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Elektronik


Konzept

Nachfolgend ist ein Blockschaltbild zu erkennen, wie die einzelnen Komponenten zusammenarbeiten.

Konzept

Die Elektronik für die Music Tesla Coil besteht aus mehreren Komponenten, welche jeweils unterschiedliche Aufgaben erfüllen.

Grundsätzlich benötigt eine elektronisch angesteuerte Teslaspule eine Treiberstufe und eine Halb- oder Vollbrücke. Weiters wird ein Primärschwingkreis benötigt, der aus einem Impulsfesten Kondensator und der Primärspule besteht, sowie eine Sekundärspule, welche eine hohe Windungsanzahl benötigt um die Spannung entsprechend hochzutransformieren.

Nachfolgend ist ein Blockschaltbild zu erkennen, wie die einzelnen Komponenten zusammenarbeiten.

Konzept

Treiberstufe

Treiberstufe

Die Treiberstufe hat die Aufgabe, das Schwingsignal im Primärkreis zu messen und ein Steuersignal mit derselben Frequenz zu erzeugen, damit dieses zur Ansteuerung der Vollbrücke verwendet werden kann.

Weiters muss die Treiberstufe das Steuersignal vom Raspberry Pi, welches über einen Lichtwellenleiter übertragen wird, empfangen. Dieses Steuersignal hat eine wesentlich geringere Frequenz als die Schwingfrequenz des Primärkreises. Es wird als Interruptsignal verwendet. Wenn also vom Raspberry eine logische 1 gesendet wird, soll das Steuersignal, welches die Frequenz des Primärkreises hat, an diesen weitergegeben wird. Solange eine logische 0 vom Raspberry gesendet wird, soll die Vollbrücke nicht angesteuert werden.

Auf diese Art und Weise kann mittels des Raspberry die Teslaspule mit den gewünschten Frequenzen moduliert werden.

Zusätzlich besitzt die Treiberstufe noch einen Überstromschutz. Dieser misst über einen weiteren selbstgewickelten Transformator und einen Shunt-Widerstand den Strom im Primärkreis. Mit Hilfe eines Komparators und einem Potentiometer kann so ein gewünschter Maximalstrom im Primärkreis eingestellt werden. Wird dieser überschritten, wird die Vollbrücke so lange nicht angesteuert, bis der Primärstrom wieder unter dem eingestellten Grenzwert ist.

Die Treiberstufe besitzt dann noch eine zweistufige Push-Pull-Stufe, welche das Steuersignal für die Vollbrücke mit genügend Leistung verstärkt.

Treiberstufe

Zur galvanischen Trennung der Treiberstufe von der Vollbrücke wird ein selbstgewickelter Transformator verwendet.

Zur galvanischen Trennung der Treiberstufe von der Vollbrücke wird ein selbstgewickelter Transformator verwendet.

Vollbrücke

Vollbrücke

Die Vollbrücke besteht aus einer H-Schaltung mit 4 IGBTs. Dieselbe Schaltung wird auch zur Ansteuerung von Gleichstrommotoren verwendet.

In unserer Anwendung schalten jeweils diagonal immer die IGBTs durch, passend zur Frequenz des Schwingkreises.

Vollbrücke

Die Vollbrücke wurde auf einem Eisenblock, der zur Kühlung der IGBTs dient, montiert und frei verdrahtet, um die parasitären Induktivitäten so gering wie möglich zu halten.

Die Vollbrücke wurde auf einem Eisenblock, der zur Kühlung der IGBTs dient, montiert und frei verdrahtet, um die parasitären Induktivitäten so gering wie möglich zu halten.

Gesamtaufbau

Gesamtaufbau

Alle Komponenten wurden im Boden des Gehäuses eingebaut, wobei darauf geachtet wurde, dass zwischen den Komponenten genug Abstand ist, da hier hohe Spannungen auftreten und dies auch die Verdrahtung vereinfachte.

Gesamtaufbau

Weitere Impressionen

Nachfolgend sind noch weitere Impressionen ersichtlich. Unter anderem vom Messen der Funktionalität der Treiberstufe und gewissen Komponenten der Hardware.

Messung Treiberstufe
Feedback-Transformatoren
Primärkondensator
Spannungsversorgung-Vollbrücke
Treiberstufe mit Gate-Drive-Transformator
LWL-Sendeplatine mit Treiberstufe