Der Teslagenerator
Dieses Projekt hatte ich schon lange vor der Minitesla begonnen, aber aus verschiedenen Gründen nicht fertigstellen können.
Die Fertigung der einzelnen Komponenten ist ziemlich aufwendig, sowohl zeitlich als auch finanziell.
Ursprünglich war so ein Generator mal zur drahtlosen Energieübertragung gedacht, aber hier geht es um andere Dinge.
Zu Anfang möchte ich darauf hinweisen, dass die hier verwendeten Spannungen und Ströme tödliche Folgen haben können.
Leuten ohne entsprechendes Fachwissen ist dringend von einem solchen Projekt abzuraten!!!
Funktionsprinzip
Primärseite:
Der Trafo hat die Aufgabe, die Netzspannung auf eine angemessene Spannung für die Primärspule des Teslagenerators anzuheben (hier ca. 30kV). Nach dem Einschalten wird der Kondensator C geladen, bei Erreichen der Zündspannung schlägt die Funkenstrecke F durch. Ein solcher Funken kann als niederohmige Verbindung betrachtet werden, somit bilden der Kondensator C und die Spule L3 einen Schwingkreis. Die Frequenz liegt in diesem Projekt bei etwa 100kHz. Die Drosseln L1 und L2 sollen die hochfrequenten Schwingungen vom Trafo fernhalten, zum Einen werden so Rückkopplungen ins Netz verringert und zum Anderen würden die Schwingungen durch den Trafo gedämpft werden.
Sekundärseite:
Auf den ersten Blick kann man den Schwingkreis nicht erkennen, aber er ist da!!!
Die Windungen der Spule L4 liegen dicht an dicht nebeneinander, und bilden so winzige Kapazitäten zwischen jeder Wicklung. In der Regel sind diese "Mini-Kondensatoren" unerwünscht und werden daher Parasitärkapazitäten genannt. Der obere Teil, auch Toroid genannt, ist im Prinzip auch eine Platte eines Kondensators. Das passende Gegenstück ist die Erde - fertig ist der LC Schwingkreis. Ziel ist es nun beide Schwingkreise auf die gleiche Frequenz abzustimmen.
Festzuhalten ist:
Ein Teslagenerator arbeitet nicht nur nach dem Transformatorprinzip. Durch die Anregung der Sekundärspule mit ihrer Resonanzfrequenz ergeben sich Spannungen, die allein mit den Transformatorformeln nicht zu erklären sind.
Gefahren beim Betrieb von Teslaspulen
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| Teslaspulen arbeiten in der Regel mit sehr hohen Spannungen | Teslaspulen erzeugen beim Betrieb UV-Licht | Teslaspulen erzeugen beim Betrieb Ozon | Teslaspulen erzeugen beim Betrieb Röntgenstrahlung | Teslaspulen erzeugen beim Betrieb elektromagnetische Felder |
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| Teslaspulen erreichen beim Betrieb sehr hohe Lautstärken | Durch die starken elektromagnetischen und elektrostatischen Felder, sollten sich Leute mit Herzschrittmachern von Teslaspulen fern halten | Durch die starken elektromagnetischen und elektrostatischen Felder, sollte man keine elektronischen Geräte in die Nähe von Teslaspulen bringen | Durch die starken elektromagnetischen und elektrostatischen Felder, sollte man keine Chipkarten oder andere Datenträger in die Nähe von Teslaspulen bringen |
Die Komponenten
Der Netztrafo:Der Trafo stammt ursprünglich aus einer kleinen Umspanneinrichtung von 15kV auf 100V(11A). Jetzt wird der Trafo "falsch" herum an 230V betrieben - natürlich wurde vorher getestet, ob die Isolation den erhöhten Anforderungen standhält. Im Betrieb kann der Trafo auf der Hochspannungsseite als kurzgeschlossen betrachtet werden, so würde ein riesiger Primärstrom fließen der auf jeden Fall durch einen Vorwiderstand zu begrenzen ist.
Der Hochlastvorwiderstand:
Der Vorwiderstand wurde aus vielen parallel und in reihe geschalteten Einzelwiderständen realisiert - die IP dürfte so ungefähr bei IP00 liegen.
