Bobina de Tesla de estado sólido

Bobina de Tesla de estado sólido

Versión mejorada de la clasica bobina de Tesla que, gracias al uso de las actuales tecnologías en electrónica de potencia como los transistores bipolares de puerta aislada (IGBTs) y los circuitos digitales como los microcontroladores, permiten un grado de control hasta ahora inimaginable en éste siempre fascinante dispositivo pudiendo, por ejemplo, reproducir piezas musicales polifónicas en formato MIDI

Coil 2

 

Una vez adquirida cierta habilidad en el diseño y depuración de los circuitos electrónicos que gobiernan una bobina de Tesla moderna he decidido dar un nuevo paso con la incorporación de módulos IGBT capaces de manejar potencias mucho mayores que en el caso de los transistores discretos en encapsulado TO-247 o To-264 utilizados en el anterior diseño.

 

 

 

Inversor de potencia

 

Tras encontrar a muy buen precio (10 eur/ud.) un par de módulos IGBT Fuji 2MBI150SC-120 he decidido construir dos bobinas similares cuya electrónica de potencia se basa en medio puente que, gracias a una rectificación con doblador de tensión se alimenta a unos 650VDC. Esta alimentación utiliza en total 4000uF de capacidad para su filtrado, utilizando además un snubber formado por dos condensadores de poliester de 2.2 uF / 630V en serie.

 

El módulo IGBT tiene como valores nominales 150A / 1200V y sopporta perfectamente corrientes transitorias de varios cientos de amperios. Además he usado disipadores de calor de aluminio de gran tamaño y, por supuesto, convección forzada.

 

El diseño del bus DC se ha realizado procurando que IGBTs y condensadores esten lo mas próximos para minimizar la inductancia parásita que puede ser causa de picos de sobretensión inaceptables.

Driver

 

Para el desarrollo de la circuiteria de control del inversor en esta ocasión he optado por el diseño en PCB de doble cara, utilizando a tal fin el software de diseño electrónico Eagle, cuya versión de evaluación permite trabajar con circuitos como este.

En el siguiente video se muestra una prueba de funcionamiento del sistema a potencia reducida mediante el uso de un autotransformador variable (variac) de 3kVA, muy útil a la hora de poner a punto un equipo tan delicado. Este transformador se ha configurado en torno al 35% de su tensión máxima (230VAC) por lo que en el bus de continua tenemos ago mas de 100V.

 

El controlador MIDI está utilizando 2 arduinos Nano en cascada, reproduciendo tan solo 4 notas simultaneamente y su funcionamiento cumple sobradamente mis expectativas.

 

La pieza musical elegida para esta prueba es el tercer movimiento de "el verano" perteneciente a "las cuatro estaciones" de Antonio Vivaldi.

Fuga en Re menor de J. S. Bach

 

Cada bobina interpretauna mano de esta excepcional obra maestra para organo de acuerdo con su partitura. Lo que se traduce en polifonía de 8 notas con asombrosos dialogos entre ambas manos.

A continuación expondré alugunos de mis diseños de bobina de Tesla de estado sólido doblemente resonante o DRSSTC, acrónimo del inglés "Dual Resonant Solid State Tesla Coil".

 

El DRSSTC consiste en una bobina de Tesla clásica, con su circuito LC primario y su circuito LC secundario (ambos sintonizados, siendo ésta la primera resonancia). Sin embargo para controlar el flujode corriente a traves de ellos se usan puentes de MOSFETs o, mejor aún, de IGBTs que son controlados por drivers electrónicos diseñados para conseguir una conmutación suave, justo en el paso por cero de la corriente primaria (ZCS del inglés "Zero Current Switching"). Dependiendo de los semiconductores utilizados y el exito del driver en conseguir la conmutación suave se puede trabajar con corrientes de pico de varios cientos de amperios.

 

Estos drivers incorporan un bucle de realimentación de corriente (al que podríamos considerar como segunda resonancia) asi como entrada óptica para controlar el estado ON u OFF del dispositivo y suele ser aconsejable un sencillo circuito de protección de sobreintensidad si pretendemos que la máquina nos dure lo suficiente como para poder seguir aprendiendo con ella.

 

 

 

Coil 1

 

Las siguientes imagenes ilustran el proceso de diseño y contrucción de lo que llamaremos Coil 1, Un modesto sistema que ha cuplido con creces su objetivo inicial que no era otro que servir de toma de contacto con esta tecnología y de entrenamiento en la comprensión y depuración del circuito.

 

 

 

Inversor de potencia

 

Basado en un punte completo de 4 IGBTs IXGH60N60C2 con encapsulado TO-247 y unos valores nominales de 75A, 600V bastante modestos para estos fines si bien soportan 300A a 25ºC en pulsos inferiores a 1ms. Lo cierto es que pueden trabajar con seguridad manejando corrientes de 400A en pulsos mas cortos, con un ciclo de trabajo bajo y siempre buscando una conmutación suave. Es imperativo el uso de disipadores térmicos y a ser posible ventilación forzada.

 

Driver o circuitería de control

 

Se trata de la electrónica que controla el puente de IGBTs y genera una corriente senoidal a traves del circuito LC primario del sistema con su frecuencia natural siendo interesante aproximarse la máximo posible a la situación de conmutación suave, es decir conviene que las IGBTs conmuten cuando la corriente sea lo mas proxima a cero minimizando así las perdidas por conmutación y permitiendo manejar intensidades que, de otra forma destruirían con toda seguridad los semiconductores.

