Słowem wstępu, kilka słów o tym co zamierzam zrobić i pokazać: Generalnie działanie tego transformatora nie różni się od tradycyjnego, którego zasadę działania opisałem w dziale /Tradycyjny Transformator Tesli - teoria/. Różnica polega jedynie na sposobie generowania częstotliwości podawanej na pierwotny rezonator LC trafa. W "Tesli" tradycyjnej pracuje przerywacz mechaniczny, który umożliwia naładowanie kondensatora a następnie zamknięcie jego obwodu z uzwojeniem pierwotnym umożliwiając w ten sposób powstanie drgań rezonansowych. W "Tesli" elektronicznej przerywacz również występuje, jego rolę przejmują takie elementy jak np. wysokiej mocy tranzystory MOS-FET, czy moduły IGBT. 
Elektroniczna cewka Tesli w porównaniu z tradycyjną posiada wiele zalet, ma niestety też sporo wad. Do najważniejszych zalet należy fakt, że cewki nie trzeba zasilać wysokim napięciem jak to ma miejsce w klasycznym rozwiązaniu, dzieje się tak za sprawą częstotliwości wyznaczanej przez przerywacz: mechaniczny może pracować z bardzo niewielką częstością, elektroniczny natomiast z bardzo wysokimi, co sprawia że dla osiągnięcia tych samych parametrów, tradycyjną cewkę trzeba zasilać napięciem o potencjale 10.000 V podczas gdy elektronicznej wystarczy tylko 400 V.

Kolejna zaleta jest taka, że w tradycyjnej trzeba stosować duże kondensatory na wysokie napięcie i o konkretnej pojemności, w elektronicznej natomiast wystarczy dwa małe kondensatory na niskie napięcie, które można dostać w każdym elektronicznym sklepie.

I teraz wady, po pierwsze przerywacz elektroniczny nie jest tak prosty jak mechaniczny i trzeba przynajmniej na poziomie podstawowym poznać tajniki elektroniki. Drugi minus to koszty, niestety półprzewodniki mocy są drogie.

Na początek zajmiemy się elektroniką, którą podzielę na trzy części:
1. Generator częstotliwości,
2. Driver tranzystorów MOS-fet,
3. Układ wykonawczy (tzw. half-bridge).

Ad. 1
Generator częstotliwości posłuży do wygenerowania sygnału sterującego o żądanych parametrach, który po wzmocnieniu będzie przełączał tranzystory mocy (nasz przerywacz). Poniżej schemat generatora, którego zamierzam użyć:

Generator przedstawiony na schemacie na poprzedniej stronie, generuje sygnał o przebiegu prostokątnym z możliwością regulacji częstotliwości i wypełnienia impulsu. Układ TL 494, którego kartę katalogową można poprać z działu Download, z pakietu Timery i PWM, jest to tzw PWM (Pulse Width Modulation) czyli modulator szerokości impulsu. Dla aplikacji, nad która pracujemy bardzo ważne jest ustawienie wypełnienia równego 50 %, tzn. górna połowa okresu przebiegu musi być dokładnie równa połówce dolnej !
Ustawienie wypełnienia 50%/50%
Dlaczego jest to takie ważne wyjaśni się przy omawianiu modułu wykonawczego.
Sygnał na wyjściu generatora ma zbyt małą moc by bezpośrednio wysterować bramki tranzystorów MOS-FET, m.in. dlatego, że mają one bardzo dużą pojemność własną, którą trzeba "przeładować" by prawidłowo wysterować tranzystor. W celu prawidłowego sterowania tych tranzystorów stosuje się tzw. drivery, czyli wzmacniacze sygnału sterującego,

Ja w swojej aplikacji zastosowałem dwa takie scalone drivery: TC 4420 oraz TC 4429 (ich karty katalogowe można pobrać z podstrony Download, z pakietu Drivery) Układ 4420 ma za zadanie tylko wzmocnić sygnał, natomiast 4429 oprócz wzmocnienia spełnia jeszcze jedno zadanie - przesuwa sygnał w fazie o 180^o, po prostu go odwraca.

