MOSFET Teslaspule

Die Beschaffung eines Hochspannungstrafos und der Kondensatoren für den Primärschwingkreis einer Teslaspule ist meist recht schwierig. Daher wird bei dieser Schaltung die benötigte HF elektronisch erzeugt und in die Spule eingespeist.

Die Ansteuerung einer Teslaspule mit einer HF Endstufe ist an sich recht einfach, da eine Teslaspule sich wie ein Reihenschwingkreis verhält: Nur wenn die Frequenz stimmt, fließt ein hoher Strom.Daher stört es nicht, wenn die Ansteuerung nicht Sinusförmig sondern ein Rechteck ist. Das vereinfacht die Schaltung um einiges, denn so kommt man mit einer einfachen Halbbrücke aus.
Die komplette Theorie dazu ist sehr gut auf dieser Seite beschrieben: http://www.richieburnett.co.uk

Die Ansteuerschaltung beschrängt sich daher auf einen Rechteckoszillator und eine Leistungsendstufe.

Die Funktionsweise einer Halbbrücke beschreibe ich hier nicht, denn das ist überall im Internet zu finden. Was aber wichtiger ist ist die Ansteuerung der MOSFETs. Nur wenn die Gatespannung ein sauberes Rechteck ist, läuft die Schaltung mit einem hohen Wirkungsgrad.Da Leistungs MOSFETs einige nF Gatekapazität haben, und die Drain-Gate Kapazität bei hohen Spannungen dem Gatesignal entgegenwirkt, ist die Gateansteuerung bei hohen Frequenzen nicht einfach. Hier werden rund 10W dafür verwendet, nur um die Gatekapazitäten zu laden und zu entladen.

 

 

Da der obere MOSFET in einer Halbbrücke mit dem Ausgang verbunden ist, muss die Gateansteuerung gavanisch vom Rest getrennt werden. Im Gegensatzu zu vielen anderen Schaltungen verwende ich dazu nicht nur einen Übertrager der direkt die MOSFETs ansteuert, sondern ich füge dazwischen noch eine Pufferstufe ein. Dadurch wird die Gatekapazität von der Übertragerinduktivität entkoppelt, wodurch sinusförmige Schingungen verhindert werden. So lassen sich viel steilere Ansteuersignale erreichen. Allerdings hat das ganze auch einen Nachteil: Die Gatekapazität und die Übertragerinduktivität kompensieren nicht mehr gegenseitig die Blindströme, weshalb eine höhere Treiberleistung benötigt wird.
Die übertragene Wechselspannung von etwa 20-30Vss wird mit den Dioden D1 bis D4 gleichgerichtet und als Betriebsspannung für den Puffer verwende. Gleichzeitig begrenzen sie die Basisspannung auf etwa Kollektorspannung + 0,5V.
Die Pufefrstufe besteht aus zwei Transistoren die als Emitterfolger geschaltet sind. Die Basiswiderstände verhindern eine allzustarke Sättigung der Transistoren und ermöglichen so ein schnelleres Schalten. Die Diode parallel zum Gatewiderstand sorgt für ein schnelleres Entladen der Gatekapazität, damit ein MOSFET gesperrt ist, ehe der andere leitend wird.
Der Übertrager besteht aus primär 4 Windungen und Sekundär 2x 6 Windungen, gewickelt auf einen RIK 20 Ringkern von Reichelt.

Die Ansteuerung des Übertragers erfordert ebenfalls eine relativ hohe Leistung, und vor allem sollte das ansteuernde Rechtecksignal steile Flanken besitzen. Da bei Frequenzen im Bereich von 500kHz und mehr über 10W an Treiberleistung benötigt werden, fiel auch hier die Wahl auf eine kleine MOSFET Endstufe. Da es sich hierbei um eine Komplementär Endstufe handelt, ist nie so ganz zu vermeiden, dass beide MOSFETs gleichzeitig leitend werden. Daher fließt bei jedem Umschalten kurzzeitig ein Strom von bis zu 10A. Im Mittel sind es jedoch unter 100mA bei 500kHz wenn die Flanken der Gatesignale steig genug sind. Um diese Spitzen abzufangen, sollte so nahe wir möglich an den MOSFETs ein kleiner Kondensator eingebaut werden.

 

Um dieses Problem noch weiter zu reduzieren, sind auch hier wieder Dioden parallel zu den Gatenwiderständen eingebaut, die den einen MOSFET sperren, ehe der andere leitend wird.
Angesteuert werden die beiden MOSFETs von dem MOSFET Treiber ICL7667, dessen beide Treiber parallel geschaltet sind. Auch hier sollte man so nahe wie möglich am IC einen 100nF Kondensator einbauen. Weiterhin sollten die Betriebsspannungsleitungen zwischen IC und MOSFET auch hier so kurz wie möglich sein.
Der ICL7667 kann direkt mit jedem beliebigen Rechtecksignal angesteuert werden. Ich verwende dafür einen 4046 als VCO, da dieser ein sehr symmetrisches Signal liefert, und die Frequenz über eine Spannung eingestellt werden kann. Dadurch sind auch in der Nähe starker HF Felder längere Leitungen zu einem Poti möglich.

 

Die ersten beiden Bilder zeigen das Ausgangssignal der ersten MOSFET Treiberstufe vor dem Übertrager. Die Amplitude beträgt 15Vss bei 15V Betriebsspannung. Bei 150kHz und 550kHz unterscheiden sich die Signale kaum.

 

 

 

 

 

Das nächste Bild zeigt eines der Signale hinter dem Übertrager. Die Amplitude beträgt etwa 24Vss bei einem Windunungsverhältnis von 4:6. Auch hier ist der Unterschied zwischen dem 150kHz und dem 550kHz Signal noch relativ gering.

Der RIK 20 Übertrager hat einen recht hohen Al Wert, weshalb man mit wenigen Windungen auskommt. Somit hat man kaum Wicklungskapazitäten. Weiterhin kommt der Kern bei den wenigen Windungen nicht so schnell in die Sättigung. Auf diese Weise kann man mit dem selben Kern und derselben Wicklung problemlos Signale von <50kHz bis >1MHz übertragen, ohne dass sich Form der Rechteckkurve stark ändert.

 

Das letze Bild zeigt die Gatespannung eines MOSFETs. Die Abfallzeit könnte noch etwas kürzer sein, die langsamere Anstiegszeit ist absichtlich etwas gebremst, damit nicht beide MOSFETs gleichzeitig leitend werden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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