Fulminasuocera, ovvero: DRSSTC
Dual Resonant Solid State Tesla Coil
Ed eccoci qui finalmente a presentarvi il mio DRSSTC, vi consiglio per coloro che non ne avessero mai realizzato
uno di provare con la versione da tavolo che ho pubblicato su questa pagina: http://www.grix.it/viewer.php?
page=6014.
Descrizione
Salto la descrizione del trasformatore di tesla e del suo funzionamento in quanto citata nel precedente tesla
pubblicato ed inoltre già egregiamente spiegata da altri soci di grix.
Il circuito che vi presento è relativamente semplice il cuore del circuito è circoscritto ad un 74HC14, il circuito non
richiede un oscillatore che lavori alla medesima frequenza del secondario del tesla in quanto l’integrato citato viene
sfruttato per captare il segnale del secondario ed auto-sintonizzarsi con esso.
Schema a blocchi
Il Tesla si compone di più blocchi che in formato grafico si presentano in questo modo:
Attenzione !!!
I trasformatori di tesla sono dei generatori di alte tensioni ed alte frequenze, sconsiglio vivamente a chiunque sia
portatore di pacemaker, dosatori automatici di insulina, defibrillatori interni e qualsiasi altra apparecchiatura
salvavita a non realizzare questo tipo di apparecchiatura.
Nel caso voi non abbiate questo tipo di problema prestate particolare attenzione alle persone a voi esterne perchè
potrebbero essere portatrici di tali apparecchiature elettroniche, nel caso tenerle a debita distanza durante il
funzionamento del generatore.
Faccio questa importante premessa perchè i campi magnetici ad altra frequenza ed alta intensità provocano il
blocco delle apparecchiature elettroniche o peggio ancora la rottura o la perdita dei dati.
Power supply 12 Volt
Questa sezione è l'alimentazione in bassa tensione, trattasi semplicemente di un trasformatore, un ponte di diodi,
ed un condensatore... nulla di più ! (anche perchè non servono molti fronzoli)
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Tri-power switch
Nome un pò strano da dare ad un selettore di potenza a tre posizioni.
Trattasi di uno switch che viene pilotato da due segnali che a loro volta fanno chiudere il contatto del relè e
cortocircuitano la resistenza in parallelo ad esso. Il segnale giunge dalla sezione "Dual burst mode" che andrà
inserita in una scatoletta esterna con un cavo di adeguata lunghezza, da questo telecomando tramite un selettore
possiamo non dare nessun segnale alle basi dei transistor ottenendo l'inserimento delle 4 resistenze in serie
all'alimentazione, oppure comandando un relè alla volta possiamo escluderne una serie o entrambe le serie
ottenendo la piena tensione sul circuito di potenza.
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Filtro EMI
...non vorrete mica impestare la rete elettrica di disturbi EMI ??? Giammai... (ma fondamentalmente chi-se-nefrega)
Se volete aggiungere il filtro va posto tra il pulsante di accensione ed il circuito per la selezione della potenza come
indicato nel diagramma principale.
Il circuito serve ad abbattere i numerosi disturbi generati durante il funzionamento del tesla coil, sicuramente
abbatterete le EMI che possono tornare nella rete elettrica ma vi assicuro che le emissioni di RF e le sue
armoniche daranno dei seri problemi alla ricezione dei segnali audio-video nelle vicinanze.
Per quest'ultimo problema mi spiace ma la soluzione non c'è !
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Supply 230 Volt
Lo stadio di alimentazione a 230Volt non ha bisogno di molte presentazioni, il circuito è banalmente chiaro.
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Dual burst mode
La sezione Dual burst ci permette di variare il ciclo di funzionamento del Tesla coil, il circuito che vi presento può
essere applicato su qualsiasi tesla solid state o valvolare.
Il circuito si basa su tre oscillatori, un Ne555 che verrà utilizzato in due modalità ed un Ne556 che genererà una
sottofrequenza rispetto al duty-cicle primario. Il primo Ne555 viene utilizzato nella prima modalità per generare un
segnale di enable direttamente sugli UCC e questo ne causerà la generazione di una scarica con un elevato
quantitativo di corrente molto scenografica, mentre nella seconda modalità andrà ad abilitare una parte dell'Ne556
che si occupa della larghezza degli impulsi nella frequenza generata dall'altra sezione del 556, per capirci meglio è
necessario un piccolo disegnino...
