В последнее время интерес к Катушкам Тесла все больше, а редкие детали, необходимые для сборки становятся все доступнее широкому кругу людей.
В этой статье я хочу подробно описать процесс сборки Транзисторной Катушки Тесла или SSTC (Solid State Tesla Coil).


ВНИМАНИЕ!
1. В схеме Катушки Тесла действуют смертельно опасные напряжения (310В постоянного тока).
2. Приведенная ниже конструкция Катушки Тесла работает от бытовой сети 220В БЕЗ гальванической развязки.
3. При неаккуратном обращении, сами разряды от Катушки Тесла могут привести к ожогам различной степени тяжести.
4. Катушка Тесла является источником мощного электромагнитного излучения высокой частоты, которое может вывести из строя электронные устройства, находящиеся поблизости. А также, ото всех металлических предметов, находящихся в непосредственной близости от катушки можно тоже получить ожоги.
5. Во время наладки схемы осколки взрывающихся транзисторов могут нанести увечья.

Автор статьи не несет ответственности за травмы полученные вами при сборке данной схемы. Подумайте дважды, прежде чем решите собирать устройство представляющее такую опасность для вашего организма.


1. Вторичная катушка
Итак, первым делом, для пущей мотивации двигаться дальше, нам надо намотать саму Катушку Тесла (КТ). Это самая трудоемкая деталь всей конструкции. В качестве каркаса подойдет любой прочный диэлектрический цилиндр, лучше всего использовать серые канализационные трубы. Для данной схемы не имеет смысла делать слишком большую катушку, потому что не получится раскрыть полностью её возможности, оптимальная длина: 20-30 см и диаметр равный примерно 1/3 длины. В своей конструкции я использовал каркас 25х7 см. Наматывать следует эмалированой медной проволокой диаметром 0.2-0.3 мм в один слой виток к витку ни в коем случае не допуская нахлеста витков друг на друга. После намотки следует сразу же покрыть катушку слоем лака или эпоксидки, иначе через пару часов витки ослабнут и начнут сползать - многочасовой труд на смарку.

2. Тороид
Для увеличения длины разрядов, понижения рабочей частоты, экранирования верхней части катушки и придания ей каноничного вида, следует сделать тороид. Обычно его делают из гофрированной алюминиевой трубы воздуховода свернутой в "бублик". Не желательно, чтобы диаметр трубы тороида превышал диаметр вторичной обмотки, а его внешний диаметр не должен быть больше её высоты. К примеру, при размерах вторички 24х8, тороид можно сделать тоже 8х24. В качестве трубы для тороида для небольших катушек подходит воздуховод инжектора от автомобилей ВАЗ. При закреплении тороида на верху катушки следует поднять его нижний край над краем намотки вторички на 2-5см. И не забудьте электрически соединить верхний вывод катушки с тороидом.
Так же, необходимо разместить разрядный терминал - кусок толстой медной или алюминиевой проволоки, конец которого должен выступать над верхним краем тороида не менее чем на 1/2 его толщины. Длиннее - тоже плохо, влияет на длину стримера. Короче - есть риск пробоя разряда с нижней части тороида в первичную обмотку.





3. Первичная катушка
Первичная катушка может наматываться либо на цилиндрическом каркасе диаметром х2 диаметра вторички, либо, что лучше, делать её конусообразной: нижний диаметр равен диаметру вторички, а верхний - трем диаметрам, высота намотки - треть высоты вторички. Наматывать можно коаксиальным кабелем типа RG-58, объединив центральную жилу и экран. Количество витков - 5-6.



4. Электроника
Ну вот мы и добрались до самого интересного. Ниже представлена схема всей электронной части Катушки Тесла.


Рассмотрим её сверху вниз и слева направо. Напряжение через выключатель SW1 поступает на понижающий трансформатор TR1. Пунктир, которым обведен выключатель означает, что он вынесен за пределы корпуса, т.к. Катушка Тесла наводит во всех металлических предметах сильное ВЧ напряжение, то ни в коем случае нельзя располагать выключатели и другие средства управления катушкой в том же корпусе, где располагается электроника, иначе при попытке выключить катушку вы рискуете получит ожоги. Необходимо сделать проводной пульт управления. В нем должны располагаться: тумблер питания платы управления, тумблер питания силовой части, тумблер CW режима, ручки управления прерывателем. Длина проводов не менее метра!



