Einige Ideen zur Erweiterung des Funktionsumfanges eines Class-E Teslaspulenbausatzes – Teil II

Im 1. Teil konnte ich bereits meine Erfahrungen mit dem Aufbau des Class-E SSTC Bausatzes beschreiben. Nachfolgend nun noch die Schilderung einiger weiterer Ideen und Erfahrungen. Auch hier möchte ich jedoch erst wieder mit einem Warnhinweis beginnen.

Teslaspulen sind kein Spielzeug mit dem unbedarft umgegangen werden kann. Schmerzhafte oder auch tödliche Verletzungen sind durchaus im Bereich des Möglichen. Ich kann keinerlei Verantwortung für entstandene Schäden übernehmen!

Optionale Erweiterungsideen

Nun ist so ein „Projekt Teslaspule“ ein durchaus faszinierendes Objekt und auch eine ideale Spielwiese zur Verwirklichung weiterer Ideen. In den nächsten Ausbaustufen sollen durch einige Einstell- und Überwachungsmöglichkeiten der sichere Dauerbetrieb erhöht werden. Eine visuelle Spannungs- und Stromüberwachung mittels einer analogen Anzeige Teslaspulenbausatz_6_CIMG3833_resizederschien mir dazu sinnvoll. Mit einem zusätzlichen Lüfter sollen lt. Manual 3A bei 30V im Dauerbetrieb machbar sein. Die SSTC Baugruppe selber kann bis maximal 35V Versorgungsspannung betrieben werden. Im Wesentlichen sollten dafür die beiden Elkos C2 und C4 mit jeweils 2200uF/35V verantwortlich sein wie aber auch der begrenzte Eingangsspannungsbereich des 12V Stabis. Der Austausch gegen 50V LOW ESR Kondensatoren sollte in diesem Bereich zumindest die Grenzen deutlich nach oben verschieben. Über einen 2. spannungsfesten Längsregler kann diese zu hohe Eingangsspannung vorm 12V Stabi auf ungefährliche Werte unterhalb von 35V begrenzt werden. Eine weitere Alternative wäre auch den 12V Stabi ggf. durch die Hochvoltausführung eines LM317HV zu ersetzen. Die Krönung wäre dann noch eine einstellbare Stromversorgung der SSTC Baugruppe über einen relativ weiten Bereich von vielleicht 24V bis 48V. Ebenfalls eine interessante Option ist noch eine einstellbare Strombegrenzung von 1A bis max. 5A einzubauen.

Weiterhin sind Temperatursensoren an Kühlkörper und innerhalb der Teslaspule denkbar. Bei geschicktem Einbau von 1- 2 Lüftern – einer bläst einen Luftstrom durch die Teslaspule, der 2. kühlt den Kühlkörper – sollte sich auch hier die Dauerleistung noch etwas weiter nach oben treiben lassen.

Da für die Temperaturüberwachung sowieso ein kleiner Arduino Pro Micro Controller schon bereit lag, kam irgendwann auch die Überlegung auf, diesen dann generell zur Überwachung und Steuerung zu verwenden. Eine Lüfterregelung wie auch eine Sicherheitsabschaltung bei zu hoher Stromaufnahme oder Temperatur ließe sich darüber problemlos realisieren. Wenn aber sowieso schon ein Controller verwendet wird, warum denn nicht auch gleich noch MIDI-Signale einspeisen?

Andererseits wollen die alten MP3 Player auch irgendwann mal wieder einer halbwegs sinnreichen Aufgabe zugeführt werden. Also warum nicht auch gleich einen analogen Eingang dafür vorsehen? Wenn ich noch länger drüber nachdenke fallen mir mit Sicherheit noch weitere mehr oder weniger sinnvolle Optionen ein. Einige dieser Ideen werde ich teilweise beschreiben. Es werden jedoch nicht immer vollständige Nachbauanleitungen werden. Ich möchte sie eher als Inspiration sehen und damit zu eigenen Umsetzungen und weiteren Verbesserungen animieren. Wer an irgendeiner Stelle unlösbare Schwierigkeiten sieht, kann mich mit etwas Geduld bis zur Antwort aber gern kontaktieren.

