Proiect Bobină Tesla (Tesla Coil)

Salutare !

Ionuț Baciu (baciu_ionut2003@yahoo.com) a realizat un proiect de Tesla Coil și a binevoit să ni-l trimită spre publicare. Cu exceptia unor mici corecturi tot ce urmează în acest articol este creat de Ionuț.

Scriu aceste rânduri din dorința de a da o mână de ajutor celor care vor să experimenteze Bobina Tesla. Prima mea încercare in acest sens a avut la bază un un oscilator ce trebuia să-l reglezi pe frecvența de rezonanță a secundarului, dar rezultatele nu au fost destul de satisfăcătoare pentru că eu doream să obțin descărcări în aer și fără să apropi un obiect conductor de capătul bobinei secundarului. Nu reușeam să obțin acest lucru pentru că secundarul își modifica frecvența de rezonanță atunci când apropiam mâna de el și deci nu puteam menține o frecvență de rezonanță stabilă.

Am găsit apoi o schema simplă care folosea doar un tranzistor bipolar (NPN) în primarul transformatorului. Acestea împreună formau un auto-oscilator pe frecvența de rezonanță a secundarului. În ciuda simplității schemei rezultatele obținute au fost mai bune față de cele pe care le-am obținut până atunci. Însă era totuși o problemă: tranzistorul respectiv se încălzea foarte tare.

M-am întors la răscolit pe net și așa am găsit o schemă în care transformatorul era comandat de tranzistoare MOS-FET și driver de MOS-FET-uri (așa cum sunt IC1, T1 și T2 din figura 1). care formau tot un auto oscilator pe frecvența de rezonanță a secundarului.

Cand am făcut-o am obținut rezultatele pe care le căutam: arc electric în aer. Însă persista problema dată de faptul că își pierdea auto oscilația destul de ușor pentru că driverul de MOS-FET nu era suficient de sensibil. Pe lângă asta la cuplarea alimentării puteai avea ocazia să nu pornească auto oscilația. Din această cauză am completat schema cu un oscilator de pornire IC2A (~100Khz), ce atacă intrarea negativă a lui IC3B care lucrează pe post de temporizator. Acesta lasă să treacă impusurile primite de la IC2A timp de 7 ms (constantă de timp dată de R14 și C6).

Figura 1. Schema electrică comandă a Bobinei Tesla.
Click
aici pentru a descărca această imagine la o rezoluție mai mare.

Experimentând montajul doar cu aceste 3 blocuri, am constatat că problema era rezolvată doar la pornire deoarece pe parcurs putea să-și piardă auto oscilația. Asta in plus ar fi produs creșterea curenților prin MOS-FET-uri și implicit a riscului de distrugere a acestora (dacă sursa de alimentare era suficient de puternică).

Pentru protejarea MOS-FET-urilor am adăugat IC2B pe post de comparator. Acesta măsoară tensiunea dată de curentul ce străbate rezistențele R22, R23, R24 și R25 (care NU trebuie sa fie bobinate) din sursele tranzistoarelor și o compară cu tensiunea de referință dată de dioda D1 și divizată de rezistențele R6 și R7. Când tensiunea pe rezistentele R22, R23, R24 și R25 depășește tensiunea de la intrarea pozitivă, IC2B comută și pune la masă intrarea pozitivă al lui IC3B. Acesta, la radul lui, pune la masă intrarea driver-ului și determină astfel blocarea MOS-FET-urilor. Ciclul de pornire se reia fără să apară vreo scurgere importantă de curent prin tranzistori. IC3A a fost adăugat pentru indicarea faptului că s-a depășit curentul maxim setat. Pentru o tensiune de 2 volți la intrarea pozitivă al lui IC3B, curentul maxim este de 8A.

În ceea ce privește construcția transformatorului, recomand ca secundarul să fie făcut din sârmă cu diametrul de minim 0,2mm iar primarul din sârmă de cupru cu diametrul de 1,6mm sau mai mare. Eu am folosit conductor de cupru izolat din acela care se foloseste la instalațiile electrice din case. Am făcut bobina secundară pe o țeavă de scurgere de 50mm și am bobinat 1580sp cu sârmă de cupru cu diametrul de 0,3mm. Esti bine de știut că numărul de spire nu poate fi oricât de mare. Cele mai bune rezultatele le-am obținut cu o lungime a bobinei secundare L=D x 9 (unde D este diametru bobinei). În primar am bobinat 4sp, diametrul fiind mai mare cu 25mm față de secundar: 50mm + 25mm= 75mm (eu am bobinat pe o țeavă de scurgere de 75mm). Ambele bobine se bobinează în același sens dar legăturile se fac conform schemei (capetele marcate). Altfel spus, începutul bobinei secundare se leagă la intrarea IC1, începutul bobinei primare se leagă la borna plus de alimentare și sfârșitul se leagă la tranzistori.

