Il progetto utilizza una Bobina di Tesla allo stato Solido (SSTC) per riprodurre musica, sfruttando le onde sonore prodotte dalle scintille generate dal trasformatore ad alta tensione dell’SSTC controllato da Arduino per la generazione della melodia.
Introduzione
Una bobina di tesla è un trasformatore a nucleo in aria capace di generare tensioni estremamente alte. Il concetto chiave di una bobina di tesla è la sua proprietà risonante: un circuito RLC (resistenza, induttanza, condensatore) è attivato alla sua frequenza di risonanza, producendo elevati voltaggi.
Una bobina di Tesla consiste in due avvolgimenti concentrici che non sono elettronicamente connessi fra loro. L’avvolgimento primario di solito consiste in un paio di giri di filo, e ha una forma a spirale.
Questo avvolgimento è di solito connesso a un condensatore, formando il circuito LC (induttanza-condensatore) primario.
Il circuito secondario consiste in un lungo avvolgimento di filo, spesso con centinaia o migliaia di giri avvolti su un tubo, piazzato concentricamente in mezzo all’avvolgimento primario.
E’ necessario creare un circuito capace di accendere l’avvolgimento secondario alla sua frequenza di risonanza.
Funzionamento
Una SSTC (Solid State Tesla Coil) è un semplice amplificatore di potenza che comanda l’avvolgimento primario alla frequenza di risonanza dell’avvolgimento secondario. L’avvolgimento secondario è una bobina di filo conduttore, di cui un capo è messo a terra e l’altro è connesso a un toroide metallico.
Il toroide fornisce una capacità al secondario, la sua forma a ciambella aiuta a controllare il campo elettro-magnetico. (anche la forma sferica è molto utilizzata). La capacità del toroide (di solito nell’ordine dei pF) e l’avvolgimento secondario in serie formano un circuito LC con una frequenza di risonanza pari a:
I valori di L e C determinano anche il fattore Q del sistema (quanto può essere stretto il picco di risonanza).
Si può pensare alla frequenza di risonanza come ad un’altalena che deve oscillare con un certo ritmo. Il nostro scopo è quello di trovare un modo di pilotare l’avvolgimento primario alla frequenza di risonanza del secondario.
Per farlo accendiamo e spegniamo l’avvolgimento primario alla frequenza di risonanza del secondario. Creiamo un’onda quadra ad alta tensione che attraversa il primario usando un circuito inverter. Questo circuito ha due forme principali: half bridge o full bridge.
La corrente alternata a tensione 220 V viene fatta passare da due trasformatori per renderla 120V e poi rettificata e immagazzinata in un condensatore (di solito di centinaia o migliaia di uF) e il circuito inverter crea un’onda quadra in corrente alternata che attraversa l’avvolgimento primario.
Il risultato è un’onda sinusoidale sul primario, dato che sta venendo pilotato alla sua frequenza risonante.
Per fornire la corretta frequenza di risonanza al secondario si può usare on oscillatore o, come nel nostro caso, può essere presa dal circuito stesso tramite un trasformatore di feedback.
Nota: Una DRSSTC si differenzia per l’aggiunta di un condensatore tank primario in serie all’avvolgimento primario. Lo scopo in questo caso è quello di pilotare alla frequenza di risonanza non solo il secondario, ma anche il primario a quella stessa frequenza. Quando l’inverter accende e spegne il primario la corrente rimane sinusoidale, ma in continua crescita. Inoltre, grazie alla risonanza cresce anche la tensione cresce da quella di linea fino a qualche kV. Questo dà al primario un’impedenza che si associa meglio al circuito secondario. La corrente può salire fino ad alcune centinaia (o migliaia) di Ampere. Per via di questa seconda resonanza queste varianti di SSTC sono chiamate “a doppia risonanza” ed hanno in output scintille più lunghe.
Quando il secondario è pilotato alla frequenza di risonanza si sviluppa una forte tensione, cosi come un’altalena comincia ad oscillare sempre di più, la tensione diventa sempre maggiore ed eventualmente raggiunge il toroide, ionizzando l’aria circostante e producendo scintille.
Parti di una SSTC
Ci sono tre parti principali nel sistema:
1 – Il controllo logico a bassa tensione e il gate driver. Questa parte crea il segnale per pilotare l’inverter (half o full bridge) tramite un trasformatore di feedback.