1. Erweiterung: Analoge Kombianzeige für Spannung und Strom

In einer Bastelkiste fand ich dazu noch ein altes Zeigerinstrument von Neuberger der Güteklasse 1,5 und der Skalierung 0 bis 100 wie darunter auch ein Skalenbereich mit 0 und 5A. Ein kleines Schild auf der Instrumentenrückseite war mit 1mA beschriftet. Damit sollte sich doch etwas anfangen lassen. Leider fehlten jedoch Vor- und Shunt-Widerstand.

Teslaspulenbausatz_4_Messbereichsumschaltung_CIMG3816RBei 100V und einem Vorwiderstand von 100kOhm fließen ziemlich genau 1mA. Den von mir angenommenen maximal 75mV hohen Spannungsabfall über dem Instrument vernachlässigen wir hier einfach mal. Ich habe mich daher für einen 100kOhm Metallschichtwiderstand mit 1% Toleranz entschieden. Wer es genauer berechnen möchte, findet nachfolgend noch die passende Formel dazu:

Berechnung Vorwiderstand für die Spannungsanzeige von 100V

Rv = (Uvoll-Uinstr)/Iinstr
Rv = erforderlicher Vorwiderstand in Ohm
Uvoll = Spannung für Vollausschlag
Uinstr = Spannungsabfall des Instruments bei Vollausschlag
Iinstr = Strom des Instruments bei Vollausschlag

Rv = (100V – 0,075V) / 1mA = 99,9225kOhm

Für die Berechnung des Shunt-Widerstandes zur Strommessung gibt es folgendes Formelwerk:

Berechnung Shunt-Widerstand für 5A

Rsh = Uinstr / (Ivoll – Iinstr)

Rsh = erforderlicher Shunt (Nebenwiderstand) in Ohm
Uinstr = Spannungsabfall des Instruments bei Vollausschlag
Ivoll = Strom bei Vollausschlag
Iinstr = Strom des Instruments für Vollausschlag

Rsh = 0,075V / (5A – 0,001A) = 0,015003 Ohm

Doch wer hat schon einen Shunt von 0,015 Ohm oder ähnlicher Größenordnung in seiner Bastelkiste? Aber auch dafür gibt es eine Lösung, selbst an einem verregneten Sonntagnachmittag, nämlich über den spezifischen Widerstand, in meinem Fall hier von Kupfer.

Berechnung der Länge eines elektrischen Leiters
Länge = Widerstand * Querschnitt / spezifischer Widerstand
Länge = erforderliche Länge des Leiters in m
Widerstand = geforderter Widerstand in Ohm
Querschnitt = Leiterquerschnitt in mm2
spezifischer R = 0,0178 Ohm * mm2 / m für Kupfer

Länge = 0,015 Ohm * 0,75mm² / 0,0178 Ohm = 0,6320224719101124 m

Also mal eben in den Keller und einen Rest von grob 70cm handelsüblichen Elektrokabels Teslaspulenbausatz_SwitchedPowermit 3*0,75mm herausgesucht. Beide Enden einer Leitung knapp 5cm abisoliert und als Shunt angeschlossen. Mittels Vergleichsmessung mit einem Digitalvoltmeter und Verschieben des abisolierten Kupferdrahtes in den Anschlüssen des Instrumentes konnte die Anzeige recht gut justiert werden.

Die Umschaltung von der Spannungs- zur Stromanzeige erfolgt manuell über einen simplen einpoligen Niedervoltschalter. Schaltungstechnisch alles eher keine Herausforderung. Details können dem nebenstehenden Schaltungsauszug und der nachfolgenden Beschreibung entnommen werden.

2. Erweiterung: Stromversorgung mit Sicherheitsabschaltung über einen Controller

Die Betriebsspannung wird vorerst aus einem kompakten 24V/5A Standardschaltnetzteil abgeleitet. Später soll dieses Netzteil durch eine leistungsstärkere 48V Version ersetzt werden. Die notwendigen Schaltungsänderungen bzw. Anpassungen werden hier nachfolgend sukzessive bereits berücksichtigt.