Später fiel mir ein, dass es ein oder zwei Wasserkocher/Toaster auch getan hätten.
Die Netzdrosseln:
Die Funkenstrecke:
Auf vielen einschlägigen Seiten kann man lesen, dass eine Funkenstrecke mit mehreren kleinen Teilfunkenstrecken besser geeignet ist, als eine große Funkenstrecke. Die einzelnen Elektroden bestehen aus gedrehtem Edelstahl. Die Lüfter dienen weniger der Kühlung als zum schnelleren Löschen des entstehenden Lichtbogens. Als Faustformel gilt: Für jedes kV Eingangsspannung benötigt man 1mm Funkenstrecke. Bei 30kV sind also 3cm auf die einzelnen Funkenstrecken zu verteilen.
Die Primärspule:
Diese Spule wurde aus 16mm2 Draht hergestellt. Die Kopplung zwischen Primär- und Sekundärspule soll maximal 30% betragen, deshalb wurde die konische Form gewählt.
Der Hochspannungskondensator:
Dieser Kondensator ist Teil des Primärschwingkreises und muss natürlich die geforderte Spannungsfestigkeit besitzen, außerdem sollter er impulsfest sein. Aus Kostengründen wurde zunächst eine Version mit Leydener Flaschen ausprobiert. Um die geforderte Kapazität zu erreichen, wurden 24 dieser Flaschen parallel geschaltet. Die Spannungsfestigkeit lag allerdings nur bei ca. 5kV, also deutlich unter dem was hier benötigt wird.
Hochspannungskondensator 2:
Die zweite Version besteht aus 50 in reihe geschaltenen Folienkondensatoren, so addieren sich die Spannungsfestigkeiten. Zusätzlich ist zu jedem Kondensator ein so genannter Bleederwiderstand parallelgeschaltet. Jeweils 10 Kondensatoren sind auf einer Platine zusammengefasst. Aus Sicherheitsgründen wurden die Kondensatorplatinen in einem Plexiglasgehäuse untergebracht.
Die Sekundärspule:
Dieser Teil des Teslagenerators ist wohl mit Abstand am aufwendigsten in der Herstellung. Die Spule besteht aus einem Abflussrohr mit 1000 Windungen 0,8mm Draht. Damit die Windungen beim Bewickeln nicht verrutschen, werden sie mit doppelseitigem Klebeband fixiert. Später wurde die Spule noch mehrfach mit Klarlack überzogen.
Der Toroid:
Auch Topload genannt, ergänzt die fehlende Kapazität, um auf die Resonanzfrequenz zu kommen. Er besteht hier aus einem 200mm Aluminium-Flex-Schlauch der auf einer Schweißdrahttrommel befestigt wurde.
Der Rohbau:
Testlauf
Der erste Testlauf verlief nicht sehr erfolgreich. Gerade mal 30 bis 40cm Blitzlänge!!!Nach einigen Veränderungen am Vorwiderstand und an der Funkenstrecke waren es immerhin ca. 80cm.
Der Netztrafo liefert einfach einen zu niedrigen Sekundärstrom.
So beschloss ich den Teslagenerator auf Halbleiter umzubauen.
IGBT Umbau 
Der Plan:- gleichgerichteter Drehstrom ≈ 560V DC
- eine aus 4 Leistungs-IGBTs bestehende H-Brücke
- Einstellung der Erregerfrequenz über Rückkopplung
- in weiten Bereichen einstellbare PWM
- Fernsteuerung über Lichtwellenleiter
Die Hauptkomponenten:
IGBTs
diese Transistoren verdienen den Namen "Leistungstransistor"
max. 800A Dauerstrom und 1600A Impuls!!! max. Sperrspannung 1200V |
Dioden
Dioden für den B6U Gleichrichter
max. 100A Dauerstrom und 1500A Impuls!!! max. Sperrspannung 1200V |
Zwischenkreiskondensatoren
8 Stück á 1000μF, jeweils zwei Stück in Reihe = 2000μF
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Netzfilter
Um den Netzbetreiber nicht allzu sehr zu ärgern ;-)
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Aluminium
 insgesamt ca. 13Kg aus dem Hause Fischer
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Zwischenkreiskondensator
 Die Kondensatorbank Teil1
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 neue Platine für Folienkondensatorbank
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Da Elkos bekanntlich keine hohen Impulsströme abgeben können, werden die 50 "alten" Folienkondensatoren parallel zu den Elkos geschaltet.