Si genera la corretta frequenza tramite l’avvolgimento di feedback e si crea il segnale appropriato per pilotare i transistor nel circuito inverter.
2 – Il circuito invertente che pilota l’avvolgimento primario. Questo circuito gestisce le grandi correnti ed il sistema di rettificazione (dalla presa di corrente al condensatore) e contiene dei transistor di potenza. Di solito si usano dei MOSFET o degli IGBT.
3 – L’avvolgimento secondario, che consiste solo nel toroide e nell’avvolgimento, elettronicamente separato dal resto.
4 – L’interrupter. Pilotare il circuito in maniera continua è molto dispendioso in termini di energia quindi si usa l’interrupter per decidere la durata e la frequenza dell’accensione.
Fare Musica con la SSTC
Con l’interrupter possiamo pilotare la SSTC in diversi modi. Per esempio accenderla a 200Hz con un duty cycle del 10% e quindi accenderla per 500 us, 200 volte al secondo. Ogni frequenza produce una scintilla ed un suono diverso. In questo caso abbiamo una nota a 200Hz (piuttosto acuta). Si può variare la frequenza e produrre note differenti (come nella modulazione FM).
Un altro metodo è quello di far funzionare la SSTC in modalità continua (senza interrupter e quindi sempre accesa), ma modulando il voltaggio in ingresso all’inverter con l’inviluppo del segnale musicale (come nella modulazione AM). Ciò permette una fedeltà del suono maggiore, perché la scintilla cresce a seconda della potenza in input creando onde di pressione nell’aria che si traducono in musica.
Nel nostro caso era controllato da un segnale generato da Arduino che riproduce una melodia (Ufo Robot .-) inviata all’ingresso dell’interrupter.
Programma Arduino
Analisi componenti
Inverter di potenza
Lo scopo dell’inverter è produrre un’onda quadra AC attraverso il primario.
Alimentatore di potenza
L’alimentatore di potenza, come spiegato dal nome stesso, fornisce potenza all’ingresso dell’inverter. Questo ingresso è solitamente corrente alternata rettificata dall’impianto elettrico, che può essere immagazzinata in un condensatore elettrolitico di grandi dimensioni. Durante lo switching, l’inverter trae potenza dal condensatore (da diverse decine a diverse centinaia di Ampere, durante la breve durata dell’on-time), e la manda al primario. Il condensatore è fondamentale per supportare questo grande assorbimento di corrente. In più, non vogliamo che la tensione cali troppo durante la pulsazione, perciò utilizziamo un condensatore di grandi dimensioni. In questo caso ne è stato utilizzato uno da 1000uF. Per bobine di dimensioni inferiori bastano poche centinaia di uF.
Per assecondare il progetto originale e isolare il dispositivo dall’impianto elettrico, in ingresso abbiamo 120VAC. Dopo la rettificazione, si otterrà intorno ai 170 VDC, che fornirebbero +-85V in una configurazione half-bridge. Però, fornire al primario tensioni più alte permette di ottenere scariche elettriche di maggior dimensione. Per incrementare la tensione fornita dall’ alimentatore, è stato impiegato un semplice duplicatore di tensione, che produce 120V * 2 * (√2) VDC (intorno ai 340VDC). Ciò viene fornito a due condensatori (in serie) da 250V 1000uF, formando una capacità di 500V 500uF (caricato a 340VDC). è importante aggiungere resistenze di dissipazione in parallelo ai condensatori per rendere il dispositivo più sicuro. Resistenze da 100k dovrebbero essere adatte.
Configurazione
Esistono due tipi di layout per l’inverter: half-bridge o full-bridge.
Il vantaggio principale dell’half-bridge è la semplicità e il minor numero di componenti. Ma il vantaggio di un full-bridge è il doppio della tensione attraverso il primario e perciò più potenza. In questa dispositivo è stato scelto un haf-bridge per semplicità e compattezza, ma può essere facilmente esteso ad un full-bridge. Dato che il duplicatore di tensione rende l’alimentazione 340 VDC, sul primario ci sono +-170V.
È importante notare che il bridge è ideato per minimizzare le induttanze parassite. Ciò si ottiene avvicinando piste e fili il più possibile. Visto che correnti gargantuesche attraverseranno il bridge, lo switching potrebbe causare enormi picchi di tensione se l’induttanza è troppo alta.
Per risolvere il problema, è necessario mantenere i condensatori di alimentazione il più vicini possibile ai transistor, e fare in modo che questi ultimi siano muniti di dissipatori di potenza.
