Teslův transformátor

Vysoké napětí mě fascinovalo už dlouhou dobu, začal jsem experimentovat s vysokonapěťovým transformátorem z televize, ale pořád to nebylo ono. O Teslově transformátoru jsem se poprvé dozvěděl asi před čtyřmi lety ve hře Red Alert 2, kde to bleskem smažilo vojáčky (byla to docela sranda :-). Nepředpokládal jsem, že by to mohlo fungovat i v realitě, ale světe div se ono to existuje a funguje velice dobře. O teorii a historii si přečtěte na stránkách http://www.volny.cz/rayer/ (http://rayer.ic.cz/) a http://www.elektronika.kvalitne.cz/, podle mě jsou to nejlepší české stránky o tomto zařízení. Vysoké vysokofrekvenční napětí má velmi zvláštní vlastnosti. Dokáže rozsvěcet zářivky a jiné plynem plněné trubice na vzdálenost 2m (s mým teslákem). Nepraští člověka, ale velmi nepříjemně popálí, kůže černá a smrdí jak spálený vlasy. Klidně táhnu oblouk neizolovaným drátem, ale pozor, nesmíte se dotknout žádného uzemněného předmětu, v lepším případě se jen spálíte. Výboje také ve vzduchu vytváří ozón a oxidy dusíku.  

Napětí jde přes malý poddimenzovaný síťový filtr na 6A(je div, že se ještě neroztavil) do autotransformátoru. Má výkon zhruba 1kVA a napětí se dá regulovat od 0V do 220V po deseti voltech. Je asi 50 let starý, ale na ten věk vypadá ještě dobře :-) Sice jsem už postavil fázový regulátor, ale bez filtru mezi ním a teslákem by to asi ten triak moc dlouho nevydržel. Napětí je usměrněno diodovým můstkem na 25A/600V a ještě před ním je několik diod, kterými zkratováním přepínám mezi napájením jednou a dvěma půlvlnami. Napájení elektroniky jsem vyřešil spínaným zdrojem od notebooku. K tomuto účelu je jako stvořený. Napětí 19V a proud 1,8A zcela postačují, ale nejlepší je proudová pojistka, bez které bych vše alespoň stokrát usmažil. Třemi stabilizátory vytvářím napětí 5V pro veškerou elektroniku, 12V pro větráčky, jsou celkem čtyři a 18V pro buzení koncových tranzistorů.

Zapojení mého tesláku vychází hlavně ze stránek uvedených výše a je tam samozřejmě trocha improvizace, spíš hodně. Je to klasický plný most se čtyřmi výkonovými MOSFETy IRFP460 (International Rectifier) namontovanými na brutálním chladiči vážícím přes půl kila a ofukovaným dvěma 8cm větráčky, ale i tak se to nedá pouštět moc dlouho. Výkonová část je takový kompaktní celek a nějak neplánuji dát ji do krabičky. Řídící část je rozkouskována na několik modulů: zdroj signálu, čítač (nepoužívejte čítače s LCD displejem, nedávno jsem si ho téměř oddělal VF rušením, které vydává teslák a jsem rád, že na něm ještě něco přečtu při plném kontrastu), zpožďovací obvod (dead time control) a budiče. Toto musí být  ve stíněné krabičce vůli výše zmíněnému rušení. Bez stínění to začalo po chvíli chrchlat, pak cvaknul jistič a jeden pár tranzistorů byl v háji. Zdrojem signálu je obvod CD4046, signál je veden přes zpožďovací obvod (kvůli rozdílným dobám sepnutí a vypnutí tranzistorů) do dvou budičů TC4421 a dvou budičů TC4422 (Microchip), jediný rozdíl mezi nimi je vnitřní invertor u typu TC4421. Pak jde konečně signál přes oddělovací transformátory do gejtů čtyř výkonových MOSFETů IRFP460 a odtud přes rezonanční kondík přímo k primáru.