Die Reihenschaltung aus dem oberen Projekt wurde in eine Parallelschaltung geändert. Aus Angst vor hohen Strömen wurden die Leiterflächen der Platinen etwas verstärkt. Somit ergibt sich eine Zwischenkreiskapazität von insgesammt 2050μF.
Steuerelektronik
Stromlaufplan |
Teil1
Strombegrenzung für den Einschaltmoment v1.0
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Im Einschaltmoment würde der noch entladene Zwischenkreiskondensator einen riesigen Strom fließen lassen. Daher wird dieser Strom über einen Widerstand zunächst begrenzt. Später, (so etwa nach 5 Tau ;-) ) wird der Widerstand mit einem Leistungsschütz überbrückt.
Man mag es kaum glauben, aber sowas geht tatsächlich auch ohne μC.
Die zeitbestimmenden Bauelemente sind hier C3 und die Widerstandskombination R1 mit R2.
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Teil2
Logikteil v1.6
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Die Logikplatine ist eine abgewandelte Version von dieser hier.
Die Änderungen sind aber eher unwesentlich:
- Leistungsteil weggelassen
- Gattertausch um ein einfaches Layout zu erreichen
- anderer LWL-Koppler (Toslink)
- zusätzlicher Schmitt-Trigger-Inverter hinter dem LWL-Koppler, da der hier verwendete invertiert arbeitet
- anderer OP mit angepasster Beschaltung
Die Platine hat die Aufgabe die Halbbrücken (aus Teil3) mit der Resonanzfrequenz des Teslagenerators anzuregen. Dazu wird eine Rückkopplung verwendet. Das HF-Signal kann dabei über den LWL-Eingang ein-/abgeschaltet, also moduliert werden. Zusätzlich wird der Strom in der Primärspule der Tesla überwacht und bei Bedarf abgeschaltet. Durch die Logikverknüpfungen ist es nicht möglich, dass beide Ausgänge zur selben Zeit aktiv sind.
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Logikplatine Oberseite |
Logikplatine Unterseite |
Teil3
Halbbrücke zur Ansteuerung der IGBTs v1.6d (es werden 4 Stück benötigt)
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Ursprünglich hatte ich vor die IGBTs, wie in anderen Projekten üblich, über GDTs anzusteuern.(siehe auch Mini-Tesla-Projekt)
Dabei galt es einen Kompromiss zwischen einer geringen Induktivität (niedrige Windungszahl und schöne Rechtecke) und dem Wirkungsgrad (höhere Windungszahl verschliffene Rechtecke) des GDTs zu finden. Trotz diverser Versuche habe ich diesen Kompromiss nicht gefunden.
So entstand die Variante mit einer Halbbrückenansteuerung für jeden IGBT.
Die galvanische Trennung, welche sonst im GDT realisiert wird, findet hier im Netztrafo der Treiberstufen statt. (jede Treiberstufe hat ihren eigenen Netztrafo).
Laut Hersteller ist das kein Problem für diese Transformatoren.
Schaltungsbeschreibung:
Die Schaltung ist als Verstärker der Signale der Logikplatine aus Teil 2 zu verstehen.
Im oberen Teil des Schaltplanes ist die Bereitstellung der verschiedenen Betriebsspannungen dargestellt.
Hier kommen drei Low-Drop Festspannungsregler zum Einsatz.
Der Optokoppler dient zur galvanischen Trennung von der Logikplatine.
(Eigentlich nur für die High-Side-IGBTs notwendig, aber der Einfachheit halber, auch für die beiden Low-Side-IGBTs in Verwendung.)
Beim IR2110 (FET-Treiber) ist es möglich die beiden FETs getrennt voneinander anzusteuern (über HIN und LIN).
Hier wird über die beiden XOR hinter dem Optokoppler ein laufzeitbereinigtes um 180° phasenverschobenes Rechtecksignal zur Verfügung gestellt.
