eine Teslaspule derartiger Leistung ist sicher kein Anfängerprojekt. Es ist auch möglich, eine kleine Teslaspule mit einer Kleinspannung zu versorgen! Damit kann dann gefahrlos herumexperimentiert werden.
Interessante Experimente sind auch mit Zeilentrafos möglich, wobei hier die Ausgangsleistung durch die feste Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule sehr hoch ist.
Um das SSTC Projekt anzugehen, sind Erfahrungen mit Schaltnetzteilen sicherlich von grossem Vorteil, da die Schaltung einem ungeregelten Halbbrückenwandler ähnlich ist.

In dem folgenden Bild ist der Aufbau gut zu erkennen:
Links befindet sich der Netzfilter (Blechkasten) und unten der 30VA Transformator für die Versorgung der Elektronik.
Für die Elektronik wurde mit Hilfe des Layoutprogrammes Eagle eine kleine Platine gefertigt, wobei in der aktuellen Version auf ein halbwegs induktionsfreies Layout geachtet wurde.
An den Kühlkörper wurden die FET's, der Spannungsregler und der Brückengleichrichter für die 230V (geschaltet als Einweggleichrichter) montiert.

Abstimmen / Inbetriebnahme der Spule:
zunächst wird die Steuerelektronik mit einem Labornetzgerät gespeist.
Die Primärspule ist noch NICHT angeschlossen!
Bei 200KHz sollte die Stromaufnahme nicht weit über 500mA liegen.
Je höher die Frequenz, desto mehr Leistung benötigt die Treiberschaltung um die Gates umzuladen.
Die Grenze ist spätestens erreicht, wenn der Spannungsregler nicht mehr nachkommt...
Auch werden die Gatewiderstände schon ordentlich heiss!
Das Signal an den Power-MOS Gates sollte steilflankig sein, damit die FET Halbbrücke zuverlässig schaltet und nicht analog arbeitet.
Ein Oszilloskop ist eigentlich für den Bau einer SSTC unerlässlich, da in jeder Stufe die Signale auf ihre Qualität geprüft werden müssen.

=> Das spart Halbleiter !!! (Ein lokaler Händler wollte über 9€ für einen IRFP460 haben!)

So oder besser sollte das Signal an den Gates aussehen:

Im nächsten Schritt wird die Halbbrücke mit 230V versorgt.
Die geschieht Idealerweise über ein HV Labornetzgerät oder einen Trenntrafo.
Anstelle der Sicherung wird eine 100W Glühbirne geschaltet.
Jetzt sollte >nichts< passieren. Glimmt die Glühlampe, dann bedeutet das, dass die Transistoren sich überlappen.
Eine Vorgeschaltete Glühlampe ist übrigens bestens geeignet um Schaltnetzteile unter Netzspannung zu testen.
Durch ihre Funktion als Kaltleiter ist sie kalt sehr niederohmig und wird nach dem Aufheizen (Fehlerfall) hochohmig.
In diesem Zustand wird der Strom begrenzt und der GAU in der Elektronik verhindert.

Waren diese Tests erfolgreich, wird jetzt die Primärspule angeschlossen.
Vorher sollte man in etwa wissen, wie hoch die Resonanzfrequenz des Teslatrafos sein wird und den Oszillator dementsprechend abstimmen.

=> Berechnungstools findet man im Internet reichlich! Mir hat diese Seite gut gefallen. (Online-Rechner)

Die Glühbirne wird jetzt zumindest schwach leuchten.
Jetzt wird der Spindeltrimmer soweit verdreht, bis die Spule in Resonanz ist.
Dies zeigt sich bereits durch kleine Entladungen.
Bevor man die Glühbirne durch eine Sicherung ersetzt, kann man noch einen weiteren Schritt mit einem 1KW Baustrahler einfügen.
Die 100W Glühlampe lässt nämlich nicht genug Strom fliessen, um den Teslatrafo zu betreiben.
Ohne diese Schutzmassnahme fliesst bei bestimmten Frequenzen ein viel zu hoher Strom durch die Treiberschaltung und zerstört zumindest die Sicherung.
Der Trimmer sollte nur langsam verdreht werden, da sonst auch die Transistoren überlappen könnten.
Ist der Teslatrafo stark verstimmt, entsteht die Maximalspannung nicht an der Spitze der Sekundärspule sondern womöglich in der Nähe der Primärwicklung und schlägt auf diese über.
Die Folge wäre der Tod der Halbbrücke.
überhaupt ist das mit der Isolation bei einem Teslatrafo so eine Sache. Der Klarlack über der Sekundärspule dient nur dem Schutz und der Fixierung der Wicklung. über 100KV hochfrequente Wechselspannung lassen sich damit nicht aufhalten.

Versuche mit einem "Topload" haben kein gutes Ergebnis gebracht.
In der ersten Variante hatte ich eine ca. 5cm lange Kupferspitze verwendet, um die Entladungen kontrolliert austreten zu lassen.
Bei der zweiten Spule hat das, bedingt durch den grösseren Durchmesser, nicht mehr genügt. Die Entladungen traten aus den oberen Windungen der Spule aus und haben einige Windungen weggebrannt. (Mist!)
Daher habe ich aus 10 mm2 Kupferdraht einen Ring gefertigt, der einen etwa 3cm grösseren Durchmesser hat, wie die Spule. Der Ring ist direkt mit der Entladungsspitze verbunden.

Zum Schluss noch ein Bild der Entladungen an der Spitze.

Nachtrag: Anscheinend ist der verwendete Wickeldraht mit 0,15mm zu dünn gewählt. (War halt gerade verfügbar...) Ich plane deshalb noch eine etwas grössere Version mit 0,5mm Wickeldraht, um die Güte der Spule zu verbessern.
In einer neueren Version der Treiberschaltung werde ich eine automatische Abstimmung (Rückkopplung) vorsehen, da das manuelle Abstimmen ein recht kritischer Vorgang ist.

Fazit: So ein Teslatrafo ist ein Dauerprojekt! Es gibt immer etwas zu verbessern oder den Wunsch nach noch mehr Leistung!