Schreibtisch-DRSSTC

[Mark]

Guten Tag!

Da ich erst ab Herbst wieder studiere, habe ich bis dahin unter anderem Zeit für so etwas tolles wie eine Teslaspule. Damit das Ganze anspruchsvoll bleibt, schwebt mir eine DRSSTC vor. Ich möchte die aber gern ins Regal stellen (betrieben wird sie aber eher in der Garage), deshalb ist die mechanische Ausdehnung des Gerätes schon vorgegeben: Maximal 210 mal 210 mal 297mm, also exakt DIN A4-Maße. Gut aussehen sollte sie dabei natürlich auch. Treiber wird der UD2.7c von loneoceans, hoffentlich komme ich dieses Wochenende zum Platinen bestellen, dann sind die im April oder so da. Die fres der Sekundärspule wollte ich auf etwa 300...350kHz festlegen, das entspricht etwa dem Design von loneoceans tinyQCW. http://www.loneoceans.com/labs/qcw2/
Mit 63mm Durchmesser und 90mm Windungslänge komme ich da auch hin. Drahtdurchmesser ist 0,1mm, Lackschicht habe ich angenommen zu 0,015mm. Macht eine fres von 325kHz mit 200mm/50mm Torus oben drauf.

Ein Problem habe ich noch mit dem Primärkreis. Welche Impedanz nimmt man da ungefähr und wie stark sollte der Kreis verstimmt sein? Für geratene Werte von 15% geringerer Primärresonanzfrequenz und einer Impedanz von etwa 10 Ohm komme ich auf 275kHz (15,4% detuning) und 50nF (11,5 Ohm). Als Spule böte sich dann eine 30° konische Spule aus 3mm Rohr mit einem Innenradius von 75mm an, die würde bei 7 Windungen auf 7,5µH kommen, 6,7µH sind benötigt, man kann also auch etwas mehr oder weniger nehmen, je nachdem wo man abgreift. Sollte das dann immer noch nicht reichen, kommen einfach noch mal 10nF parallel. Interessant wäre natürlich auch eine Anordnung wie bei loneoceans tinyQCW, nur eben mit weniger Windungen. QCW will ich aber nicht, das soll so richtig schön knattern und vielleicht auch mit Musik betrieben werden.

Die Brücke würde ich mit 4 FGA60N65SMD bestücken, wenn die schon hardswitsching in einer QCW abkönnen, dann sollen die mir wohl reichen. Betrieben werden soll die Brücke zum Schluss direkt mit gleichgerichteter Netzspannung, bis dahin habe ich aber auch einen Stelltrafo zum Testen. Zum Schluss soll eben alles in einem Gerät verbaut sein: Brücke (inkl.Kühlung), Primärkondensator, Buskondensator, 24V-Schaltnetzteil für den Treiber, der Treiber selbst und die GDTs und CTs für Feedback und OCD. Für eben jenes Gehäuse stünden dann 215mm mal 215mm mal zirka 100mm (so ist noch etwas Luft nach oben um die Höhe der Primärspule variieren zu können) zur Verfügung.


Grundkonzept gut?
Sekundärseite passt?
Primär passt?

[da_miez]

Hallo Mark,

habe noch UD2.7 Platinen übrig. Für Porto per PayPal würde ich dir quasi gratis eine schicken. (incl. der SLOT-7 Coilcraft Induktivität, habe da auch noch verschiedene. Wenn du weißt welche du brauchst, am Freitag bin ich wieder zu Hause, dann könnte ich das verschicken

Grüße

[Mark]

AAAH!! Jetzt hatte ich so eine schöne Antwort geschrieben, war aber wohl nicht mehr eingeloggt und muss sie jetzt erneut schreiben. Naja.

Die Platinen nehme ich gern, am besten mit der 7M3-123 Induktivität von Coilcraft (9-15µH). Da ein Freund von mir auch so ein Ding bauen möchte, am besten zwei. Eigentlich hab ich dir aber auch schon eine PN diesbezüglich geschickt.

