固態(Solid-State)特斯拉線圈製作分享

blueshadow

大家好！新年快樂！

這是小弟在這論壇的第一帖，會發現這個討論區是因為搜尋到ysc大的Nixie時鐘的緣故，
看了大家的分享之後決定也來獻醜一下，分享自己以前在08年製作的固態特斯拉線圈。
因為現在手上有的圖片都是當時拍攝留下來的，畫質不好還請各位見諒！

首先先來一點背景介紹：

與傳統特斯拉線圈不同的是，固態特斯拉線圈利用電晶體搭配驅動電路直接將其操作在共振頻率。
來取代傳統特斯拉線圈的LC共振以及空氣間隙，所以操作過程不會有傳統特斯拉線圈LC放電的巨響。
透過這個驅動電路，可玩性就很大，比如在驅動信號之中將音樂訊號混入，就能讓特斯拉線圈變成一個電弧喇叭。
又或者控制驅動訊號的Duty cycle來控制功率以及電弧的長度。

那又該如何確保驅動電路是操作在整個系統的共振頻率呢？最簡單的方法就是直接拉一跟銅線當做天線來感測二次線圈打出的
電磁波，然後整波後迴授到驅動電路去當做操作時脈來用。當然所要更精確可以用CD4046之類的鎖相迴路來確保頻率跟相位都
很精確的鎖在共振頻率上。除了使用天線來做回授以外，也有不少玩家使用比流器(Current Transformer; CT)來做一次測的電流感測來回授。

大家看到這變應該會發現，電路的設計上其實概念跟Switching converter是一模一樣的，國外有不少玩家都在玩，其中驅動電路的部分可以參考Steve Ward所設計的各類驅動電路 stevehv.4hv.org

好了廢話不多說，趕緊與各位分享成果圖。

首先是操作在100% duty的情況下，這時整個系統是安靜無聲的，放電呈現一團火焰狀，且溫度很高。


再來這張是操作在較低duty下，並在驅動訊號支中混入一個低頻的脈衝，讓其接近burst mode的運作，放電的電弧會更長一些，且對於高低端的電晶體而言負載較低。


最後是整個電路的部分，當初因為算是初版還在調整，就是這樣直接裸奔，左上方的小版就是驅動電路的本體，綠色的單芯線就是做為回授
天線之用。後來進了一些更好的料原本要作一台裝機起來，但因為種種因素到現在還沉睡在倉庫裡生灰塵，哈！


大概就先到這邊，最近在整理一些以前的檔案，若有找到當時操作的錄影再發上來與大家分享！
最後還是祝大家新年快樂，龍年行大運！

雄爸爸

那顆Coil應該不易取得吧

blueshadow

雄爸爸 發表於 2012-1-29 12:37 PM static/image/common/back.gif
那顆Coil應該不易取得吧

您指的是哪一個Coil呢？
是指次級的Resonator還是指couple驅動訊號的GDT？(左下方小版，圖中是不好的示範，線要越短越好)

Resonator得自己繞，然後要上一些coating來保護。一般繞就不太管圈數，主要看感值跟頂端當做電容的球殼來算共振頻率，3,4百KHz左右比較理想一點，主要要考量半橋上高低端MOS的switching loss跟驅動電路本身操作速度的問題。
GDT的話主要要找AL值高的材料來繞，不過一般螢幕訊號或者電源上的濾波環就堪用了(沒有上漆的那種)。
具體適不適合還是得用示波器看漏感的狀況才知道。

雄爸爸

我說的Coil是最後一張照片,最右邊只看到一小部分的主線圈
這整個電路的最大成本,應該也就是這個Coil了吧
小弟我還沒玩到這階段
目前只玩前段的Switching Power
感謝你的分享與詳細解說
期待後續能欣賞到更多你的作品

forest162

雄爸爸 發表於 2012-1-29 01:32 PM static/image/common/back.gif
我說的Coil是最後一張照片,最右邊只看到一小部分的主線圈
這整個電路的最大成本,應該也就是這個Coil了吧
小 ...

很早以前就有看過此電路，但一直搞不懂那個天線要做啥用.......

forest162

固態特斯拉線圈的好處就是很安靜....但成本較高，之前做過傳統的Tesla Coil，那個聲音會大的嚇死人...

forest162

http://bbs.pigoo.com/thread-34923-1-1.html

blueshadow

forest162 發表於 2012-2-1 05:26 PM static/image/common/back.gif
很早以前就有看過此電路，但一直搞不懂那個天線要做啥用.......

天線的話其實就只是拿來感測輸出頻率, 這樣可以確保共振(驅動的頻率永遠都是收到的次級線圈打出來的頻率)
其實它電路上這樣的架構直接收會有相位偏移造成的可能潛在的不穩定狀態, 所以後來還不少人加上PLL的機制去鎖.