Um den High-Side-FET dauerhaft durchschalten zu können, wurde der im Datenblatt des IR2110 stehende Applikationsvorschlag leicht modifiziert. An Stelle der Bootstrapschaltung wird jetzt ein DCDC-Wandler eingesetzt.
Da FETs die schlechte Angewohnheit haben schneller ein- als auszuschalten, wurde die Widerstands-/Diodenmimik zwischen IR2110 und den FETs geschaltet. Beim Abschalten der FETs kann ein höherer Gatestrom als beim Einschalten fließen.
Die Z-Dioden dienen zur Gate-Source Spannungsbegrenzung. (bei dieser Art der Ansteuerung eigentlich nicht notwendig, aber sicher ist sicher.)
D7 und D8 dienen zur Entlastung der internen Freilaufdioden der FETs (Verlustleistungsverringerung bzw. Verschiebung nach draußen).
Die vielen Widerstände am Ausgang der Schaltung sind die Gatewiderstände für die IGBTs.
Die oben beschriebende Korrektur der Ein-/Ausschaltzeiten für die IGBTs wird hier ohne Diode realisiert.
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Teil4
Fernbedienung v1.4
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Schaltungsbeschreibung:
Oben rechts ist die Spannungsstabilisierung zu sehen. Da die Fernbedienung über 4 Batterien/Akkus betrieben werden soll,
kommt eine so genannte SEPIC Schaltung zum Einsatz. (SEPIC =
S
ingle
E
nded
P
rimary
I
nductance
C
onverter)
Das bedeutet nichts anderes, als dass die Eingangsspannung des Schaltreglers sowohl größer, als auch kleiner der Ausgangsspannung sein darf.
Hier darf die Eingangsspannung zwischen 4 und 7Volt liegen. Die Ausgangsspannung bleibt stabil bei 5V.
z.B. minimale Spannung bei NiMH-Akkus -> Entladeschlussspannung ca. 1,0V -> 4V
z.B. maximale Spannung bei neuer alkaline Batterie 1,6V -> 6,4V
Das Herzstück der Schaltung bildet ein AtMega128. An diesen ist folgende Peripherie angeschlossen:
- 2 Stück Alps-Encoder mit Bargraph-Display mit jeweils 31 LEDs (EC11B1524B)
da die mitgelieferten Encoder einen sehr speziellen Achsdurchmesser besitzen, wurden diese ausgetauscht (durch STEC11B mit Taster) - LC-Display mit 4 Zeilen á 16 Zeichen (EAW164B-NLW)
- Spannungsteiler zur Batteriespannungsüberwachung (via internen ADC)
- Ausgang für Toslink LWL-Sender (TOTX173)
- akustischer Signalgeber
- ISP Schnittstelle
Er hat neben seinem ausgeklügelten Teilekopf, seiner CNC-Drehbank und vieler anderer Werkzeuge auch seine CNC-Fräsmaschine komplett selbst hergestellt.
Und was noch viel wichtiger ist, er kann ausgezeichnet damit umgehen. Egal ob es sich um Metall, Kunststoff, Holz oder sonstwas handelt.
Hier ein Link zu seiner Homepage: www.cnc-projects.de (im Moment leider offline)
In der Zwischenzeit hat er die Anlage noch weiter verbessert, jedoch noch keine Zeit gefunden die Änderungen online zu stellen:
- alle Achsen werden mit leistungsstarken Servomotoren angetrieben
- die Anlage besitzt eine Fräskabine
- die Arbeitsfläche besteht jetzt aus Metall (siehe auch das Foto unten)
- die 4. Achse ist noch in Arbeit ...