Do najważniejszych parametrów driverów należą: napięcie zasilania, maksymalna częstotliwość pracy, oraz wartość natężenia prądu wyjściowego w impulsie. Ten ostatni parametr jest najważniejszy, to właśnie taki impuls prądowy "przeładuje" bramkę tranzystora i umożliwi jego prawidłowe wysterowanie. Dla zastosowanych kostek wartość prądu w impulsie równa jest 6 A.
Poniżej przedstawiam schemat wzajemnych, elektrycznych połączeń obu kostek z generatorem. (kliknij na obraz by zobaczyć go w pełnych rozmiarach.)

Oba układy postanowiłem zmontować na jednej płytce PCB, dołączyłem oczywiście stabilizator napięcia z kondensatorami dla układu TL 494, oraz oddzielny stabilizator dla driverów, w układzie znalazł miejsce większy radiator dla stabilizatora driverów, diody LED sygnalizujące zasilanie obu układów, dodatkowa para driverów (dla tzw. układów Full-bridge, cztery tranzystory FET) oraz linia synchronizacyjna, która jednak okazała się niepotrzebna więc nie będę jej opisywał. (kliknij na obraz by go powiększyć)


Moduł zadziałał od razu po przyłączeniu zasilania bez żadnych poprawek, w takich chwilach docenia się czas poświęcony na projektowanie i kilkakrotne sprawdzanie wszystkich obwodów, gdy układ jest jeszcze na ekranie komputera.

Teraz potrzeba odpalić oscyloskop i potencjometrem ustawić wypełnienie sygnału na 50/50. Po tej czynności wyjście A i B można "zewrzeć "uzwojeniem pierwotnym transformatora impulsowego, który omówię przy ostatnim elemencie części elektronicznej i do uzwojenia wtórnego podłączyć sondę oscyloskopu.
Taki właśnie transformator impulsowy, zawierający jedno uzwojenie pierwotne i dwa wtórne będzie pracował w tym miejscu. Gdyby wypełnienie nie było ustawione tak jak należy już na tym etapie powstawały by obszary zwarć, które spowodowały by szybkie przepalenie układów.




Tu widzimy wzmocniony sygnał z obu driverów po przejściu przez transformator, sygnał ten w kolejnej części będzie sterował dwoma tranzystorami tzn. górna połówka okresu będzie załączać jeden z nich podczas gdy druga w tym samym czasie wyłączy przeciwny. Dlatego bardzo ważne jest by sygnał był możliwie idealnie prostokątny, czasy narastania i opadania impulsu muszą być możliwie jak najmniejsze.

Poniżej przedstawiam schematy i zdjęcia kolejnych elementów elektronicznej części transformatora Tesli. Następnym elementem, który dołączymy do przedstawionego wcześniej układu będzie impulsowy transformator, spełniający m.in. rolę galwanicznego separatora części sterującej od części mocy.

Tak wygląda gotowy transformator. Do jego wykonania potrzebny będzie toroidalny rdzeń ferrytowy o średnicy ok. 3 cm, oraz kawałek skrętki komputerowej UTP. Na początek z przewodu zdejmujemy gumową koszulkę a następnie oddzielamy dwie pary przewodów z których jedną rozdzielamy jeszcze na pojedyncze przewody. Odwinięty pojedynczy przewód dowijamy do oddzielonej wcześniej pary tak aby powstała równomiernie skręcona wiązka trzech przewodów stanowiących trzy uzwojenia przyszłego transformatorka. Trzy zakończenia przewodów po jednej stronie to: Adriv, A, C, z drugiej strony to: Bdriv, B, D. Taka konstrukcja transformatora impulsowego zapewnia najlepsze parametry pracy, sprawdziłem inne konstrukcje i żadna nie dorównuje temu rozwiązaniu. 
W tym miejscu kończy się stopień sterujący i zaczyna stopień mocy - inwerter, który sterowany sygnałem z transformatora będzie przełączał z częstotliwością kilkuset kiloherców wyprostowane napięcie zasilające.