不過其實從電路上去看, SSTC是直接把初級線圈操作在次級的共振頻率上, 有另外一種把傳統SGTC的LC tank也加上去的, 除了驅動訊號的共振之外還有LC的共振形成雙共振Dual Resonant SSTC (DRSSTC), 這個發出的噪音比傳統SGTC還誇張.....

SSTC本身成本的確高了許多, 畢竟用到了一些高功率的Power MOS以及高驅動能力的driver chip, 不過傳統的SGTC如果要做得很robust, 實際上也要花不少成本 (如旋轉式的spark gap)

forest162

blueshadow 發表於 2012-2-2 02:04 PM static/image/common/back.gif
天線的話其實就只是拿來感測輸出頻率, 這樣可以確保共振(驅動的頻率永遠都是收到的次級線圈打出來的頻率) ...

所以SSTC不用算共振頻率?!

forest162

blueshadow 發表於 2012-2-2 02:04 PM static/image/common/back.gif
天線的話其實就只是拿來感測輸出頻率, 這樣可以確保共振(驅動的頻率永遠都是收到的次級線圈打出來的頻率) ...

這要耗掉多少電？我供應反馳變壓器耗掉了約120W.......

blueshadow

forest162 發表於 2012-2-2 08:07 PM static/image/common/back.gif
這要耗掉多少電？我供應反馳變壓器耗掉了約120W.......

SSTC如果電路的架構是有天線或者其它感測方式做為回授的話就不需要算共振頻率, 也不用手動去調整
不過大致上知道比較好, 因為驅動電路的操作頻率有它的限制在 Power MOS 也不適合在太高頻操作

消耗上, 驅動電路部分不算的話, 我半橋是用110V市電全波整流去餵, 我記得量到有6~7A以上
peak值因為共振的關係可能有幾10A吧...而DRSSTC的peak有到幾百A....

forest162

blueshadow 發表於 2012-2-2 08:46 PM static/image/common/back.gif
SSTC如果電路的架構是有天線或者其它感測方式做為回授的話就不需要算共振頻率, 也不用手動去調整
不過大 ...

來玩這個東西還必須有足夠容量的電源........
昨天發生了一個慘劇，我的返馳變壓器驅動電路中的Power Mos因為過熱燒掉，變成短路，你知道返馳變壓器初級線圈很少，電阻非常低，電源是用電瓶，結果Power MOS冒出白煙.....拆起來看，上面一個小洞XD

forest162

blueshadow 發表於 2012-2-2 08:46 PM static/image/common/back.gif
SSTC如果電路的架構是有天線或者其它感測方式做為回授的話就不需要算共振頻率, 也不用手動去調整
不過大 ...

TC4420是什麼ic？

上網查了兩種有天線的SSTC電路：

forest162

blueshadow 大你應該是用第二種電路吧?!

我有空來玩玩看第一張電路...

blueshadow

forest162 發表於 2012-2-3 10:24 PM static/image/common/back.gif
blueshadow 大你應該是用第二種電路吧?!

我有空來玩玩看第一張電路...

TC4420是MOSFET Driver, 另外他那個圖上次級線圈接法是有問題的
不是直接跟驅動電路共地, 一樣要另外拉一條獨立的地, 不過這個功率很小如果直接走
家裡市電的地應該不會有太大問題....不過還是不要冒著傷害其它電器用品的風險

這個電路需要有個開關來起震...因為TC4420是非反相的driver, Power ON的時候IRFP460的初始狀態是turn off的(若是用TC4429這個反向的Driver...若天線沒辦法正確收到回授的情況下IRFP460會一直是turn on狀態...相當於短路到地)

TC4420可以換成UCC37322+Interrupter的結構, Interrupter本身就可以起到起震的作用(參考Mini SSTC的電路)

P.S. 第二張圖是比較舊的, 多了一個起震用的555(74HC14那邊), 因為Interrupter本身就可以起到起震的作用所以那個555可以拿掉. 最終版電路請參考 stevehv.4hv.org/SSTC5/miniSSTCfnlsch.JPG

blueshadow

forest162 發表於 2012-2-3 10:24 PM static/image/common/back.gif
blueshadow 大你應該是用第二種電路吧?!

我有空來玩玩看第一張電路...

第一個我也有玩過, 那個功率很小放電不是看得很清楚, 不過整個很迷你...呵呵
而且大概20公分遠左右就能感應點亮燈管, 還是滿不錯的

forest162

blueshadow 發表於 2012-2-3 10:48 PM static/image/common/back.gif
第一個我也有玩過, 那個功率很小放電不是看得很清楚, 不過整個很迷你...呵呵
而且大概20公分遠左右就能感 ...

那個power mos要加散熱片吧?!
第一張電路起震是按那個開關?

forest162

TC4420上網查怎麼都是8隻腳而已？