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Bild: © by Dieter Freind ich vermute, das Bild zeigt das Finden der Nullposition |
Bild: © by Dieter Freind saubere Fräskanten |
(ab hier habe ich wieder gearbeitet
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| für den Einbau vorbereitete Platine |
fertige Fernbedienung wie man sieht mit kleineren Drehknöpfen |
Software:
Bisher funktioniert Folgendes:
- Menüführung über LC-Display
- Anzeige der Betriebsparameter über die LED-Anzeigen
- Bedienung über Encoder mit integrierten Tastern
- Batteriespannungsanzeige
- Abschaltung der LCD-Hintergrundbeleuchtung nach 8 Sekunden ohne Eingabe
- regelbare PWM in Frequenz und Tastverhältnis
- monophone Musikwiedergabe mit regelbaren Geschindigkeiten und Tastverhälnissen (aber noch optimierbar)
Teil5
Sekundärspule v2.0
Da eine Halbleiteransteuerung der ersten Sekundärspule mit diesen IGBTs nicht möglich ist (zu hohe Resonanzfrequenz), musste eine neue Spule gewickelt werden. Dieses Mal kam ein 300mm Abflussrohr zum Einsatz. Der Draht hat einen Durchmesser von 0,4mm. Bei 3000 Windungen konnte ich mich durchringen, der Wickelmaschine ein Zählwerk zu spendieren. Die Platine dafür wurde aus einem anderen Projekt "ausgeborgt", so war lediglich die Firmware zu schreiben. Nachdem die Spule fertig gewickelt war, wurde sie noch mit einer Epoxidharzschicht überzogen. Dies soll sie unempfindlich gegen mechanische Beanspruchung machen und außerdem die Isolation verbessern.
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Die neue Wickelmaschine |
Zählwerk mit der Antwort |
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fertig gewickelt nach 6h, viel schneller als erwartet |
mit Epoxidschicht |
Teil6
Primärkondensator v2.0
Um die gewünschte Kapazität zu erreichen, werden in diesem Projekt mehrere kleinere Kondensatoren parallel und in Reihe geschaltet. Dabei ist es zu beachten, dass die vom Hersteller aufgedruckte Wechselspannungsfestgkeit für 50Hz gilt!!! Im Datenblatt ist ein entsprechendes Derating für höhere Frequenzen zu finden. Da hier, im Vergleich zur Netzspannung, mit relativ hohen Frequenzen gearbeitet wird, müssen die Kondensatoren impulsfest sein, also einen hohen ΔU/Δt Wert besitzen. So viel die Wahl auf FKP1 Kondensatoren der Firma Wima. Durch das oben angesprochene Derating werden immer 4 Kondensatoren in Reihe geschaltet. Der so entstandene String wird jeweils so oft parallel geschaltet, bis die gewünschte Kapazität erreicht ist. In diesem Projekt sind dafür zunächst 14 Platinen im so genannten Europakartenformat (100mm x 160mm) geplant. Die Platinen finden ihren Platz in einem Plexiglasgehäuse, für das mein Bekannter aus Dortmund die Einzelteile gefräst hat. Ich brauchte ihm lediglich die technischen Zeichnungen und natürlich das Material zu schicken.
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MMC Kondensatoren |
verklebtes Gehäuse mit Einschüben für die Platinen |
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fertiger Kondensator mit gemessenen 656nF |
Teil7
Rückkopplung
Über die Rückkopplung wird bestimmt wann die H-Brücke kommutieren soll. Wie man im Gesamt-Stromlaufplan (oben) erkennen kann, wird dazu ein Signal aus der Primärspule, und nicht wie man vielleicht zuerst erwarten würde, aus der Sekundärspule abgegriffen. Dies hat einen einfachen Grund. So wird, auch wenn die beiden Spulen noch nicht optimal aufeinander abgestimmt sind, nur geschaltet wenn der Strom durch die H-Brücke annähernd Null ist. Würde man zu einem anderen Zeitpunkt als den Nulldurchgängen schalten, entstünden immense Schaltverluste. Um mal eine Größenordnung zu nennen: bei einer Schaltfrequenz von 25kHz und IC = 800A wären im worst case etwa 7000W an Verlustleistung abzuführen. PTot jedes IGBTs liegt jedoch nur bei ca. 3500W, und das nur bei optimaler Kühlung!!! Sicher könnte man die Verlustleistung auch über das maximal zulässige Tastverhältnis in den Griff bekommen, aber während der Nulldurchgänge zu schalten ist am schonendsten für die IGBTs.
Die Überstromabschaltung wird ebenfalls über diese Art der Rückkopplung realisiert.
Dazu wird eine Leitung von der H-Brücke zur Primärspule durch einen Ferrit-Ring geführt. So entsteht ein Transformator mit nur einer Windung in der Primärwicklung. Die Anzahl der Sekundärwindungen ist zunächst auf 60 geplant. Diese Wicklung führt zu je einem weiteren Übertrager mit einem Wicklungsverhältnis von 1:33. So entsteht ein Übersetzungsverhältnis von ca. 1:2600, ohne insgesamt die 2600 Windungen gewickelt haben zu müssen.