Im Laufe meiner Planungen sind mir noch einige Fragen gekommen, respektive einige Änderungen in der Planung sind geschehen.
Als IGBTs kommen nun wohl 512-FGH60N60SFDTU zum Einsatz. Die sind (so ziemlich) die gleichen, aber lieferbar bei mouser.
Reichen als antiparallele Dioden zum Gatewiderstand 1N4148? Schnell genug sind sie ja. Die Schottkys, die ich hier habe, haben nur 30V oder 40V Sperrspannung. Okay, durch die Überbrückung mit dem Gatewiderstand gingen die wohl auch.
Als TVS-Dioden möchte ich 600W-Typen mit 27V bidirektional verwenden, lieber mehr oder weniger Spannung/Leistung?

Nun der größte Knackpunkt: Der Primärkreis.
Ich sehe das Problem, dass durch den recht gedrungenen Aufbau der Sekundärspule ein Überschlag in die Primärspule wahrscheinlicher wird.
Ich möchte daher im Sinne von loneoceans QCWDRSSTC eine als Halbtoroid geformte Primärspule verwenden, um die elektrische Feldstärke zu begrenzen.
Außerdem wird die Länge der Sekundärspule, bzw. vor allem die Einbauhöhe des Topload, so weit wie möglich nach oben versetzt. Dazu wird erst einmal der Unterbau fertig gestellt (Brücke, Treiber, Primärkreis), damit ich weiß wie viel Platz der so braucht und dann wird eben der Rest bis zu den 297mm für die Sekundärspule mit Torus verwendet.
Die Verwendung eines möglichst weit entfernten (oder einfach mittig über dem Torus angebrachten) Breakoutpoints sollte das Problem weiter entschärfen.

Es bleibt die (für mich) schwierige Frage nach der Primärimpedanz.

loneoceans in der DRSSTC1 verwendet 100nF mit einer Halbbrücke, kaizerpower verwendet 75nf, ebenfalls in einer Halbbrücke. Da ich mit meiner geplanten Vollbrücke die doppelte Spannung (und damit 4fache Energie) schalte, bei nur doppelter Halbleiterbestückung, sollte ich wohl auch bei etwa doppelter Energie bleiben. Das wäre dann äquivalent zu 50nF bzw. 38nF. Daher denke ich, mit 47nF kann ich erst mal anfangen und die Primärspule darauf auslegen. Diese Überlegungen wüsste ich jedoch zunächst gern bestätigt.
Die Geometrie der Primärspule (halber Torus) macht eine Berechnung seiner Induktivität recht schwierig, ich habe daher im Raacke-Rechner zunächst eine Flachspule simuliert, die der von loneoceans von den Werten her sehr nah kommt. Mit 100mm Innendurchmesser, 1mm Lücke, 1mm Drahtdurchmesser und 18 Windungen komme ich auf 17,4cm Außendurchmesser und 62,7µH. Das ist nah genug dran, um bei später gegebener Sekundärspule und gewünschter Resonanzfrequenz die nötigen Windungen zu berechnen. Die Sekundärspule muss trotzdem erst kommen, damit die Resonanzfrequenz bekannt ist.


So weit erst mal von meiner Seite. Wenn ich das Okay zu den Platinen bekomme und euer Okay zu meinen Überlegungen hier, dann bestelle ich in Kürze bei mouser und beginne mit dem Bau.


Mark

[Mark]

Juhu! Platinen sind da! Dann kann ich ja jetzt bei mouser bestellen. Der Interrupter wird mikrocontrollerbasiert laufen, wohl mit 'nem kleinen µC von ST, habe dafür den Programmer (ein STM-Nucleo-Board mit ST-Link) vorhanden. Dann kann ich sowohl MIDI einbauen als auch eine manuelle Steuerung mit frei wählbarer Einschaltdauer und Bangs per second, vielleicht auch mit einem Burst mode.

