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アトリエペンギン プラズマ研究所
高電圧・プラズマ関係の研究試作を行っています。
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DRSSTC
DRSSTC Dual Resonance Solid State Tesla Coil を作ります。
製作日誌はブログをご覧ください。



Half-Bridge MINI-SSTC
ハーフブリッジ式SSTCです。
ブートストラップ回路内臓のハーフブリッジ駆動ICでシンプルに仕上げました。
SSTC Half=Bridge SSTC
仕様
電圧:150V  AC100Vをブリッジダイオードで整流 & 平滑
スイッチング方式:ハーフブリッジ
MOSFET-IC: IRFP250N
DriverIC: IRS2110
共振フィードバック:アンテナ方式
1次コイル巻き数:7回
2次コイル仕様
 エナメル線径:0.32mm(=28AWG)
 コイルサイズ:φ115mm(直径)×292mm(高さ)

→概算で計算すると、巻き数:913回、エナメル線総長さ:357m
半波長電磁波換算で、共振周波数は420kHz
実験でも420kHzとか、840kHzで共振しました(^ヮ^/イェイ
トロイド(小さいステンレスボール)を載せると周波数が遅くなり350kHz程になります。

テスト段階では0.8Aのスライダックでパワー調節していますが、本番では取り除きます。

回路はとってもシンプルになりましたが、そこそこ強力です。
スイッチを入れた状態でロッドアンテナを触れば動作開始です!
Half-Bridge SSTC回路図
回路図(クリックで大きくなります)

要望が多くあれば、プリント基板で設計してキットとして配布することも検討しております。


回路図に描かれていない注意点があります。
FET周りはパターン最小にし、浮遊インダクタを極力抑えてください。
ゲート抵抗も20Ω程に大きくすると、オーバーシュートを抑えられます。
浮遊インダクタが大きいと、過電圧が発生し簡単にMOSFETが壊れてしまいます。
初めの頃は、全てのピンが導通してしまうゲート破壊でかなりのFETを駄目にしてしまいました。

SSTC テスラコイル制御部 SSTC テスラコイル放電の感じ

製作Q&A
ブログにまとめました

動作デモ



MicroSSTC Solid state tesla coil
MicroSSTC
Steve's Micro SSTCを参考に作ったテスラコイル第1号です。
SSTC テスラコイル全景

電源モジュール
AC100Vを24V-5Aのトランスを通して、ブリッジダイオードとコンデンサ(50V 2200uA)で平滑してDC24Vを作っています。
過電流保護として、トランスの前に10Aブレーカーと、4Aくらいのリセッタブルヒューズ(ポリスイッチ)を通しています。
リセッタブルヒューズは平滑後につけるのが正解ですが、ブリッジダイオードの前についています(間違えてそのままです)

共振コントロールモジュール
定常共振状態では、2次コイルからの強烈な放電をアンテナで受けて、その信号でFETドライバをON/OFFするようになります。
 アンテナは30cmくらいの適当なコードをコイルの方に伸ばしておけばOKです。右下写真の緑のケーブルがアンテナです
最初にFETをONにしてコイルに電流を流すトリガとして、ボタンやタイマIC555を使います。
このセットアップで700kHz(+高調波)で動作するので555だけでは共振動作点を探すのは困難です。
555からのパルスとアンテナからのパルスはFETドライバの前で合成されてしまいますが、555からのパルスは抵抗で減衰しているのでアンテナからのパルス信号が支配的にFETをドライブしています。

FETモジュール FET
パワーFETをいろいろ試しました。
IRFP250,2SC3307,2SK2847などなど
IGBTでもOKです。GT60N322(秋月で売っています)
次から次へとぶっ壊れますので、必要数×5は用意しましょう。
定常共振動作に成功すれば、感覚的にはどのFET,IGBTも大差はありません。

ソース・ドレイン間に、高耐圧ファストリカバリダイオード(FRD)と高耐圧コンデンサを入れます。 私の回路には4700pF2kVが入っています。
FET周りの回路は壊れて何度も取り替えることが前提です。
そのため半田付けなんかせずに、端子台に取り付けるのが便利です。

放熱対策
FETにはヒートシンクが必要です。一応ファンも付けました。
FETがONのまま3〜4秒DC電流が流れたらヒートシンクがあってもあっという間に温度上昇しFETは壊れてしまいます。
上記の過電流保護は電源の保護であってFETがまず先に壊れます。
FETが壊れるとドレイン−ソースがショートした状態になることが多いので注意が必要です。
FETの温度を測定するのには放射温度計が便利です。ホームセンサーなどで3000円ほどで売っているので重宝しますよ