Důkladné chlazení je nezbytné. Toto všechno jsem odpálil asi za půl roku :-(

Primární cívka je navinuta na PVC trubce délky 30cm a průměru 16cm. Vinutí je roztaženo na 16cm a navinuto měděným drátem o průměru 1,5mm. Roztažení má výhodu v nižším příkonu, ale bohužel to chce lepší izolaci. Vrchní závit jsem kvůli přeskokům oblepil kaptonovou páskou z GME a nad něj přilepil plastový kruh. Vymyslel jsem takovou malou vychytávku, je velmi složité dosáhnout stejných mezer mezi závity, a proto jsem po obvodu nalepil kuličkové stahovací pásky a závity kladl ob kuličku. Určitě se to někomu bude hodit.

  Průraz tavného lepidla, nejlepší by byl silikon

Sekundární cívka je navinuta na PVC trubce délky 50cm a průměru 11cm samotné vinutí má 47cm. Cívka má přibližně 2200 závitů, asi 750m drátu. Je silný 0,25mm, koupil jsem ho rovnou celou špuli. Ještě mi několik kilometrů zbylo, alespoň mám zásobu na několik tesláků. Sestavil jsem improvizovanou navíječku. Do konců trubky jsem nacpal dvě PET láhve od Coly, Na jedné straně jsem láhev upevnil do vrtačky šroubem zašroubovaným ve víčku a na druhé straně jsem udělal to samé a celou "konstrukci" vypodložil telefonními seznamy. Vrtačku jsem reguloval autotrafem. Navíjení mi trvalo asi tři hodiny. Zakončil jsem to klasickými přístrojovými zdířkami. Do sekundáru by se díry vrtat neměly, ale zatím jsem s tím neměl žádný problém. 

   

Toroid, úplně jsem na něj zapomněl.  Svou kapacitou snižuje kmitočet sekundáru, zvětšuje délku výbojů a to v mém případě až na 45cm. Při frekvenci 112kHz, půl vlnném usměrnění bere 10A. Obou vlnné jsem s toroidem ani nezkoušel, protože bych ze sítě 20A nevymáčkl a ty tranzistory by se upekly okamžitě. Toroid jsem vyrobil z 1m dlouhé odvětrávací trubky stočené do kruhu a slepené tavnou pistolí. Koupil jsem ji v Baumaxu asi za 400Kč, není to moc levné, ale je mnohem lepší, než polystyrenový věnec polepený hliníkovou páskou. A tady jsem vymyslel další vychytávku. Toroid jsem upevnil na primár konstrukcí připomínající trojnožku. Jemně jsem odizolované dráty vmáčknul mezi žebrování toroidu. Teslák s toroidem určitě vypadá ví cool :-) Viz foto.

14.října 2005 - Dnes se mi stala velice zvláštní věc. Večer jsem si místo televize pustil teslák, ale výboje 30cm se mi zdály malé. Tak jsem vzal po dlouhé době toroid, nastavil frekvenci na 112kHz a zapnul jsem to. Samozřejmě při půlvlnném usměrnění. Nějakou dobu jsem se kochal krásnými 45cm dlouhými výboji. Poté byl v pokoji kyselý smrad, ten jsem za půl hodiny vyvětral, ale zůstal tam zvláštně kovový zápach (něco jako když žmouláte v ruce železný hřebík). Koukám po zdroji, nejdříve jsem zkontroloval svěrák (poslední dobou nějak rychle rezaví). V neblahé předtuše se otočím a vidím, že žehlící prkno, které původně mělo chromovanou konstrukci, je matné a pokryté bílým povlakem. Máma se zhrozila, že se rozpouští a tak jsem alespoň otřel tu vrstvičku dusičnanu. Už vypadá mnohem lépe, ale po chromování není ani památky. Jak se zdá, plyny vznikající vysokonapěťovým výbojem, hlavně oxidy dusíku a ozón, jsou velmi korozivní. Proto doporučuji schovat všechny kovové předměty, hodně větrat a pokud možno vůbec nedýchat :-)

   