Трансформатор TR1 должен обеспечивать выходное действующее напряжение 15В и ток до 1А. Далее идет диодный мост, конденсаторы фильтров и линейные стабилизаторы напряжения U1 и U2 на 15 и 5 вольт соответственно, обвязанные керамическими конденсаторами 0.1мкФ с двух сторон. U2 обязательно должна иметь теплоотвод. Номинальное напряжение конденсатора С1 - 25В, С4, С7 - 16В.
Микросхема U3 это простой генератор сигнала прямоугольной формы, он является необязательным элементом схемы, но с ним намного проще производить отладку. Номиналы времязадающей RC-цепочки R2-C8 подбираются исходя из резонансной частоты вашей вторичной обмотки. Джампер JP1 служит для переключения тестового режима отладки и нормального режима работы.



Трансформатор TR2 это трансформатор тока (ТТ), он представляет собой ферритовое кольцо магнитной проницаемостью не менее 2000, диаметром около 2см, вторичная обмотка содержит 50 витков провода в изоляции, диаметр провода не принципиален, главное чтобы 50 витков там поместились и осталось отверстие по центру. Первичная обмотка этого трансформатора это просто прямой провод, проходящий через центр кольца, идущий от нижнего вывода вторички КТ к заземлению. Лично я использовал длинный болт М4, который крепит трансформатор тока корпусу и одновременно является проводником.



С ТТ сигнал поступает через резистор R3 (0.5 Вт) и конденсатор С9 на ограничитель напряжения на диодах D5-D6, а с них на вход логической микросхемы 74LS04, подойдет и наша К1533ЛН1 или, в принципе, любой ТТЛ инвертор, но нежелательно ставить КМОП. С инверторов сигнал поступает на мощные драйверы транзисторов U5, U6 - UCC37322 (прямой) и UCC37321 (инверсный), эти микросхемы сложно достать, проще заказать по интернету. Если вдруг у вас окажется только две микросхемы UCC37322 или две UCC37321, то можно подключить одну из них между инверторами U4:A и U4:B, так, чтобы на одну поступал прямой сигнал, а на другую инверсный, но лучше так не делать (я сделал именно так). На микросхемы U5, U6 необходимо приклеить на теплопроводный клей алюминиевый теплоотвод.

Конденсатор С15 - пленочный К73-17 2.2 мкФ х 63 В.

Трансформатор TR3 - это Gate Drive Transformer (GDT), наматывается на ферритовом кольце, можно взять такое же, как и для трансформатора тока. Мотается пучком из трех проводов и содержит 10 витков. Однако, первичную обмотку неплохо бы сделать на пару витков больше. Но не больше пары витков!



Микросхема U7 - 555 таймер, реализует прерыватель сигнала (Interrupter). Его выход подключен через резистор R5 ко входам Enable драйверов. Регуляторы частоты и скважности импульсов RV1 и RV2 располагаются во внешнем пульте, их следует соединить с платой управления экранированным кабелем. Экран соединить с общим экраном, про него мы поговорим позже. Тумблер SW3 - отключает прерыватель и подает на вход Enable драйверов напряжение питания, этим самым реализуя режим CW (Continious Wave).

5. Силовая часть
Вот мы и подошли к самому главному и серьезному - силовой части. Она выполнена на мощных IGBT транзисторах Q1, Q2 - IRGP50B60PD1. Использование MOSFET транзисторов себя не оправдало абсолютно, так что, если вы хотите, чтобы Катушка Тесла радовала вас разрядами, а не взрывами транзисторов, то разоритесь на ИГБТ. Я покупал их в магазине радиодеталей за 280р/шт. Резисторы R6-R9 - 10-12 Ом и не менее 2 Вт мощности. Диоды D9,D11 - любые Шоттки не менее чем на 20В и 2А. Диоды D10, D12 - это двунаправленные супрессоры (TVS) на 15В, можно поставить и на 16В. D13, D14 тоже супрессоры, но на 400В. Конденсаторы С19-С22 - К73-17 или импортные аналоги на напряжение 400 или лучше 630 В.
Транзисторы должны быть смонтированы на массивном алюминиевом теплоотводе, который, желательно, продувать компьютерным кулером.
Разводке платы для силовой части нужно уделить особое внимание, очень важно разделить силовые проводники и сигнальные.
Дорожки идущие от ГДТ должны быть проложены отдельно до самых ножек транзисторов, быть как можно короче и без изгибов. Силовые дорожки должны быть как можно толще.