コイルモジュール
コイル設計は以下のとおりです
1次コイル:φ10cm塩ビ管に太目のケーブル3ターン
2次コイル:φ7.5cm高さ16cmの塩ビ管に0.32mmエナメル線を500ターン
2次コイルの下側はとりあえず電源モジュールのGNDにつなぎます(大地アースが理想か?)
上側は剥き出しでOKです。
 うまく動作しない時は、まず最初に1次コイルを逆につなぐところから試してみてください。
コイルは電動ドリルなどを利用して回転させながら巻くのが正解です。
エナメル線は切り売りのものだと上手く巻けませんので、ケチらずにドラムで買います。

動作
うまくセットアップがなされていれば、2次コイル先端からブシューと放電が起こります。
ちょっと感動的!
蛍光灯を近づけると明るく光ります。
LEDの片足を持って近づけても光ります。
近くの家電は誤動作するかもしれません。
うちの場合は決まってDVDプレーヤの電源が入ったり、トレーが開いたりします。
割り箸を近づけると燃えます。とにかく楽しいです

動作デモ


ハイボルテージな質問もお気軽にお寄せください。コチラより

二次コイル巻上げ方法
二次コイル巻き
二次コイルを巻きます。
詳しくはYouTubeビデオをご覧ください。

どうしても巻けない、面倒くさい、金ならあるという方は
製作依頼受け付けますのでご連絡ください。
サイズ、巻き数によっては応じられませんが、
実費+技術料で\15,000円より製作いたします。 コチラより

Flyback transformer Audio modulation
フライバックトランスを使ったプラズマスピーカーです
Flyback PWM Flyback PWM

音が出る仕組み
フライバックトランスで放電を起こしプラズマを発生させます。
放電が強くなれば空気が暖められて膨らみ、放電が弱くなれば空気が冷えて縮みます。
フライバックトランスはパルスで動作するので、放電の大小はパルスのデューティー比の大小でコントロールします。

電源部

24V1.3Aの電源モジュールを使います。
4700uFのコンデンサ×2で平滑しています。
ポリスイッチで過電流保護としています。
電流容量がもっと多ければ、放電距離も伸びるかな。

PWMモジュール

24V電源の一部をもらって、12Vにレギュレートしています。全て単電源で動作させます。
三角波発生回路は、周波数、波高、オフセットを調整できるようにしておきます。
周波数は30kHz程です。それより高くなると放電しにくくなります
オーディオ信号は6Vのオフセット上で処理し、程よく増幅したあと、絶対値回路を通して信号を+側に折り返します。
 *絶対値回路通さなくても音は出るかも、いや出そうです・・・
コンパレータで三角波とオーディオ信号を合成すれば、パルス幅変調が行えます。
 デューティー比は60%〜90%の間で動くようにします。(入力がなくても60%という意味)
 50%以下になると放電が続かない恐れがあるからです。
このPWM信号をFETドライバICに入力してFETを動かします。
主なICは、
オペアンプ:4580D×4
コンパレータ:LM393
FETドライバ:TC4427

FET

SSTCの時と同じようにヒートシンクにつけて、ダイオード、コンデンサと一緒に端子台に取り付けます。
2SK2847です。ON抵抗1.1Ωと少し高め。ヒートシンクの温度は50℃まで上昇します。

写真など

フライバックトランス
壊れたモニタから取り出したジャンク品です。
1次巻き線は0.5mmエナメル線を35回位巻いています。
この巻き数が良いのか悪いのかわかりません
アルミの板に、低周波シールド銅箔テープを貼ってフライバックトランスから出るノイズがPWM回路に影響を及ぼさないようにしています。
初めFBTを横倒しにしてピンのある底面をPWM回路の方に向けていたのですが、ノイズだらけでまともに放電しませんでした。


放電の様子。オーディオケーブルが+HVに触れていて危険です
撮影のあと、ピリっと感電しました。

回路図
フライバックトランス回路図


製作Q&A
ブログにまとめました
動作デモムービー



字幕解説つき(日本語/英語)


質問などお気軽に問い合わせください
コチラより

テスラコイルの解釈
テスラコイルの解釈 (雑記メモ程度のつもりで参考にしてください)
テスラコイルを共振させる
詳しい解説は、多くのWebサイトで行われているので、改めて言うこともない。