20.listopadu 2005 - Podařilo se mi získat několik kusů obvodů UCC27321 a UCC27322 od Texas instruments, což jsou velmi rychlé gatedrivery. S nadšením jsem je připojil k oscilátoru, ale žádné jiskření se nekonalo. Obvody děsně hřály a dělalo to divný zvuky. Tak jsem je na nějakou dobu zavrhl. Připojil jsem zpátky staré budiče, zpožďovací obvod a zapnul. Jelikož jsem si oddělal displej u čítače, jel jsem naslepo a ouha. Nic se neděje a občas jiskřička. Několik dní jsem se s tím mořil a dospěl k závěru, že musím udělat nový oscilátor. Koupil jsem tedy v GMe součástky, nový LCD a stolní lampu s lupou, protože jsem pod tou malou lampičkou začínal slepnout :) Snažil jsem se ho udělat co nejuniverzálnější. Je to klasika s obvodem CD4046, použil dva 25ti otáčkové trimry (1M), dva menší trimry mají 10k a dolaďují konce rozsahu, kondenzátor volím DIP spínači. Jsou na výběr hodnoty 33p, 39p, 47p a 1n. Schéma tu jednou také bude. Nastavil jsem ho na rozsah 80kHz až 170kHz s použitím reinkarnovaného čítače. Díky funkčnímu čítači jsem zjistil, že chyba byla na jednom trimru u zpožďovacího obvodu, který neměl kontakt :-( V nejbližší době zkusím znovu použít ty UCC.

Destička s obvody UCC

Původní nevyhovující oscilátor

Nový oscilátor 

 

26.března 2006 - Teslák zatím pracuje vcelku bezchybně akorát jsem zase odpálil 2 páry tranzistorů při honbě za většími výboji. Teď jsem byl týden na lyžáku (ano, studuji prvním ročníkem na jisté nejmenované střední průmyslové škole sdělovací techniky :-)) a po příjezdu na mě čekalo milé překvapení. Při prohlížení novinek na stránkách Microchipu, jsem objevil úplně nový typ gatedriverů TC4451 a TC4452, okamžitě jsem objednal několik kusů v pouzdře TO220. Těmito obvody se Microchip  v oblasti výkonových MOSFET driverů dost pochlapil, protože při srovnání se staršími typy došlo k dramatickému zvýšení rychlosti. Zatím byly nejrychlejší obvody UCC(od TI), se kterými jsem měl pouze špatné zkušenosti a doposud mi nejvíce vyhovovala dvojice TC4421/2. Jsem na nové obvody velmi zvědavý a už se na ně těším, měly by přijít do tří týdnů.

Srovnávací tabulka nejpoužívanějších typů

Typ Ip tR/tF - 10nF Vdd
MAX5048 7,2A 82ns 4V - 12,6V
UCC27321/2 9A 20ns 4V - 15V
TC4421/2 9A 60ns 4,5V - 18V
TC4451/2 13A 21ns 4,5V - 18V

22.dubna 2006 - Jak se zdá, pošta z Thajska putuje hodně dlouho a tak jsem si čekání na nové gatedrivery zkrátil přestavbou síťové části. Tak teď k popisu zapojení, protože se mi nechce kreslit schémata, ale dal jsem si to jako předsevzetí :)) Napětí ze sítě nejprve prochází poddimenzovaným filtrem na 6A v konektoru přes hlavní vypínač, který je z bezpečnostních důvodů na klíč(kvůli bratrovi a jiným lidem s nenechavýma rukama). Dále je zde několik diod, které se dají přemostit vypínačem a kterými se přepíná mezi jednocestným a dvojcestným usměrněním. Za diodami je triakový regulátor s obvodem U2006b a usměrňovací můstek 250V/25A na menším chladiči. Dále bočník sovětského ampérmetru do 20A, "menší" vyhlazovací kondenzátorová baterie, celkem 6 kondenzátorů s celkovou kapacitou 1600uF do 400V. Pak koncový vypínač a další filtr složený ze dvou kondenzátorů 470nF X2 a dvojité tlumivky 2x1,6mH/10A. Vše jsem dal do krabičky od ATX zdroje. Pak jsem ještě udělal menší plastickou operaci na krabičce budiče. Displej je nyní přišroubovaný čtyřmi distančními sloupky a elektronika čítače je uložena uvnitř.

Nejprve montáž ovládacích prvků...

...a pak ostatní elektronika.