Come vedete dal disegno l'uscita potrà essere variabile a piacimento entro gli intervalli definiti dai condensatori e
dalle resistenze di carica-scarica. E' quindi possibile variare il tempo di On-Off di funzionamento e all'interno di
questo il tempo di On-Off della sotto-frequenza e quindi nell'insieme la morfologia della scarica. Si avete capito
bene, la morfologia, non ho sbagliato a scrivere, più o meno ramificate, più o meno tozze e cariche di corrente, ma
sempre rumorosissime tanto che si rende necessario l'usio dei tappi per le orecchie se il vostro laboratorio non è
abbastanza grande.
Questo circuito l'ho racchiuso in una scatoletta esterna che ho schermato, il cavo di collegamento è ovviamente schermato e di
adeguata lunghezza da non rimanere vicini al tesla, inoltre nello schema è presente il selettore a tre posizioni il quale andrà a
pilotare la scheda nominata "Tri-power switch".
Questo schema è totalmente adattabile cambiando i valori di R e C basandosi sempre sul principio di funzionamento del 555,
nessun limite alla vostra fantasia.
Il deviatore invece permette le selezione di funzionamento come descritto sopra.
Se volete applicarlo ad un tesla valvolare basta inserire un mosfet o un IGBT con commutatore veloce separando una delle
griglie della valvola che vanno verso massa, altre configurazioni dipendono a seconda della tipologia di schema che avete
adottato nel vostro tesla valvolare.
(applicarlo ad un valvolare non c'è alcun gusto, funziona, ma è tropo semplice un valvolare, anche mia nonna li fa, quindi passate al lato oscuro degli stati
solidi)
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Stadio pilota
Questa sezione è quella vera a propria che permette al tesla di funzionare, ma per assurdo è anche la più
semplice !
In pratica altro non è che una porta logica 74HC14 e due UCC37321 & 321.
La porta logica capta il momento in cui avviene la scarica dal secondario funzionando da circuito inseguitore per
accordare la frequenza di funzionamento con quella del secondario stesso.
La presenza degli UCC è d'obligo in quanto i Max4420 e 4429 non dispongono del pin di disable, necessario per
questa tipologia di applicazione.
Sarebbe cmq possibile utilizzare i Max4420 e 4429 facendoli precedere da una porta logica che utilizzeremo per
fare transitare o meno il segnale che arriva dal 74HC14.
Nessuna nota critica sulla realizzazione del circuito a patto che venga poi schermato a che la sola antenna sia la
parte che fuoriesca dalla schermatura. Nel caso vogliate modificare il PCB a vostro piacimento o realizzarlo su
millefori tenete conto della geometria del circuito che ne potrebbe precludere il corretto funzionamento.
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Full bridge tesla coil
Eccoci alla parte più critica del circuito, lo stadio pilota, questo temibile avversario da affrontare a suon di colpi di
mazzetta da 5Kg... no scherzo, ovviamente !
Lo stadio pilota è una configurazione a ponte intero che utilizza degli IGBT veloci della IXYS, le caratteristiche sono
900Volt @ 25 Ampère di lavoro continuativo, se disponete di componenti più grosse potete permettervi di entrare
maggiormente in risonanza ed ottenere delle scariche ancora più lunghe.
Cominciamo a vedere il circuito e relativa descrizione:
Non sto a spiegare per filo e per segno tutte le componenti, parto dal presupposto che chi si vuole realizzare un
tesla è già abbastanza abile con l'elettronica.
A tutti gli IGBT sono stati posti dei diodi veloci in quanto quelli contenuti (nel caso il vostro modello ne
disponga) nella componente stessa hanno dei tempi di intervento troppo lenti ed il rischio è quello di vedere
esplodere un IGBT per un maledetto transitorio che poteva essere fugato con un banalissimo RURG30120. Molto
vicini agli IGBT vanno posti i condensatori da 680nF che fungono anche loro da protezione per i picchi di
estrantensione, la loro capacità deve essere scelta in base alla frequenza di lavoro in quanto una capacità troppo
elevata o esigua potrebbe essere dannosa o inutile durante la fase di commutazione dell'GBT.