Nach kaizers Empfehlung wird es vielleicht doch eine flache Primärspule. Spielt ja auch erst mal keine Rolle, da zunächst die Elektronik zusammengebaut wird. Die mouser-Bestellung wurde soeben abgeschickt, da kommt dann erst mal alles an Elektronik außer eine Kühlmöglichkeit für die IGBTs und der dicke Buselko. Hat von euch noch jemand einen passenden Elko? Landet ansonsten in der reichelt-Bestellung.

Ich werde morgen mal ein, zwei Rechnungen rein stellen, dass dieser Thread auch ein bisschen an akademischem Wert gewinnt, bin aber jetzt zu müde und muss morgen arbeiten.

[Mark]

Es ist in letzter Zeit etwas still um dieses Projekt geworden, ich weiß. Aber es hat sich auch ein bisschen was getan! Die Treiberplatine ist fertig bestückt, jedoch noch nicht getestet. Ich habe mich festgesetzt auf eine Innenhöhe des Gestells, in dem die ganze Elektronik verbaut ist, von 50mm. Aus diesem Grund die im Folgenden beschriebenen Designentscheidungen, die mir teilweise die Arbeit schwer machen werden. Der Schaltplan hält sich im Grundsatz an einen Vorschlag von Steve Ward, ich hab ihn nur abgezeichnet und für meine Bauteile abgeändert. So gibt es zum Beispiel nur einen Snubberkondensator. Schaut man sich den Hochstromkreis im Betrieb jedoch an, ergibt das auch Sinn. Außerdem ist dieser Kondensator sehr niederinduktiv angekoppelt. Zur Zeit designe ich das Platinenlayout der Brücke. Ich habe mal einige Screenshots aus KiCad angehängt, da sollte das Design ersichtlich sein. Hier noch mal meine Gedanken dazu, warum ich was wie gemacht habe:


Die Platine soll 0,6mm dick gefertigt werden. In Verbindung mit den Kupferflächen (Top-Layer: Positiv vom Bus-Elko, Bottom-Layer Negativ vom Bus-Elko) und möglichst kurzer Wege erhoffe ich mir so einen möglichst induktivitätsarmen Aufbau.

Der Weg der Dioden D6 und D14 bzw. die zugehörigen GDT-Anschlüsse zum Emitter von Q2 und Q4 erhielten eine Isolation von den Kupferflächen, um einen Spannungsfall über Platinenwiderstände (und -induktivitäten) zu vermeiden und das Gate-Signal mit Bezug zum Emitter so sauber wie möglich zu halten.

Die IGBTs selbst sind -anders als auf dem 3D-Render zu sehen- horizontal verbaut, haben also alle denselben Kühlkörper. Den KiCad-Footprint habe ich dennoch genommen, da der "normale" horizontale Footprint zu groß baut. Ich habe vor, die Anschlüsse direkt am Plastikgehäuse zu biegen, da ich so eine Gesamtbauhöhe von 50mm halten kann. Das entspricht auch etwa der Platinenhöhe.

Die Transistoren sollen über Metallstege an den Kühlkörper gedrückt werden, deren Befestigungslöcher nutze ich gar nicht. Damit sie aber lösbar bleiben, verwende ich Inbusschrauben, die durch die 4 mit Q1 - Q4 beschrifteten Bohrungen verschraubt werden können (zumindest geht ein 2,5mm Inbus durch für M3-Schrauben).

Die vielen Löcher links und rechts sind zur Montage der Platine selbst und ggf. für GDT-Halterungen. So bekomme ich die GDTs ziemlich nah an die Brücke und den Treiber und minimiere so Leitungslängen von und zum GDT.







Edit: Warum ich den Post hier verfasste: Wäre cool, wenn hier vielleicht ein, zwei Leute drüber gucken können, um zu sehen, ob ich irgendwo einen Denkfehler oder handwerklichen Fehler begangen habe (falsch herum montierter Transistor ist mir tatsächlich zwei Mal passiert bis zu diesem Stand)

[Paul]

Moin Mark,

super, dass du an dem Projekt noch dran bist! Schaut gut aus, halte uns auf dem Laufenden!