          Detaliez aici modul de calcul al unor componente.

A) R22, R23, R24 și R25
Pentru o distribuire mai bună a căldurii am ales să folosesc 4 rezistențe. Rezistența totală a acestora trebuie să fie Rtot = U/A, unde:

– U este căderea de tensiune pe rezistențe. Eu am ales-o 2V deoarece e mai greu influențată de perturbațiile din alimentare;
– A este curentul ce trece prin rezistențe. Am ales 8A datorită sursei se alimentare de care dispun (sursă de calculator).

Cu aceste date obținem un:

Rtot = 2V/8A, =0.25ohmi.

De aici rezultă că fiecare dintre R22, R23, R24 și R25 trebuie să aibă o rezistență de:

R = 0,25ohmi x 4 = 1ohm.

Puterea disipată pe cele 4 rezistențe este:

PRtot = U x I = 2V x 8A = 16W

Ceea ce înseamnă că fiecarei rezistențe îi revine o putere de varf de maxim:

PR.max =PRtotal / 4 = 16W / 4 = 4W

Însă datorită faptului că tranzistori sunt deschiși doar o jumătate din perioada fiecărui ciclu de oscilație, puterea medie disipată pe fiecare rezistență va fi:

PR.med.max = PR.max x 0.5 = 4W x 0,5 = 2W.

În practică, pentru a avea un anumit coeficient de siguranță, se aleg rezistențe ceva mai puternice. Eu de exemplu am ales de 3W.


B) R1 și R2

Acestea au rolul de a seta valoarea tensiunii stabilizate de TL431 (D1) la Vstab = 5V. TL431 are o tensiune de referinta Vref = 2,5V asa ca pentru a-l face sa stabilizeze la 5V raportul intre R1 si R2 trebuie să fie:

R1/R2 = (Vstab / Vref ) – 1 = (5V / 2,5V) – 1 = 2 – 1 = 1,

Cu alte cuvinte rezistențele R1 și R2 trebuie să fie egale. Ca să nu consume inutil prea mult curent le-am ales pe ambele de 10k.

5V. =Vref*1+R1/R2). Vref=2,5V, Ustab=2,5V*(1+10K/10K)=5V.

C) R6 și R7
Acestea formeaza un divizor rezistiv care reduce tensiunea stabilizata la 2V (pragul de tensiune pe rezistențele R22, R23, R24 și R25 la care vrem să se activeze protecția la supracurent).

Ecuația de calcul a tensiunii divizate este:

Udivizat = Ustab/((R6/R7) +1)

Valori uzuale și usor de găsit sunt R6=3,3K și R7 =2,2K. Cu ele:

Udivizat = 5V / (3,3K / 2,2K) + 1 = 2V.

D) R3
Trebuie aleasă astfel încât să asigure un curent de minim 1mA prin TL431 (D4) pentru că altfel acesta nu va funcționa corect.
Eu am ales un curent de 4,6mA. Pentru a-l obține avem nevoie de o valoare a rezistenței de R = U / I, unde U este diferența dintre tensiunea de alimentare și tensiunea stabilizată. Astfel pentru R3 rezultă o valoare de:

R3 = (12V – 5V) / 0,0046A = 7V / 0,0046A = 1500ohmi, deci 1,5K.

E) R14 și C6
Acestea trebuie să asigure un timp suficient pentru pornirea bobinei. Eu am ales valori uzuale ale componentelor (10k si 100nF) și am constatat ca este de ajuns. Cu ajutorul ecuatiei de mai jos am aflat ca timpul de incarcare al condensatorului C6 este de 

T = 7 x R x C = 5 x 10kohmi x 100nF = 7ms.

În final menționez că tensiunea de alimentare a montajului nu poate depăși tensiunea maximă de lucru a lui IC1Ș 18V. În ceea ce privește tensiunea sursă drenă a MOS-FET-urilor, aceasta trebuie să fie de cel puțin 3 ori mai mare decât tensiunea de alimentare.

Pun mai jos cateva poze cu bobina Tesla cu care am facut testele.

Leave a Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.