La cosa più importante di questa sezione sono le dimensioni delle piste di rame e la vicinanza delle componenti per
ottenere un rendimento elevato evitando piste troppo lunghe o con sezione non adeguata. Nel mio esemplare
alcune piste le ho rivestire con lo stagno per saldare in modo da aumentarne la sezione.
Il trasformatore di gate è da realizzare con 10 spire di primario e 4 secondari da 20 spire ognuno, ricordatevi di
utilizzare dei fili di colore differente in modo da collegarli ai finali di potenza rispettando il verso che ho indicato con
un pallino rosso sullo schema. Se ovviamente non seguite la mia indicazione potrebbero avvenire 3 situazioni, la
prima è che funziona e quindi vi è andata di culo, la seconda è che non succede nulla perchè state accendendo
contemporaneamente i rami sul positivo o sul negativo contemporaneamente, terza ed ultima situazione, tutti gli
IGBT esplodono perchè state accendendo sia il ramo positivo che quello negativo contemporaneamente.
Ovviamente l'ultimo caso è il peggiore e vi garantisco che se non seguite alla lettera l'indicazione sul disegno vi
accorgerete di aver sbagliato appena infilate la spina. Unica accortezza, un paio di occhiali protettivi perchè un
mosfet che esplode proietta i suoi pezzi a velocità tali da farvi davvero del male.
Se notate bene alla base degli IGBT è stata inserita una resistenza con ai suoi capi un diodo in senso inverso al
tensione di Gate, la resistenza serve a limitare la corrente di carica del Gate dell'IGBT mentre il diodo serve a
scaricare la capacità di Gate il più veloce possibile. Senza quel diodo l'IGBT avrebbe un tempo di scarica tale per
cui rimarrebbe acceso quando l'altro ramo entra in conduzione provocando un cortocircuito, per aumentare la
velocità di scarica basterà porre un diodo che si farà carico di scaricare appunto la capacità del semiconduttore.
Nei mosfet non è necessario porre il diodo sul Gate, gli unici che soffrono di questo problema sono gli IGBT che
vanno accessi tanto velocemente quanto spenti.
Noterete che su uno dei due rami sono presenti 8 condensatori da 62nF 2Kv connessi serie-parallelo, questi
condensatori sono stati calcolati per risuonare con il primario ad una frequenza leggermente superiore a quella del
secondario.
Perchè devo calcolare i miei condensatori in modo da stare leggermente sopra alla frequenza di risonanza del
secondario ?
I condensatori sul primario durante la chiusura degli IGBT formano con il primario un circuito LC, se la frequenza di
lavoro del circuito primario risulterà esattamente quella del secondario durante il funzionamento si avranno delle
correnti con intensità tali da fare esplodere igli IGBT, questo per via del palleggiamento tra L e C durante i cicli di
chiusura dei semiconduttori. In nessuno dei casi, nemmeno quando si hanno a disposizione IGBT da 800 Ampère
si lavora centrati in frequenza.
In sostituzione degli IGBT da me utilizzati è possibile utilizzarne altri con caratteristiche superiori a patto che siano
del tipo veloce, verificate quest'ultima caratteristica perchè normalmente gli IGBT hanno frequenze di
funzionamento inferiori ai 40 Khz e poco di più in hard-switching, quindi inutilizzabili per questo progetto. In
sostituzione vanno bene anche mosfet come l'IRFP460 o simili tenendo conto che la tensione di
funzionamento massima tra Drain ed Source è inferiore.
La ferrite utilizzata per il trasformatore T1 è da 7uH / spira e misura 30 mm di circonferenza e 12 mm di larghezza,
il filo utilizzato per avvolgere primario e secondari è un cavetto rigido di tipo telefonico, i cavi sono tutti twistati tra
loro per aumentarne l'accoppiamento.
File in formato FidoCad e BMP per la stampa del PCB
Primario, secondario e toroide
Il primario è composto da 12 spire di filo elettrico da 2mm su un tubo in PVC di diametro 160 mm
Il secondario è stato avvolto su un tubo in PVC di diametro 100 mm e lungo 420 mm su cui è stato avvolto il filo da
0,18 mm fino a realizzare 2100 spire coprendo 380 mm del tubo, la risonanza del secondario è di circa 194 Khz.
La "capocchia" capacitiva è un tubo per cappa di scarico di alluminio di diametro 90 mm disposta a cerchio con
diametro esterno 28 cm.