Viele Grüße
Paul

[Mofi]

Freut mich, dass es weitergeht. Für mich eines der interessantesten Projekte seit langem!
Wenn ich irgendwann eine DRSSTC bauen sollte, dann ungefähr in der Größe.
Aber: 50mm Höhe für die ganze Elektronik? Ist das nicht arg knapp?

Viel Erfolg, Mofi.

[Mark]

Aber: 50mm Höhe für die ganze Elektronik? Ist das nicht arg knapp?

Das ursprüngliche Entwicklungsziel lautete: "Die längsten Blitze aus einer Spule in DIN A4-Größe". Das jetzige: "Die längsten Blitze aus einer Spule in DIN A4-Größe, nur keine QCW".

Jau, das wird super eng. Sieht man ja schon an der Platine und daran, dass ich die Beine der IGBTs da biege, wo das eigentlich nicht gemacht wird, nämlich direkt am Gehäuse. Ich hab mir allerdings hier meine Bauteile angesehen und das größte war der 100 mal 50 mal 40mm Kühlkörper. Der bekommt zwei (ziemlich laute) 24V-Lüfter zur Unterstützung, die ich vielleicht auch in Reihe schalte, wenn das reicht. Das Schaltnetzteil von Meanwell ist ziemlich klein, die Buselkos (330µF 400V, davon zwei Stück) haben auch bloß 30mm Durchmesser mal 42mm Länge und die Primärkondensatoren (einer oder evtl. 4 47nF CDE-Kondensatoren) 16 mal 45mm. Nur beim Leistungsteil wird es wirklich eng.

[Mofi]

Das ursprüngliche Entwicklungsziel lautete: "Die längsten Blitze aus einer Spule in DIN A4-Größe". Das jetzige: "Die längsten Blitze aus einer Spule in DIN A4-Größe, nur keine QCW".

Das gefällt mit sollte es ursprünglich eine QCW werden?
Ich hab mich bisher noch nicht mit DRSSTCs beschäftigt. Würd mich fruen, wenn du noch etwas mehr über dein Projekt erzählst.
Nichts Grundsätzliches über die Technik (die werd ich mir wohl selber anlesen müssen , sondern wie du zum geplanten Design gekommen bist. Und: Gibt es schon etwas, von dem sich Bilder machen lassen?
Bin sehr gespannt, wie es weiter geht!

Grüße, Mofi.

[Mark]

Ne, eine QCW sollte es nicht unbedingt werden.
Ich hab in mein Bücherregal geguckt und mir gedacht "Da stelle ich eine Teslaspule rein". Damit waren die Maße festgesetzt, da passt nämlich maximal DIN A4. Zu dem Zeitpunkt dachte ich, dass so 15cm Entladungen vielleicht realistisch sind. Dann habe ich allerdings etwas weiter nachgeschaut und DRSSTCs sowie QCWDRSSTCs (kann eine so lange Abkürzung eigentlich noch kurz genannt werden?) gesehen und es stand fest, dass ich mal die etwas kompliziertere Leistungselektronik bauen möchte, statt dauernd nur in der Theorie dazu zu versinken.

"Günstiger" Nebeneffekt: Ich hatte endlich einen Vorwand, mir eine vernünftige Lötstation zu besorgen, die alte ging mir voll auf den Keks. Jetzt hab ich 'ne JBC, mit der ich wohl auch in 20 Jahren noch löte. Ein tolles Teil.

Da das Ganze später im Bücherregal steht, soll die Optik natürlich auch dementsprechend werden. Der Aufbau wird daher kein loser Verhau, sondern eben so hübsch, wie es mir gelingt. Den Torus zum Beispiel kaufe ich zu von http://highvoltageshop.com/epages/b7308 ... id_200mm_h, die Montageplatte würde ich gern aus FR4 machen oder vielleicht auch Acryl, dazu viele 3D-gedruckte Teile.