Rys: Schemat uproszczony
Dokładny opis działania takiego mostka umieściłem w dziale Elektronika - podstawy, krótko opisując - gdy na górny tranzystor podany zostanie dodatni impuls z generatora, w tym samym czasie na dolny płynie impuls ujemny. Tranzystor górny jest w stanie przewodzenia, podczas gdy dolny nie przewodzi. W takim stanie przez uzwojenie pierwotne płynie prąd od lewej do prawej strony. W drugim cyklu pracy, gdy przewodzi tranzystor dolny, prąd płynie od strony prawej do lewej i cały proces powtarza się z częstością pracy generatora sterującego. Teraz widać dlaczego tak ważne było ustawienie wypełnienia, gdyby górna i dolna połowa okresu sygnału sterujacego różniła się, czasy załączenia tranzystorów nachodziły by na siebie i pojawiały by się stany, w których przez pewien czas przewodziły by oba tranzystory - dochodziło by do chwilowych zwarć i tym samym tranzystory mocno by się nagrzewały i w rezultacie szybko przepaliły. Zapraszam do działu Elektronika po więcej informacji na temat tego mostka.
By prawidłowo zasilić inwerter potrzebny nam będzie układ prostujący napięcie sieciowe. Nie musi to być gładkie w pełni wyprostowane napięcie, wystarczą dodatnie impulsy otrzymane po wstawieniu diody prostowniczej w układ zasilania tak jak na schemacie obok. Bardzo dobrym rozwiązaniem bedzie tez zastosowanie regulowanego autotransformatora. Przy pierwszym uruchomieniu najlepiej zacząć od najmniejszego potencjału i stopniowo go zwiększać. Jeśli coś będzie nie tak to przy niskim napięciu elementy od razu nie ulegną uszkodzeniu.

Poniżej zdjęcia układu wykonawczego bez tranzystorów, które umieszczę na zewnętrznym, wentylowanym radiatorze i połaczę z tym układem przewodami. Gdy wykonywałem ten układ jeszcze nie wiedziałem, że takie trafo impulsowe jak tam zastosowałem nie będzie się zupełnie nadawać.
To tyle jeśli chodzi o część elektroniczną, na następnej stronie zbudujemy układ rezonansowy.

Zanim zacząłem budować układ rezonansowy postanowiłem sprawdzić jak działa elektronika. Połączyłem ze sobą wszystkie zbudowane elementy i na początek zasiliłem dla bezpieczeństwa z 12 - woltowego akumulatora. Wyjście układu połączyłem z małą żarówką. 

Po lewej oscylogram przebiegu napięcia na wyjściu inwertera, jak widać jest on bardzo podobny do sygnału sterującego - o to właśnie chodziło, elektronika została wykonana poprawnie. To co widzimy na ekranie powstało ze zwykłego, stałego napięcia z akumulatora.






Układ działa przy stałym napięciu 12 V więc trzeba sprawdzić czy wytrzyma napięcie pod którym będzie pracował. Na wyjściu również przyłączyłem żarówkę, tym razem 230 - woltową. Tu na wejściu trzeba zastosować diodę prostującą napięcie sieciowe.

Na oscylogramie widzimy że układ działa świetnie.
Oczywiście nie mogłem oprzeć się pokusie by szybko sprawdzić czy uda mi się otrzymać iskry. Zbudowałem prowizoryczny układ rezonansowy i to był błąd. Jeśli robisz coś na szybko i niedbale zawsze powstaje ryzyko że popełni się błąd. Oczywiście tak się stało.

