PCB Teslaspoel, USB gevoed

Een nieuwe en verbeterde Spiraal Teslacoil. Deze Teslacoil heeft alle wikkelingen geëtst op de printplaat. Het circuit heeft een USB-interface en wordt hier ook uit gevoed. De resonantiefrequentie is ongeveer 4MHz. Het heeft een wikkelverhouding van 1:160 met 6mil tracks voor de secundaire. De totale lengte van de secundaire is 25m.

Wat de meeste Teslaspoelen gemeenschappelijk hebben, is dat ze best groot en gevaarlijk zijn. Je zet ze niet zomaar even op je bureau om mee te spelen. Er gaat veel energie in deze apparaten zitten, dus de kans op een schok of brandwond is aanwezig. Om een (relatief) ongevaarlijke Teslaspoel te maken is het belangrijkste punt: beperk de energie!


Het grote voordeel van de Spiral MicroTesla is dat hij USB gevoed is. Met 5V 1A tot je beschikking kan je niet heel veel schade doen. De vonken van deze Teslaspoel zijn dan ook met de blote hand aan te raken. Niet te lang op dezelfde plek richten, want het wordt wel degelijk warm. Met een spanning van ongeveer 30kV verwacht je een grote schok te krijgen, maar de stroom is zo laag dat je het nauwelijks voelt. Wanneer je met een hand de aarde aan raakt en met de ander de vonk kan je het een klein beetje voelen tintelen.


Bij de meeste Teslaspoelen zit het grootste gevaar in het primaire circuit. Door de serieresonantie slingert ook de primaire spanning flink op. Maar het grote verschil is dat hier ook veel meer stroom kan lopen. In dit geval is de maximale werkspanning 32V en loopt er ruim 20A.

Deze Teslaspoel heeft alle windingen geëtst op de PCB zelf. De koppeling tussen de kringen is erg goed, maar het secundaire circuit heeft een minder steile Q-factor door parasitaire capaciteit tussen de windingen en door het ontbreken van een eindcapaciteit (toroid). Elektrisch gezien is deze opbouw dus minder ideaal dan de klassieke helicoil en toroid opbouw. Dit weegt echter niet op tegen de eenvoudige productie. De inductie en afstanden tussen de windingen zijn constant en vereisen geen handwerk. Daarom zijn de omstandigheden altijd identiek. De PCB  gebruikt standaard fabricage specificaties. Het spoor is getekend als spiraal van 6 mil breed en heeft 6 mil clearance. De totale spoorlengte is ongeveer 25 meter, verdeeld over 160 windingen. Eén primaire winding zit op de bottom layer onder de buitenste ring.

Aan het uiteinde van de secundaire winding zit een veerdruk pin van een IC- voet. Hier kan je een speld of een naald in vastklemmen. Een spitse punt zorgt plaatselijk voor een veel hogere veldsterkte, waardoor de vonk makkelijker op gang komt. Dit noemen ze ook wel een breakout point. Hiermee kan je bij een normale Teslaspoel de richting van de vonk sturen.

De meeste kleine Teslaspoelen werken niet goed genoeg om uit zichzelf uit te breken. Dit is omdat het bouwen veel nauwkeuriger werk is, de details kritischer worden en de schakelfrequentie enorm hoog is. Deze versie kan al uit zichzelf uitbreken zonder een aardedraad in de buurt te houden.

De PCB is ontworpen in het programma Pads van Mentorgraphics. Voor het tekenen van de spiraal heb ik een tool gebruikt welke normaal gebruikt wordt om planaire PCB transformatoren te tekenen. Met een paar kleine aanpassingen kon dit programma ook een enkele spiraal genereren (speciale dank aan Paul Hoogeveen).

Resonantie 
De Spiral MicroTesla is opgezet als een Dual Resonant Solid State TeslaCoil. Zowel het primaire als het secundaire circuit gebruiken serieresonantie van een LC- circuit om de spanning maximaal op te slingeren. Primair bestaat deze uit een paar filmcondensatoren en één windingen op de onderkant van de PCB. Secundair zijn het 160 windingen op de toplaag en de capaciteit naar de omgeving. De resonantiefrequenties moeten exact hetzelfde zijn voor een optimale overdacht. Bij de Spiral MicroTesla zit dit op ongeveer 4mhz.