Ich denke, die Primärspule mache ich aus NYM-J 1x6, also im Prinzip 2,8mm dicker Draht. Das ist zwar bei Frequenzen >300kHz eher schlecht vom Widerstand wegen des Skineffekts, aber hat wenigstens eine relativ gute Stabilität und thermische Masse. Wird vielleicht warm, aber das sieht man dann ja. Die Führungen für die Primärspule entweder aus FR4, obwohl die Bearbeitung furchtbar ist, oder Pertinax. Vermutlich Pertinax, trotz der etwas schlechteren Werte bei nennenswerten Temperaturen. Auf jeden Fall wird der Teil nicht aus PLA gedruckt. Ein Strike-Rail kommt dann wohl auch noch rein.

Edit: Bilder lassen sich momentan wohl nur von der fertig gelöteten Treiberplatine machen. Mein erstes Board mit SMD, aber mit Pinzette, Entlötlitze und ohne Kaffee ging auch der wirklich kleine Unterspannungschip rein.

[Mark]

Irgendwann habe ich glaube ich mal etwas Mathematik versprochen. Deshalb berechnen wir doch mal ein bisschen Induktivitäten!

Zunächst die GDTs:
Material ist 77, beim nächsten Mal evtl. etwas, das höhere Frequenzen kann. Na ja, sei es drum.

3 Wicklungen, N_sek_1=N_sek_2=N_pri

U_in=24V (Vollbrücke)
f=250kHz (geringerer Wert als in der späteren Anwendung, das sorgt für etwas Sicherheit)
B_max = 25mT (mehr oder weniger willkürlich gewählt, da sind die Verluste noch sehr klein)
Ich habe zwei Kerne zur Auswahl mit je folgenden magn. Flächen:
A_1 = 0,59cm² = 0.000059m²
A_2 = 0,79cm² = 0.000079m²

N=U/(4*A*f*B) (siehe dazu https://www.mikrocontroller.net/article ... und_Spulen, sehr hilfreich)

N_pri_1=24V/(4*0.000059m²*250000Hz*0,025T)=16,27
N_pri_2=24V/(4*0.000079m²*250000Hz*0,025T)=12,15

Da mit vielen Sicherheiten gerechnet wurde, entscheide ich mich, abzurunden auf 16 respektive 12 Windungen. Diese sollten trifilar gewickelt werden, um eine möglichst gute Kopplung zu erreichen.


Weiter gehts mit den Stromwandlern. Hier berechnet sich der Trafo im Prinzip genau so, wir haben nur etwas komische Windungsverhältnisse und hohe Ströme. Zunächst mal lege ich den maximalen Strom durch die Teslaspule mit I=400A fest. Da komme ich wohl nicht hin, aber vielleicht bis 300A. Etwas Reserve ist immer gut.

Loneoceans spricht von etwa 1A Feedbackstrom. http://www.loneoceans.com/labs/ud27/
Das entspricht einem Verhältnis N_2/N_1 von 400. Das ist allerdings mit recht hohem Wickelaufwand verbunden. Ich gehe daher von 2 Trafos mit einem Übersetzungsverhältnis von je 20:1 aus, wie man sie wohl schon vielfach gesehen hat und die irgendwie auch üblich sind. Erst mal berechne ich den geforderten Mindestquerschnitt des Kerns, der näher zum Treiber liegt. Der Feedbackzweig hat hier einen Widerstand von 51 Ohm verbaut, es ergibt sich demnach bei 1A eine Spannung von etwa 50V (dieses Mal Sinus). Beim OCD-CT sind es 5 Ohm und wohl etwa 7V, da hier noch Gleichrichterdioden eingebaut sind.
A=U/(4,44*f*B) / N ...4,44 weil Sinus
A=50V/(4.44*250000*0.025) / N
A=18cm²/N
Es ist gerade spät, aber ich glaube, die Rechnungen stimmen trotzdem. Wird beim Feedback-CT die Sättigung billigend in Kauf genommen? Ich mein, geschaltet ist da ja längst. Gut, noch mal nachgedacht. Es ist halt wirklich egal, bzw. sogar vorteilhaft, da so eine übermäßige Verlustleistung im 51 Ohm -Widerstand vermieden wird. Beim OCD-CT ist das Ganze schon kritischer, ich denke darauf sollte ich die Dinger auslegen. Große Probleme erwarte ich allerdings nicht, da dort weniger Spannung gefordert wird (etwa Faktor 7), einige Windungen (sagen wir 10...14...20) in der Wicklung sind und die 25mT äußerst konservativ gerechnet sind. Ich denke ich könnte diese Größe https://www.reichelt.de/Ferrit-Ringkern ... stct=pol_2 gut nutzen. Heute Abend denke ich mich aber nicht weiter hinein.