Il la capacità toroidale è di circa 12pF e posta sul secondario da risuonare il trasformatore con una frquenza d'onda
di circa 113 Khz.
Power viewer sensor & Power viewer
La sezione del visualizzatore è stata inserita per monitorare visivamente l'assorbimento del tesla durante le varie
tipologie di funzionamento.
Regolando i potenziometri che gestiscono il duty-cicle e il burst mode si hanno alcuni punti in cui l'assorbimento
aumenta senza aumenti visibili sulla lunghezza delle scariche, questo circuito ci permette di mantenere un
assorbimento basso durante tutto il ciclo di funzionamento, ovviamente non è indispensabile in quanto se ben
realizzato la corrente massima che potrà assorbire potrà oscillare tra meno di 1 Ampère ed i 6 Ampère.
Non è indispensabile.... ma che ci volete fare, mi piaceva aggiungere un gadget da vero cinghiale !
Il circuito si basa su un elemento sensibile siglato LA-100 della Lem, disponevo di questo e questo ho utilizzato !
Trattasi di un sensore per il rilevamento della corrente che fornisce una tensione proporzionale alla corrente che
circola nel cavo posto al suo interno. Essendo che il modello LA-100 è stato realizzato per correnti di 100 Ampère o
effettuato 4 spire di filo attorno ad esso in modo da portarlo a 25 Ampère massimi di rilevamento.
Il segnale al di fuori del sensore giunge ad un integrato che gestisce 5 led, il classivo Vu-meter, nulla di più !
La taratura l'ho eseguita mettendo come carico che assorbisse 4 Ampère direttamente connessa alla 220V e
tarando il potenziometro in modo tale che si accendesse il 4° led.
La lettura non è ovviamente precisa ma serve solo a darci un'idea dell'assorbimento.
Un consiglio, non fate i fighi inserendo i classici voltmetri o amperometri da pannello digitali, l'alta frequenza li
manda in blocco e talvolta li frigge pure !!! ..al massimo vanno bene quelli a lancetta nel famigerato Old-Style.
File in formato FidoCad e BMP per la stampa del PCB
Filmati
Questi sono i filmati che trovate su youtube :
http://www.youtube.com/watch?v=9Ahr4Neqp_c
http://www.youtube.com/watch?v=JOPzaMpfGnk
Lunghezza delle scariche
La lunghezza delle scariche varia a seconda della modalità di funzionamento e della selezione sulla potenza che viene fatta,
inserendo o meno i resistori di limitazione, la lunghezza delle scariche varia da un minimo di 50 cm e la massima si attesta
sugli 80 cm di lunghezza il che equivale a qualche cosa come 800 Kv di cattiveria.
Foto della realizzazione
Foto delle scariche
Note importanti
Molti di coloro che vedranno questo progetto penseranno che sia molto semplice da realizzare, ancor di più avendo
già la pappa pronta e servita con schemi e PCB, purtroppo non è così, se non avete la benchè minima esperienza
nel campo vi sconsiglio di realizzarlo perchè nella migliore delle ipotesi vi troverete ad abbandonare il progetto solo
perchè non riuscite a capire dove sta il vostro errore e purtroppo tutto questo per via del fatto che non disponete di
un oscilloscopio.
Molte delle persone che conosco ci hanno provato a cimentarsi nei tesla coil con risultati deludenti tanto da
considerare i solid state delle "brutte bestie". Non ci sono riusciti loro che disponevano di attrezzature ben oltre al
semplice oscilloscopio, figuriamoci di chi nemmeno ha quello.
Questa nota l'ho voluta inserire non per scoraggiarvi ma per indicarvi che se volete realizzare questo allora vi
conviene fare un minimo di esperienza con quello da me pubblicato su grix all'indirizzo :
http://www.grix.it/viewer.php?page=6014
Credo che abbiate capito che non è un giochetto su cui scherzarci ed ovviamente se vi fate del male non venite a
frignare da me. Però... se decidete di folgorare la suocera almeno prima toglietevi lo sfizzio di ficcarla di schiaffi !!!
Al massimo lo potete accendere in giardino in estate e vedere le zanzare che si friggono tra le scariche.
Buone scariche a tutti !!!
Davide F. Tatopower