Sarebbe buona norma utilizzare condensatori di soppressione per gli IGBT, per fare in modo che essi assorbano eventuali picchi di tensione, ma data la bassa induttanza del bridge sono stati omessi.
Transistors
Tradizionalmente, gli SSTC sono alimentati da MOSFET (Metal Oxide Field-Effect Transistor) al posto di comuni transistor bipolari. In un normale transistor bipolare, una piccola corrente di base pilota una corrente emettitore-collettore ben maggiore. E così i BJT sono transistor guidati dalla corrente. Però, in un’operazione SSTC dove vengono gestite correnti di diverse decine o centinaia di Ampere ad alte frequenze, serviranno correnti proporzionalmente alte (da 0.1 a 1 A) per gestire il transistor, rendendo il tutto molto complicato.
Un MOSFET è un dispositivo pilotato dalla tensione, dove una bassa tensione di gate gestisce un’alta corrente di drain-source. Sono dei validi switch grazie a alle resistenze elevate da spenti e basse da accesi che richiedono correnti di piccole dimensioni per l’attivazione (basta scaricare un piccolo condensatore nel gate per attivarlo). La loro elevata velocità di switch è ideale per gli SSTC. I MOSFET però sono più costosi e più suscettibili a elettricità statica.
Di recente, la richiesta di elettronica basata sulla potenza ha favorito l’ascesa di un nuovo tipo di transistor, l’Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), che combina le semplici caratteristiche gate-drive dei MOSFET con le alte correnti e basse tensioni di saturazione dei BJT. In più, nei MOSFET il calo di tensione è simile a quello delle resistenze, quindi la potenza dissipata aumenta con l^2R – molto elevata in switching di correnti alte. Gli IGBT però, possiedono cali di tensioni costanti come quelli dei diodi (aumenta con la corrente), le potenze dissipate sono significativamente più basse. Perciò, mentre i MOSFET sono ottimi per switching ad alta frequenza con correnti basse, gli IGBT sono meglio per switching a bassa frequenza e correnti elevate, rendendoli ottime scelte per le bobine di tesla.
Osservazioni sul transistor HGTG30N60A4D
Osservando il datasheet del 30N60, si nota che sono progettati per operazioni da 18A a 200kHz (390V). Se si va a vedere il Current Rise Time/Delay Time/Fall Time ecc., il totale fa 225ns. Generalmente è consigliato mantenere un duty cycle del 10%. Dato che il transistor deve eseguire uno switch ogni mezzo ciclo, otteniamo una frequenza massima intorno ai 222kHz. Per un’operazione affidabile, bisognerebbe tentare di rimanere intorno o al di sotto di questa frequenza sui 18A specificati precedentemente. Nota: Molte bobine in tesla utilizzano i propri transistor a frequenze maggiori. Per esempio, il famoso IRGP50B60 generalmente opera intorno ad una frequenza minore di 276kHz, ma molti li utilizzano addirittura a 300A a 400kHz. Ciò però ne riduce l’affidabilità.
Infatti il progetto ha una frequenza di risonanza di 250kHz. Lo scarto non è eccessivo.
Infine, i 30N60 hanno un valore massimo di corrente pulsante di 240A, Ottimo per l’applicazione in un progetto simile.
Driver dell’Inverter
Con l’inverter ultimato, è necessario trovare il modo per accenderli e spegnerli correttamente. Qui entra in gioco il driver. Il suo scopo è quello di switchare l’inverter alla frequenza corretta per poter ottenere la risonanza. Inoltre, deve essere abbastanza potente da caricare velocemente i gate degli IGBT.
Drive Gate
Pilotare i gate di questi transistor richiede un gate driver molto potente che possa alimentarli con una corrente sostanziosa. Pensiamo al gate come se fosse un condensatore che deve caricarsi prima di switchare. Il gate deve attivarsi il più velocemente possibile. Fortunatamente, ci sono dei MOSFET gate-drive speciali che svolgono tutto il lavoro. I più comuni sono l’UCC27321 e l’UCC27322. Sono driver con singoli canali invertenti e non-invertenti, con una capacità di drive di 9A e un pin enable. Il pin enable è importante perché permette di controllare il driver in maniera semplice tramite l’interrupter. Perciò, le bobine in tesla utilizzano di solito degli UCC2732x insieme per creare un segnale +- Vcc (si solito 12V o maggiore) per pilotare i gate.
