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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.

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Digitale Spannungsregelung mit MOSFET und Arduino über PWM (Teil 3)

Nach den theoretischen Grundsatzüberlegungen im 2. Teil erfolgt nun der praktische Aufbau im 3. Teil, allerdings verbunden mit weiteren theoretischen Grundlagen. Digitale Spannungsregelung mit SpannungsteilerHier nun erst einmal die veränderte Hardware und eine wichtige Warnung gleich noch mit dazu! Die Spannung an allen Pins des Arduino darf die Versorgungsspannung keinesfalls (typ. 5V oder auch 3,3V je nach Board) überschreiten! Mir sind während des Aufbaues und der ersten Versuche nacheinander gleich 2 Analogeingänge meines Atmega 328 wegen versehentlicher Überspannung durch Unachtsamkeit abgeraucht. Aus verständlichen Gründen kann ich grundsätzlich keine Haftung übernehmen! Ich kann grundsätzlich auch nicht garantieren, dass die Hardware oder die Software einwandfrei funktioniert. Auch dieser Teil ist als Nachbauanleitung nicht geeignet und soll hauptsächlich zur Diskussion anregen und Grundlagen vermitteln. Das interessante Kopfbild zum Beitrag habe ich übrigens hier gefunden. Hier lässt sich sich recht gut erkennen, wie sich durch Veränderung der Pulsbreite der mittlere Gleichspannungsanteil ebenfalls verändern lässt.

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Digitale Spannungsregelung mit MOSFET und Arduino mit weitem Einstellbereich (Teil 2)

Um eine geregelte und einstellbare Spannung mit einem deutlich größeren Ein- und Ausgangsspannungsbereich zu schaffen, sind in diesem Kapitel noch einige weitere Hardwarekomponenten in der Schaltung zu ergänzen. Nochmals zusammengefasst, die Erkenntnisse aus dem 1. Teil:

  1. Ab etwa 4V negativer Spannungsdifferenz zwischen Source und Gate fängt der Leistungs-MOSFET an zu leiten. 10V ist die typische Schaltspannung
  2. Die maximale Gate-Sourcespannung  Ugs darf 20V nicht überschreiten

Zu 1.: Wir steuern das Gate des MOSFET jetzt nicht mehr direkt über den Arduino Digital Pin 6, sondern fügen in die bereits vorhandene Hardware einen weiteren NPN Transistor in Open-Kollektor-Schaltung ein. Der Vorteil ist nun, dass die Schaltung simpel dimensioniert werden kann und uns unabhängig vom Steuerpegel des Arduino wie auch der Versorgungsspannung des MOSFET machen. Die Basis kann jetzt bequem über 0V und 5V (3,3V) vom Arduino gesteuert werden, während die Spannung am Kollektoranschluß jetzt davon völlig unabhängig und variabel sein kann.

Zu 2.: Wir begrenzen die Gate-Sourcespannung einfach, in dem eine 10V Zenerdiode parallel zum 100kOhm Widerstand geschaltet wird. Der Zenereffekt tritt ein, sobald 10V Spannungsdifferenz zwischen Anode und Kathode überschritten werden, sprich die Zenerdiode fängt dann an zu leiten. Der 10kOhm Wiederstand am Kollektor des NPN Transistors darf keinesfalls unterschlagen werden, da dieser den Zenerdiodenstrom auf ungefährliche Werte limitiert, bei angenommenen 40V Spannungsdifferenz und 10kOhm sind das 4mA. (I=U/R = 40V/10.000Ohm = 4mA)

So viel jetzt zur Theorie. Nun folgt der praktische Aufbau im nächsten Update dieses Kapitels. Und seid ihr auch schon gespannt? Wir werden gleich sehen was passiert.

Digitale Spannungsregelung mit MOSFET und Arduino (Teil 1)

Früher oder später benötigt jeder ernsthafte Elektroniker ein einstellbares Niederspannungsnetzteil, möglichst auch mit einstellbarer Strombegrenzung. Ein damals selbstgebautes Netzteil noch aus meinen frühen Jugendjahren begleitet mich auch heute wieder.  Völlig analog aufgebaut versteht sich, also mit 2 parallel geschalteten 2N3055 Leistungstransistoren, einer Zenerdiode als Spannungsreferenz und einem per Poti einstellbaren Regelkreis für die Spannungseinstellung sowie einen 2. Regelkreis über einen niederohmigen Shuntwiderstand zur einstellbaren Strombegrenzung. Damit ist das Netzteil sogar absolut Kurzschlussfest!

Analoges einstellbares Labornetzteil Marke Eigenbau
Einstellbares Labornetzteil Marke Eigenbau

Leider existiert davon kein Schaltplan mehr, ich werde aber bei Gelegenheit versuchen etwas nachzureichen. Was ich zu der Zeit ziemlich uncool fand, nämlich Analogdrehspulinstrumente zu verwenden, hat heute schon wieder einen Touch Nostalgie, da nahezu alles digital angezeigt wird.

Was damals wie heute recht gut auf analoge Weise funktioniert, muss doch auch irgendwie digital funktionieren, oder? Zumindest habe ich es nun einmal versucht.

Also man nehme…. Digitale Spannungsregelung mit MOSFET und Arduino (Teil 1) weiterlesen