6. Заземление и экран
Всю электронику необходимо экранировать, у меня в конструкции деревянный короб обклеен изнутри пищевой фольгой и проклеен алюминиевым скотчем. Верхняя крышка, на которой закреплена сама катушка, имеет разрез в фольге чуть дальше середины, такой, чтобы не образовывался замкнутый виток. С остальным экраном фольга соединяется со стороны противоположной разрезу.



Общая шина питания платы драйверов соединяется с экраном. Плата силовой части и сетевые цепи изолированы ото всего.
Если вам повезло жить в новых домах с трехжильной проводкой, то заземление у вас есть в розетке и использовать следует именно его, нижний вывод вторичной катушки проходя через трансформатор тока, должен быть подключен к земле. К этой же земле подключается экран, но через RC-цепочку R10-C23, конденсатор С23 - 0.01мкФ на напряжение не менее 1000В типа К78-2, резистор 33-51кОм х 0.5-1Вт.
Если вы живете в доме, где нет заземления в розетке, то точкой заземления является емкостной делитель на конденсаторах С16-С17, К78-2 0,1мкФ х 2000В. Я на всякий случай ещё зашунтировал их резисторами 100кОм х 1Вт. (В случае наличия заземления в розетке, делитель все равно должен быть).

7. Отладка
После сборки конструкции, прежде чем её включать в розетку, что приведет к неминуемому фейерверку, надо все проверить. Переводим плату драйверов в режим отладки (джампер JP1 в верхнее положение) и в CW режим (тумблер SW3 замкнут).
1) В первую очередь проверяем фазировку подключения транзисторов, для этого подключим силовую часть к источнику постоянного напряжения, например, 24 или 36 вольт, через токоограничительный резистор 10-20 Ом и амперметр и отключим от неё первичную обмотку. С выключенной платой драйверов силовая часть не должна потреблять ток вообще. При включении платы драйверов сила тока, протекающего через силовую часть не должна быть больше 10мА при напряжении питания 36В. Если сила тока близка к своему максимально возможному значению, значит транзисторы включены синфазно и следует поменять местами выводы ГДТ у одного из них.
2) После этого подключаем первичную катушку и повторяем эксперимент. С подключенной первичной катушкой (в отсутсвии вторичной) ток потребления должен быть в районе 100-200мА.
3) Убираем токоограничительный резистор из цепи питания силовой части, устанавливаем вторичную катушку с тороидом внутрь первичной, подключаем к ней заземление через ТТ. Переводим плату драйверов в нормальный режим работы. Питание силовой части пока остается 36В, включаем всё. Берем любую неоновую лампочку, например из стартера ЛДС и подносим её к тороиду, если ток потребления силовой части есть, а лампочка никак не реагирует, меняем фазировку ТТ. После этого должны появится разряды на разрядном терминале, а лампочка должна светится. Ток потребления не должен превышать 3А. При этом не должно наблюдаться никакого нагрева транзисторов. Если все условия соблюдены, пробуем все собирать воедино и включать в сеть, выключив режим CW для начала.

Если все хорошо, то поздравляю, вы собрали Транзисторную Катушку Тесла и можете развлекать гостей невероятными электрическими шоу. Дальнейшая модернизация, увеличение длины разрядов и оптимизация конкретно вашей конструкции выходит далеко за рамки этой статьи, добро пожаловать на соответствующие форумы в интернете.

И напоследок фотосессия:


И Видео:
Малый тороид:

Малый тороид, спичка на терминале:

Большой тороид:

Теги: катушка тесла, высокое напряжение