De H- brug moet op deze frequentie aangestuurd worden. Maar wat is de beste manier om dit te doen? Gebruik je een vaste frequentie (bijvoorbeeld functiegenerator), dan is het lastig om de frequentie exact goed te krijgen. Ook is de tolerantie in componenten te groot om dit betrouwbaar te kunnen doen. Het is veel makkelijker om een terugkoppeling te maken met de stroom in de LC- kring.

Op het resonantiepunt zijn de spanning en stroom in fase. Wanneer er een spanningstap op een LC-kring gezet wordt, veroorzaakt dit een slingering in de stroom op de basisfrequentie.

We kunnen dit signaal gebruiken om de H- brug om te laten schakelen. Wanneer de stroom negatief wordt, polen we de brug om. De spanning wordt dan negatief en versterkt de negatieve stroom. Wordt de stroom weer positief, dan schakelt de brug ook weer om. Zo blijft het circuit zichzelf versterken. Dit heet een zelfresonerend circuit.

Deze truc is zowel in het primaire als in het secundaire circuit toe te passen. Je kan de stroomrichting in de primaire kring meten door middel van een stroomtransformator met een wikkelverhouding van bijvoorbeeld 1 op 100. Secundair loopt er veel minder stroom. Hier kan al volstaan worden door de spanning direct over een weerstand (R28) te meten. Dit signaal moet alleen nog door een inverter om er de juiste polariteit en een mooie blokgolf van te maken. Om te voorkomen dat de spanning op de input van de inverter te hoog wordt, moet deze geclampt (D3 en D4) worden naar VCC. Een 2- traps clamp zorgt hier voor extra bescherming.
De secondaire resonantiefrequentie ligt echter niet vast. Doordat de vonk steeds groter groeit (een geleidend plasmakanaaltje heeft capaciteit) en het circuit al minder ideaal is door de opbouw, verandert de frequentie aanzienlijk tijdens het draaien. Secundaire feedback produceert daarom de beste output. In de praktijk bleek dat de secundaire frequentie zodanig verandert dat het gunstiger is om het primaire kantelpunt veel lager te leggen. Het duurt een paar periodes voordat de resonantie goed op gang komt.

Looptijdvertraging
Voor optimale prestatie moet er zo min mogelijk vertraging zitten in de stroommeting en het ompolen van de brug. Een H- brug op 4 MHz heeft zeer snelle componenten nodig. Daarom heb ik gekozen voor de FZTX51 power transistors. Een emittervolger achter een high power mosfet driver (UCC2753X) heeft zeer weinig looptijdvertraging en kan op een hele hoge frequenties gebruikt worden. De maximumspanning die deze drivers aankunnen is 35V. Met een veiligheidsmarge kan de werkspanning tot 32V opgevoerd worden.

Dissipatie
Het is best een uitdaging om een goed werkende Teslaspoel te maken. Je wil een zo groot mogelijke vonk maken, maar het circuit moet niet te zwaar belast worden. Daarnaast moet het verbruik minimaal zijn. Een van de dingen die je kan doen, is hem heel kort aan en gelijk weer uit te zetten. De duty cycle is recht evenredig met het opgenomen vermogen. Met 1A 5V tot je beschikking haal je het maximale uit je voeding met een duty cycle van ongeveer 1,5%. Zou je de Teslaspoel 100% van de tijd aanzetten, dan zou dit circuit meer dan 300W verbruiken. De dissipatie zou dan evenredig veel hoger worden, wat dit circuit nooit aan zou kunnen. De basisfrequentie voor deze duty cycle kan gevarieerd worden om bijvoorbeeld langzame zware pulsen te maken (<10Hz) of hogere kleine pulsjes, welke in het hoorbare gebied vallen (>20Hz). Op deze manier is het ook mogelijk om een Teslaspoel een melodie te laten ‘zingen’.
Vrijwel al het opgenomen vermogen wordt omgezet in warmte naar de omgeving. Het grootste gedeelte wordt opgestookt in de vermogenstrap. De PCB moet zo ontworpen worden dat deze warmte ook afgevoerd kan worden en dat de componenten niet te warm worden. Dit kan gedaan worden door grote koperen vlakken onder de powercomponenten te leggen en door met thermal via’s naar de andere laag te gaan voor extra koperoppervlak.

In onderstaande afbeelding is een warmtebeeld te zien van de Spiral microTesla na 2 uur draaien.  38°C verhoging boven omgevingstemperatuur is acceptabel in vermogenselektronica. Een dergelijke print zal na 30 min al op de eindtemperatuur zitten door de kleine thermische massa.