Mark

[Mark]

Lange ist das Projekt eingeschlafen, und so schnell komme ich jetzt auch nicht zu "echter" Arbeit an dem Ding, aber bis Ende des Jahres wird es blitzen (oder abrauchen), versprochen! Ich wollte jedenfalls in den nächsten Monaten zumindest schon mal die Platinen fertig haben, die ich noch brauche. Zunächst wäre da die Brücke, die Platine hab ich noch mal etwas überarbeitet. In erster Linie deswegen, weil ich einen neuen Rechner habe und die Daten noch auf dem alten liegen, auf den ich aber zur Zeit keinen Zugriff habe. Jedenfalls hab ich noch Brücken mit 1,5qmm vorgesehen, um die Belastung der Platine etwas zu minimieren.

Als nächstes steht die Bus-Elko-Platine an. Simples Ding eigentlich: Gleichrichter, Elkos, zack feddich. Nun aber zu meiner Frage: Was für Sicherheitsmaßnahmen sollte man treffen?
Ein Vorwiderstand zur Strombegrenzung?
Eine Gleichtaktdrossel (und X/-Y-Kondensatoren) gegen HF-Müll?
Einen Kondensator nach Erde gegen Spannungsspitzen im Bus (hab ich hier im Forum gelesen, wo sollte der hin und wie groß dimensioniert man den?)?

Durch die absolut lächerlichen Preise für Platinen und das Vorhandensein eines 3D-Druckers steht jetzt auch das Konzept für den mechanischen Aufbau: Die Primärspule wird torusartig geformt, gestützt von 6 oder 8 FR4-Boards mit in einem Halbkreis angeordneten Löchern für den Draht. Diese Boards werden an je eine 3D-gedruckte Stütze angeschraubt, die zur nächsten jeweils ganz leicht versetzte Aufnahmen für die Boards hat, sodass eine gleichmäßige Steigung gegeben ist. In meinem Kopf funktioniert das super und ist sehr stabil, in Realität hoffentlich auch. Der "Unterbau" besteht aus 2 200 mal 200mm großen FR4-Boards mit Befestigungslöchern drin. Auf die eine davon kommt dann die ganze Elektronik, auf die andere der eigentliche Tesla-Transformator. Die beiden großen Boards werden dann wohl durch eine Mischung aus eh vorhandenen Sachen (Kühlkörper zum Beispiel), 3D-gedrucktem Zeug (Anschlussteil mit Kaltgerätesteckern zum Beispiel) und ein paar Abstandsbolzen (aus Kunststoff oder Messing, bin da etwas paranoid) gehalten. Der Aufbau trägt dann auch nicht so sehr auf (50mm Innenleben, 2 mal 1,6mm für die Platinen, und etwas für die Gummifüße, die höher als die Schraubenköpfe sein sollten).

[Daniel]

Hi.
Also erste Sicherheitsmaßnahme sollten Entladewiderstände für die Bus Elkos sein. Eventuell auch mit LED damit man erinnert wird das noch "Saft" drauf ist. Du kannst eine Einschaltstrombegrenzung aus Ladewiderstand und Relay bauen.
Erdung kannst Du so ausführen: https://www.stevehv.4hv.org/DR_plexi/ge ... scheme.pdf