E’ stato utilizzato un UCC27425 che combina un driver invertente ed uno non invertente tutto in un chip da 8 pin. Il tutto con un enable proprio. Lo svantaggio è la potenza inferiore (4A), ma va bene per una tesla di piccole dimensioni.
Isolamento del Driver
Per pilotare i transistor non si può semplicemente collegare l’output del driver agli IGBT. Devono essere isolati elettricamente l’uno dagli altri. Esistono due opzioni: un driver dedicato per ogni IGBT connessi via opto-isolatori oppure un piccolo gate drive transformer. I vantaggi degli opto-isolatori sono un controllo preciso e interferenza del segnale minima, ma lo schema è complesso e richiedono componenti in più. Il GDT d’altro canto, è molto più semplice da implementare, produce buoni risultati ed è significativamente più economico. Nota: i GDT possono essere applicati solo in alcuni casi (non possono essere accesi o spenti per periodi estesi di tempo come gli opto-isolatori).
E’ necessaria una particolare attenzione quando si crea il proprio GDT. Deve essere avvolto in un nucleo di ferrite adatto e isolato correttamente. Il miglior modo per vedere se il nucleo è adatto è avvolgerlo un po’ di volte, connetterne un’estremità ad un generatore di funzioni (onda quadra) alla frequenza prestabilita, e misurare l’uscita con un oscilloscopio e assicurarsi che il segnale sia più o meno un’onda quadra. Dev’essere un nucleo di ferrite adatto (niente nuclei di ferro), e l’unico modo per esserne sicuri è fare il test con l’oscilloscopio.
In questo caso il primario del GDT è pilotato a +-12V. Però, per attivare i gate degli IGBT il più velocemente possibile, è necessario pilotarli ad una tensione maggiore di 18V. Perciò, il primario del GDT in progetto possiede 8 spire e i secondari 12 per ottenere un incremento di 1,5V. Test l’oscilloscopio dimostrano che funziona.
Per proteggere i gate, è consigliabile aggiungere dei diodi zener/TVS da 22 o 33V paralleli al gate e al source per proteggerli da eventuali picchi di tensione. In questo caso sono stati omessi.
Generatore di Frequenza
Il generatore di frequenza pilota la frequenza del primario e deve essere in grado di essere regolato per funzionare alla frequenza di risonanza del secondario. Il modo più ovvio per farlo è utilizzare un generatore di frequenza esterno. Però è molto inefficiente. Quando si produce una scarica a capo del secondario, esso ha una capacità propria e ciò riduce la frequenza di risonanza complessiva del circuito. Ciò rende “stonata” la bobina di Tesla, impedendo la produzione di scariche elettriche.
Un semplice metodo consiste nell’utilizzo di un filo verticale posto a qualche centimetro dalla bobina, lungo circa 15cm. Esso agisce da antenna, ricevendo piccole correnti sinusoidali. Usando diodi schottky (diodi a bassa caduta di tensione e quindi, veloci) per fissare il segnale a ground e a +-Vcc per fare in modo che non si bruci il driver (diodi al germanio come il 1N60 vanno bene comunque), otteniamo un’onda quadra in input al driver. Perciò, la bobina è adattiva rispetto alla frequenza. Questo metodo è il più semplice e il più conveniente. Lo svantaggio è il posizionamento difficoltoso dell’antenna.
Un altro metodo è quello di ottenere feedback da un piccolo trasformatore di corrente dal secondario. Si costruisce avvolgendo 50 spire intorno ad un nucleo di ferrite e avvolgendo una o più spire con il capo a ground (impianto elettrico) del filo del secondario facendolo passare attraverso l’anello del trasformatore di feedback. Bisogna fare attenzione a fare in modo che sia in fase, basta modificare il verso del filo del secondario se la fase è sbagliata. Questo metodo è più affidabile dell’antenna e rimuove l’uso di un filo che sporge al di fuori del driver. Analogamente, il diodo schoktty fissa l’output. L’output del trasformatore di corrente è indirizzato a due inverter logici (74HC14 o simili) che puliscono i segnali del driver MOSFET.
Interrupter
L’interrupter può essere un circuito qualsiasi che generi un segnale da un bit (acceso o spento) al driver. Si può implementare in diversi modi (è possibile non implementarlo affatto). Il metodo più popolare è quello di utilizzare due timer 555 assieme, uno astabile e uno monostabile. Variando le resistenze a loro connesse, è possibile variare l’ampiezza dell’impulso e la frequenza. L’output dell’interrupter è un certo tipo di segnale logico (di solito 0V per lo 0 e 5V per l’1), e può essere indirizzato direttamente al pin enable del driver.