 

Esta parte trabaja a baja tensión (5V,15V) frente a los 320V de la parte de potencia y consta de un bucle de realimentación, una lógica de sincronización, entrada optica de señal de control (interrupter) y circuitería de protección frente a sobreintensidad.

 

Es una variación del diseño original de Steve Wards, simple y eficaz, además de ser un circuito fácil de depurar. Muchas gracias Steve!!!

Circuito resonante

 

Los bobinados primario y secundario junto con el condensador primario y el terminal toroidal forman dos circuitos LC acoplados electromagneticamente y que, con los valores adecuados pueden estar en resonancia, maximizando entonces la transferencia de energía entre ambos.

 

Esta parte del sistema se corresponde con el diseño clásico de la bobina de Tesla donde el ruptor o gap y la fuente de alta tensión han sido sustituidos por la electrónica previamente descrita.

 

Para los calculos he utilizado Javascript Tesla Coil Designer, una herramienta altamente recomendable.

Interrupter - Controlador MIDI

 

Tal como está diseñado, el sistema fallaría si lo hacemos funcionar en modo continuo, ya que los semiconductores de potencia solo pueden soportar la enorme corriente durante breves periodos de tiempo (1ms). Por otro lado, aunque existen bobinas de Tesla diseñadas para funcionar en modo continuo o modo CW (continuous wave), los arcos eléctricos producidos por este tipo de dispositivos no emiten sonido alguno.

 

Por ello, gracias a un circuito externo denominado interrupter, el equipo funcionará de forma interrumpida, con tiempos de ON en torno a los 100us y un duty cycle o ciclo de trabajo inferior al 10%. Estos pulsos se repetiran en el tiempo con una frecuencia determinada produciendo sonido a esa frecuencia concreta. En una de las imagenes anteriores se muestra un interrupter básico, basado en el conocido circuito integrado 555, util a la hora de poner a punto el sistema pero tan solo capaz de producir una nota musical.

 

Con la ayuda de varios microcontroladores es posible leer la información transmitida desde un PC por un puerto MIDI y generar a partir de ella varias notas musicales de forma simultanea, es decir, sonido polifónico. El resultado es bastante interesante...

 

El código fuente para programar los microcontroladores conectados en cascada se muestra a continuación.

Resultados

 

 

A continuación se muestran algunos videos de diversas piezas ejecutadas por "Coils" basados en los diseños previamente explicados, si bien con algúnas mejoras en cuanto a depuración del circuito y una correcta sintonización.

 

 

Dueling Banjos

 

Tema ejecutado por dos DRSSTCs funcionando al 60% de su capacidad nominal.

 

El Coil de la derecha está basado en un puente completo de IGBTs discretos en encapsulado TO-264 (algo mayor que el TO-247). Se trata del SGL160N60UFD, con mejores prestaciones que los utilizados anteriormente en el coil #1.

 

El condensador primario esta formado por varios condensadores de polipropileno en disposición serie-paralelo para conseguir que soporten los valores tanto de tensión como de corriente a los que estará sometidos en su funcionamiento a potencia nominal. Esta configuración se conoce como MMC (Multi Mini Capacitor). La capacidad total es de 64nF.

 

La bobina secundaria esta formada por unas 850 espiras bobinadas sobre tubo de PVC de 125mm con 40 cm de altura. He utilizado conductor de cobre de 0.4 mm aislado con doble baño de poliuretano. La inductancia de esta bobina es de 32mH.

 

El Bus de continua esta siendo filttrado por 4 condensadores electrolíticos de 1000uF/450V.

 

 

Por otro lado, el coil de la izquierda utiliza un módulo IGBT en medio puente (Fuji 2MBI150U4A120), algo mas avanzado que el mencionado anteriormente en el coil #2.

 

La rectificación utiliza doblador de tensión, ya que este módulo presenta una tensión nominal de 1200V, frente a los 600V de los IGBTs discretos utilizados por el anterior. El condensador primario (MMC) alcanza una capacidad de 136nF y la bobina secundaria una inductancia de 53mH.

 

De acuerdo con estas especificaciones, y como puede apreciarse en el video, el coil de la izquierda presenta una salida sensiblemente mas potente.

 

La protección de sobrecorriente (OCD) está configurada en torno a 500A para ambos modelos.

Bright side of Life

 

Same cLos mismos equipos ejecutando el tema final de la conocida pelicula de Monty Python "La vida de Braian". Aproximadamente al 70% de la potencia nominal.

Suite para Chelo n.1 in G (BWV 1007) de J. S. Bach - Preludio

 

El coil de la izquierda ejecuta en solitario el preludio completo de esta magnifica suite. Al 80% de potencia pero la protección de sobrecorriente (OCD) se dispara constantemente. Probablemente acabaré probando con un limite algo superior y menores "tiempos de ON".

Las cuatro Estaciones de Antonio Vivaldi - 3er movimiento - Presto

 

El Coil de la izquierda interpreta en solitario esta pieza, utilizando polifonía de 4 notas. Potencia al 80%, pero al tratssrse se notas más altas y por tanto con tiempos de ON más bajos, la protección de sobreintensidad tan solo actua de vez en cuando. El resultado es un espectaculo bastante impresionante.

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