USB
Omdat de Teslaspoel USB gevoed is, zitten er speciale eisen aan het circuit. De capaciteit die direct op 5V staat, mag bijvoorbeeld maximaal 10µF zijn. Voor het piekvermogen van de Teslaspoel is veel meer capaciteit (~1800µF) nodig. Daarom wordt deze capaciteit opgeladen met een pre- chargeweerstand van 68Ω. Deze weerstand wordt overbrugd met een P- FET na 1 seconde.

Een USB- lader heeft een interne stroombegrenzing. Trek je meer dan die stroom, dan stort de spanning in. In het circuit zit een boostconverter om naar een hogere werkspanning van 32V te gaan.  Een geschakelde voeding probeert zijn uitgang altijd constant te houden. Zakt de bronspanning in, dan gaat hij meer stroom trekken, waardoor de spanning nog verder inzakt. Dit is een situatie die uit zichzelf niet meer hersteld. Om dit effect tegen te gaan, is er gebruik gemaakt van de LT3477, welke een rail to rail stroomregeling heeft. Hiermee kan hij regelen op de ingangsstroom, waardoor de USB- adapter nooit overbelast wordt.

Om hem geschikt te maken om direct aan te sluiten op een PC, moet de ingangsstroom verder begrensd kunnen worden tot  500mA. Dit kan gedaan worden door IADJ1 van de LT3477 omlaag te trekken. Door dit met een mosfet te doen, krijg je een instelbare limiet van 0.5A en 1A. USB- communicatie is momenteel echter nog niet ondersteund.
Een Teslaspoel heeft een rf- ground nodig. Je kunt dit zien als een soort referentiepunt om tegen af te zetten. Zonder stabiele referentie is de prestatie veel slechter. In dit geval wordt de kabelafscherming en de ground van de 5V als referentie gebruikt. In de USB- adapter zelf zit altijd wel wat capaciteit tussen het net en de uitgang. Zo wordt indirect de netaansluiting als ground gebruikt. Bij 100pF is de weerstand op 4MHz ongeveer 332Ω. Hier staat nauwelijks spanning over bij deze lage stroom. Dit is ook de reden waarom een batterij/ accu gevoede Teslaspoel niet handig is. Je moet nog steeds een aardedraad aansluiten voor de rf- ground.

Microcontroller
Om de signalen van het pre- charge circuit, stroominstelling en PWM aan te sturen, is er gebruik gemaakt van een simpele PIC microcontroller (PIC18F14K50). Deze controller heeft ook de mogelijkheid om in de toekomst nog meer met USB communicatie te doen, maar voor nu is het makkelijk dat alle tijden en pulsen instelbaar zijn. En omdat we toch een microcontroller hebben, kunnen we ook een paar leds plaatsen om de boel een beetje aan te kleden.

De firmware staat default op 500mA verbruik (2.5W) ingesteld voor een eventuele verbinding naar een PC.  Bediening door middel van druktoets S1:

- Kort indrukken: stap door de verschillende states heen (5,10,20Hz, Toonladder, uit)
- 1 sec ingedrukt houden: springt naar begin state (uit)
- 3 sec ingedrukt houden: springt naar ‘high power’ mode (1A) (rood lampje blinkt), en weer terug naar ‘low power’  mode als je hem nogmaals 3 sec indrukt. Dit kan in elke state (ook in ‘uit’).
- 8 sec ingedrukt houden: zet blauwe leds uit (voor foto’s in het donker) en weer aan als je nogmaals 8 sec indrukt.
Downloads:
Firmware (speciale dank aan Jorrit Zuiker)
Schema (voor niet commercieel gebruik)


Het ontwerp is gepubliceerd in Elektor magazine nov/dec 2017 en beschikbaar als bouwkit. Lees het artikel op: www.elektormagazine.nl/160498


Sneak preview:
Hetzelfde circuit kan ook gebruikt worden met een traditionele Teslaspoel opbouw met een verticale spoel en toroid. Dit is de perfecte high voltage gadget. Deze bouwkit zal ook door Elektor magazine aangeboden worden. Houd de site goed in de gaten.



Disclaimer
Voor de aansprakelijkheid is het belangrijk om te vermelden dat het gebruik van dit circuit op eigen risico is. Sluit de PCB alleen aan op een netadapter en niet op een PC of ander apparaat. Houd ook geen gevoelige elektronica tegen/ in de buurt van de ontladingen.

English version of the article available here.

We hebben 101 gasten en geen leden online