Przypadkiem w plątaninie kabli zrobiło się zwarcie, tranzystory eksplodowały, przepaliły się wszystkie elementy półprzewodnikowe, na szczęście strona sterująca dzięki transformatorkowi impulsowemu pozostała nienaruszona. Dobrze, że zrobiłem drugi identyczny układ, miał pracować razem z poprzednim w tzw. pełnym mostku, ale na razie będzie to pół mostka zgodnie z opisem.

Rezonator, który będzie uwieńczeniem naszej pracy to nic innego jak transformator na rdzeniu powietrznym z jednym uzwojeniem wtórnym i jednym pierwotnym. Wykonam go na dwóch rurach kanalizacyjnych z PCV, jedna o średnicy 110 mm - uzwojenie pierwotne, druga 75 mm - uzwojenie wtórne. Długość pierwszej to 170 mm, drugiej 400 mm

Na uzwojenie wtórne nawinąlem drutem o średnicy 0,23 mm ok 1100 zwojów.

Uzwojenie pierwotne nawinąłem drutem - linką o średnicy 5 mm, drut przykleiłem do rury Poksipolem, w ten sam sposób przykleiłem też elektryczne łączniki do których przyłączę zbudowaną wcześniej elektronikę.
Potrzebny będzie jeszcze kondensator powietrzny do uzwojenia wtórnego, które również jest obwodem LC i do prawidłowej pracy potrzebuje kondensatora. Można zastosować okrągłą piłkę i okleić ją foli aluminiową, bądź tak jak ja kupić w markecie dwie metalowe miski i skręcić je ze sobą. Teraz wystarczy już tylko złożyć oba uzwojenia ze sobą np. za pomocą płytek ze sklejki tak jak to widać na zdjęciach i elektroniczny transformator tesli jest gotowy do pierwszych testów.

Przed podłączeniem prądu dobrze jest dwa razy wszystko sprawdzić, elementy są jednak drogie i nie warto ryzykowac ich uszkodzenia. Autotransformator ustawiamy na minimalne napięcie i stopniowo je zwiększamy. Dobrze jest tez w układ włączyć amperomierz by obserwować czy prąd za bardzo nie wzrasta. Jeżeli przy niskim napięciu prąd gwałtownie rośnie to znaczy że coś jest nie tak i trzeba sprawdzić układ jeszcze raz.

Zdjęcia efektów pracy bez komentarza, cewka od razu po właczeniu zaczęła siać iskrami, delikatna regulacja częstotliwości poprawiła efekt - generator trafił na częstość rezonansową transformatora.

Przedostatnie zdjęcie przedstawia woltomierz i amperomierz właczone w obwód zasilający, przy takich wartościach napięcia i prądu powstają takie iskry. Narazie bałem się podkręcić większe napięcie.

Kilka chwil pracy w programie EAGLE i powstał projekt, który przedstawiam poniżej:

Rys. Obraz mozaiki PCB inwertera do zasilania cewki tesli.

Transformatorek separujący dodatkowo zalałem w środku żywicą epoksydową i po zastygnięciu przewierciłem w środku tak by można go było przykręcić do płytki. Sam transformatorek wykonany jest z toroidalnego rdzenia ferrytowego i trzech żył kabla sieciowego UTP. Do tych celów nie ma lepszego patentu na transformator impulsowy.


A teraz kilka fotek wykonanego inwertera. Na projekt i wykonanie poświęciłem sporo czasu i myślę, że efekt jest widoczny.

Oczywiście zanim podłączyłem cały układ do napięcia sieci, wszystko sprawdziłem na akumulatorku o napięciu 12V, gdyby coś było nie tak elementy nie uległy by uszkodzeniu. Na szczęście wszystko dzałało. To naprawdę świetne uczucie kiedy wykona się taką ładną płytkę i ona od razu działa bez żadnych poprawek.

Fot. Elektroniczny transformator tesli w komplecie.

Zostało mi jeszcze tylko zmontować wszystko na jednej płycie pleksy ale chwilowo brakło mi funduszy na jej zakup. Poniżej jeszcze zdjęcia wyładowań.

Fot. Zdjęcie nocne.