Tuttavia, specialmente quando impiegato in bobine di tesla molto potenti (dove la lunghezza della scarica rende la vicinanza all’oggetto pericolosa), è una buona idea comandare la SSTC da lontano, ciò necessita l’uso di un interrupter esterno a batteria con un cavo collegato alla bobina (di solito si usa un cavo RCA schermato). Per un’operazione ancora più sicura, (e riducendo maggiormente l’interferenza generata dall’ RF della bobina in tesla), è possibile impiegare una fibra ottica per trasmettere il segnale. In questo modo, l’interrupter sarebbe completamente isolato elettricamente dal dispositivo. Comunque dovrebbe essere sufficiente un generico oscillatore, possibilmente a controllo di duty cycle.
Bobina secondaria e bobina primaria
Output Javatc per la progettazione delle bobine con frequenza di risonanza 250kHz
La realizzazione della bobina secondaria ha reso necessario l’utilizzo di una bobinatrice, visto l’alto numero di spire e il basso spessore del filo di rame smaltato (34 AWG=0,16 mm Dia).
Avvolta la bobina, è stato necessario verniciarla con un isolante anti effetto corona, che oltre ad isolare la bobina per evitare che emetta eccessivi disturbi permette di fissarla per evitare che si svolga.
Al capo superiore del filo deve essere il toroide.
Schemi:
Specifiche Finali:
– 120VAC input (+-170 sul primario)
– 250kHz Frequenza di risonanza
– Alimentazione in configurazione Half Bridge Basato su MOSFET IXFH42N50P2
– 9 cm x 16 cm avvolgimento secondario con filo di rame smaltato 0,16 cm ⌀ (~975 spire)
– 11,5 cm x 1,3 cm avvolgimento primario con filo di rame smaltato 1,6 cm ⌀ (~7 spire)
– Trasformatore di corrente di feedback (50:4, nucleo di ferrite)
– Toroide di alluminio ottenuto da tubo per condotta d’aerazione (8 cm ⌀)
– Interrupter: ingresso aux amplificato, guadagno pari a 10
– Lunghezza degli archi ~3 cm (28/06/2016)
Partlist
SOLID STATE TESLA COIL
Item Quantity Reference Part
____________________________________________________
1 2 C1,C2 1000uF 250V
2 1 C3 4u7 250V MKP
3 6 C4,C5,C9,C11,C12,C13 0.1uF 50V
4 1 C6 470uF 35V
5 2 C7,C8 0.33uF 50V
6 1 C10 1uF 50V CERAMICO
7 1 C14 15uF 25V TANTALIO
8 2 D1,D2 DIODE MUR460
9 5 D3,D4,D5,D6,D11 DIODE 1N4148
10 2 D7,D8 DIODE 1N5818 (1N4148)
11 1 D9 PONTE W04
12 1 D10 LED VERDE 5mm
13 2 D12,D13 DIODE 1N5408
14 2 JP1,JP2 PHOENIX MKDSN 2,5/2-5.08
15 2 JP3,JP4 AMP 2×100 280370-1
16 1 JP5 PHOENIX MKDSN 2,5/3-5.08
17 1 JP6 PONTE CU
18 1 P1 FUSE T6.3A 250V 5x20mm + PORTAFUSE
19 2 Q1,Q2 IXFH42N50P2
20 2 R1,R2 100K 1W 5%
21 2 R3,R4 6R8 1/4W 5%
22 2 R5,R6 2K7 1/4W 5%
23 1 R7 1K 1/2W 5%
24 2 R8,R9 470 1/4W 5%
25 1 R10 220 1/4W 5%
26 1 R11 560 1/4W 5%
27 1 R12 33K 1/4W 5%
28 1 R13 1M 1/4W 5%
29 1 T1 TRANSF 12/16+16 SPIRE 24AWG
30 1 U1 UCC27425 + ZOCCOLO 8PIN
31 1 U2 74HC14 + ZOCCOLO 14PIN
32 1 U3 DS1233D-5 SOT223
33 1 U4 LM7812 TO220
34 1 U5 LM7805 TO220
Riferimenti:
- Fonte teorica e tecnica: Gao Gungyan, 2013, http://www.loneoceans.com