YoutubeにもテスラコイルのビデオがたくさんUPされている。
その多くは、巨大な放電を楽しんだり、オーディオ変調したりというものだ。

今の流行はSSTCといって半導体素子で電流をスイッチングするものだ。
発振回路の定数次第で好きな周波数でテスラコイルをドライブできる。

テスラコイルの共振周波数 しかし、テスラコイルの共振周波数はあくまで2次コイル構造つまりインダクタンスLとトロイドのキャパシタCで決まる。
マッチした共振周波数で動かしたければ、2次コイルで発生する電界なり磁界なりをフィードバックしてスイッチング素子を駆動する必要がある。(このページの上にあるSSTC(Solid state tesla coil)は電磁波をアンテナで拾ってフィードバックしている)
昔のスパークギャップ式のテスラコイルは、インパルス放電を利用して広範囲の周波数の電流を生じさせ、ちょうど共振条件に見合う成分だけを利用したものである。

さて、テスラコイルは放電を鑑賞するためのものではない。
一番の目的は電力伝送であるが、ここからが”謎の領域”に突入する。もちろん私もよくわかっていない。
ただ強烈に電磁場を撒き散らすだけのものではない。
放電はエネルギーのロス 放電はエネルギーのロスである
目に見えるほど放電させるとそこから電磁波が発生する。
エネルギー伝送のためには放電していいんじゃないの?と考えたくもなる。
テスラコイル実験ビデオ1の通り、2次コイル先端で放電が起こると、となりのコイルにエネルギーが伝わらない。蛍光灯でつついて放電を止めると隣のコイルが元気になる。

さてテスラコイルに深くのめり込むと、トーマス・ベアデンとか、ジョージ・ハチソンとか、テスラ波、スカラー波とかいう面白いキーワードにぶつかる。ここで、優秀な技術者は立ち止まって社会に戻っていくのだが、もう少し先を覗いてみたいと思う。

電磁波というのは電界と磁界が横波として伝わっていくものと教科書には書いてある。
 アンテナに電流を流すと、電流の周りに磁界ができる。
 ギャップの両端に電圧を印加すると、電界ができる。
 磁界・電界いずれも波の進行方向に対しては横を向いている。

一方、何もない空間に点電荷が置かれた場合、電界は点電荷から放射状に発生する。
電界の向きは、電荷に対して縦向きだ。
教科書では点電荷は突然現れないし、電荷量は時間がたっても増減しないし、電場は初めから無限遠方まで出来上がっている。

テスラコイルから発生する電界 テスラコイルでは電界の方向が縦方向になる(?) テスラコイルの場合はどうだろうか
トロイドに発生する電荷量は高周波でプラスとマイナスに繰り返し変動する。
もし2次コイルの土台も電極だったら、上がプラスにチャージされた時には下はマイナスにチャージされ、上下の電極間に交番電界が発生するだろう。(未だ見ぬダンベルコイルってそういうものだろうか)
2次コイルの土台を接地することに意味がありそうだ。

さて、交流電界が光速で伝播することはわかっている。
点電荷の作る静電場はどのように伝播するのだろう?

(GNDの振る舞いを検討する必要があるが)空気が膨らんだり縮んだりするのと同じように、静電場が縦波として伝播しているイメージができあがる。
電荷というのはスカラー量、その作る電場はスカラーポテンシャル。その波としての振る舞いをスカラー波とかテスラ波とか言っているのだろうか?

そんなことを考えると、放電なんて無駄なことはできなくなる。

エネルギー伝送の理屈
推測で突っ走れるのがアマチュアの特権。

受信側テスラコイルも大地アースされていることに意味があります。

送受信両方のテスラコイルの共振周波数のマッチングが取れていれば、たとえ受信側に届く電力が微弱でもよいのだ。 パワーでなく信号程度の強度でも、受信側コイルを共振させることができるだろうと思う。
共振とはそういうものだ。

共振の振幅がどんどん大きくなるにつれ、母なる地球からどんどん電子を吸い上げられるようになり、1次コイルを通してエネルギーを取り出せる。
エネルギーは送信側のテスラコイルから受け取るんじゃなく、地球から受け取っているイメージ。

つまり、テスラコイルは電力の空中伝送をするものではなく
地球という電池の付いた、コイルと、トロイドからなるLC共振回路を、
ちょっと震えさせるだけの信号を送るものなのではないだろうか。

謎は解けたかワトソン君。
ご意見あればお願いします

問題は山積みである。
1.縦波(スカラー波?)の物理学
2.信号の伝送は電磁波?それとも別の形態波?
3.うちはマンションなので大地アースが取れない(死活問題)
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