Die Eingangsspannung kann später dann zwischen 12V und 48V betragen, derzeit aber nur zwischen 12V und max. 30V! Mindestens 12V sind notwendig um den P-Kanal MOSFET Schalter Q1 gesichert durchzuschalten und in einer späteren Ausbaustufe max. 48V aufgrund der Limitierungen der nachfolgenden Schaltung des Teslagenerators. Die ZPY20 D1 begrenzt bei hohen Eingangsspannungen die max. Ugs. R3 soll den P-Kanal MOSFET gesichert sperren. R2 ist etwas hochohmiger als üblich, um die Verlustleistung der Zenerdiode auch bei hohen Eingangsspannungen überschaubar zu halten.

General Ground und der Arduino GND sind nicht direkt sondern über einen präzisen 0,1R Shunt-Widerstand R7 verbunden. Mittels des Arduino A2 Analogeinganges wird hier der stromabhängige Spannungsabfall gemessen und kann so später zur Messung des Stromes und ggf. zur Sicherheitsabschaltung verwendet werden. Über den Arduino Digital Pin D4 wird T1 bei High-Pegel leitend geschalten. R5 sorgt für eine Sperrung bei offenem Eingang und sperrt damit auch den MOSFET Q1 zur Abschaltung der Teslabetriebsspannung der SSTC-Baugruppe.

Zur ausschließlichen Versorgung des Arduino Controllers über Vin ist der 12V Stabi IC1 vorgesehen. D2 ist nur ein Verpolungsschutz. Mit der Schaltung rund um den Darlington TIP130 wird die Eingangsspannung für den Stabi auf ungefährliche 20V begrenzt. Die Wärmebelastung ist dadurch auch deutlich geringer.

3. Erweiterung: Temperaturüberwachung mit Lüftersteuerung / LCD

Da sowieso ein Controller vorgesehen ist, kann dieser auch gleich noch 2 Temperatursensoren mit abfragen und die vorgesehenen Lüfter über PWM nachregeln. Dazu habe ich handelsübliche PC Motherboard Lüfter halbwegs aktueller Generation ausgeschlachteter defekter Mainboards verwendet. Die 4-pol. CPU-Lüfter und Teslaspulenbausatz_LCD216Grafikkartenlüfter sind dafür hervorragend geeignet. 4-pol. weil diese Lüfter über einen separaten PWM Eingang verfügen und so in der Drehzahl in Abhängigkeit der Temperatur geregelt werden können.

Bei Überschreitung der im Arduino Sketch voreingestellten Grenzwerte über Konstanten erfolgt außerdem eine Sicherheitsabschaltung der Versorgungsspannung der Teslaspule. Über ein Standard LCD mit 2*16 Zeichen erfolgt die visuelle Ausgabe der Betriebsparameter des Teslagenerators. Die Beschreibung des Arduino Sketches und weiterer Details erfolgen noch zu einem späteren Zeitpunkt auf der Arduino Homepage.

Zum Abschluss von Teil II

In den nächsten Wochen plane ich kurzfristig in einem weiteren Teil noch einige Ergänzungen und mehrere meiner angedachten Anpassungen an der SSTC Baugruppe zu beschreiben. Da ich derzeit noch längst nicht alle potentiellen Optionen zur Leistungssteigerung des Teslagenerators durchdacht habe, kann ich mir auch noch einige „böse“ Überraschungen dabei vorstellen. Beispielsweise bin ich mir inzwischen nicht mehr so sicher bezüglich meiner ersten oberflächlichen Annahme zu dem fitzeligen SMD Kondensator C6. Auch die etwa 1MHz HF mit später mal mehr als 100W in die Luft geblasen machen mir noch etwas Sorgen. Was wohl die direkt unter der Teslaspule verbaute Elektronik zu meint?

In einem separaten Teil werde ich dann auf jeden Fall auch noch den Arduino Sketch beschreiben und hoffen mit allem rechtzeitig vor der Maker Faire 2015 in Hannover am 06. und 07. Juni 2015 erfolgreich abgeschlossen zu haben.

Teslaspulenbausatz_8_CIMG3836_resizedNachfolgend auf jeden Fall schon mal ein Foto vom bisherigen, immer noch vorläufigen Stand, um vielleicht doch etwas neugierig zu machen. Was ist das eigentlich für eine goldige kleine Box unter der Klarsichtabdeckung? Bereits so viel vorab, sie dient der Abschirmung. Vielleicht gibt es demnächst ja auch noch einen Link mit einem kurzen Video dazu.

Bis dahin, successful inventing

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