Für die Überstromabschaltung wird das gewonnene Signal auf der Logikplatine gleichgerichtet, dabei spielen also die Windungsanfänge keine Rolle. Anders sieht es bei der Rückkopplung für die Kommutierung aus. Dort wird im ersten Teil der Feedback-Schaltung die Amplitude des Signals lediglich auf ca. +/-5V begrenzt. Im weiteren Verlauf der Gleichspannungsanteil gefiltert und die negative "Halbwelle" abgetrennt bzw. auf ca. -0,7V begrenzt. Die Polarität des Signals spielt also schon eine Rolle, wenn das ganze jetzt noch schwingen soll.
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Prototyp (später wurde ein anderer erster Übertrager verwendet) |
im Aluminiumkleid |
Teil8
Topload
Für den IGBT-Umbau musste eine neue Topload her, da der alte Toroid nicht die geforderte Kapazität aufweist. Nach einer Preisanfrage bei einer Firma in Dresden, welche sich professionell mit dem Thema Hoch- bzw. Höchstspannung auseinandersetzt, habe ich mich dann doch wieder für die preisgünstige Variante mit Alu-Flex-Schlauch entschieden. Der Preis für eine industriell gefertigte Elektrode, mit den geforderten Abmessungen, liegt laut Angebot zwischen 3000€ und 4000€. Als Trägermaterial kommen jetzt zwei Edelstahlbleche zum Einsatz. Diese sind im Abstand von ca. 200mm zueinander auf Schweißdrahttrommeln verschweißt. Der neue Flex-Schlauch hat einen Außendurchmesser von ca. 320mm. Der Außendurchmesser des Toroids liegt bei ca. 1,2m.
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Gestell für den Alu-Flex-Schlauch |
Teil9
Holzgestell
Um eine gewisse Beständigkeit gegen Wettereinflüsse zu erreichen, wurde das Holzgestell aus Siebdruckplatten hergestellt.
Da ich weder über die notwendigen Maschinen, noch über ein Geschick für Holzbearbeitung verfüge, hat mich ein guter Bekannter bei der Herstellung des Holzgestells tatkräftig unterstützt.
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Füße und Mittelteil |
Oberteil |
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zusammengebaut |
andere Seite |
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Detail: Stromsensor |
Zusammenbau der Endstufe
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bearbeitete Kupferschienen |
Einbau des Zwischenkreiskondensators und der Kupferschienen |
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Einbau MMC |
Einbau der IGBT-Treiberstufen |
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Einbau des Netzfilters, des B6U Gleichrichters, des Leistungsschützes und der Logikplatine |
Einbau der Einschaltstrombegrenzung und der Spanungsversorgung für die Logikplatine mit vorgeschaltetem Netzfilter |
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fertiger Verstärker |
und die andere Seite |
Bilder vom ersten Testaufbau
Die folgenden Bilder zeigen den Teslagenerator zum ersten Mal vollständig zusammengebaut. Die Erstinbetiebnahme erfolgte jedoch noch nicht mit voller Betriebsspannung. Im ersten Schritt betrug sie nur etwa 40Volt. Bei den Tests stellte sich heraus, dass die Primärspule nicht die zuvor berechnete Induktivität besitzt. (Soll: 69,7μH Ist: 50μH) Daher schwingt der primäre LC-Serienschwingkreis mit einer zu hohen Frequenz (ca.27,7kHz). Die Resonanzfrequenz der Sekundärspule liegt zwischen 22,5kHz und 23,5kHz. (Meine Messmethode war nicht die genaueste). Um das Problem zu lösen, gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder die Kapazität des Primärkondensators oder die Induktivität der Primärspule vergrößern. Eine Anpassung der Sekundärspule wäre theoretisch auch möglich, jedoch möchte ich die IGBTs nicht so hoch takten. Die Änderung des Primärkondensators wäre recht aufwändig, daher kommt nur eine neue Primärspule in Betracht.
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| fertiger Aufbau | fertiger Aufbau |