Embed Size (px)
Citation preview
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK FAKÜLTESİ
MAYIS 2015
10 KV, 200 KHZ'LİK YARIİLETKEN TETİKLEMELİ
TESLA ÜRETECİ TASARIMI VE YAPIMI
LİSANS BİTİRME TASARIM PROJESİ
Murat SERT
(040100xxx)
ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK FAKÜLTESİ
MAYIS 2015
10 KV, 200 KHZ'LİK YARIİLETKEN TETİKLEMELİ
TESLA ÜRETECİ TASARIMI VE YAPIMI
LİSANS BİTİRME TASARIM PROJESİ
Murat SERT
(040100xxx)
Danışmanı: Prof. Dr. Özcan KALENDERLİ
Bölüme Teslim Edildiği Tarih: 18 Mayıs 2015
ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
ii
ÖNSÖZ
Yarıiletken tetiklemeli Tesla üretecini bitirme çalışması olarak almamı sağlayan ve
değerli vakit ve tecrübelerini benimle paylaşan sevgili hocamız Prof. Dr. Özcan
Kalenderli’ye, bu uzun süren çalışma boyunca bana birçok yardımı dokunan Araş.
Gör. Aytuğ Font’a, benden maddi ve manevi desteklerini eksik etmeyen sevgili
aileme ve dayım Xxx XXX'e teşekkürlerimi sunarım.
Mayıs 2015 Murat SERT
iii
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET ........................................................................................................................ viii
1. GİRİŞ ...................................................................................................................... 1 1.1 Projenin Amacı .................................................................................................. 1
1.2 Tesla Üretecinin Temel Çalışma İlkesi ............................................................. 1
2. YARIİLETKEN TETİKLEMELİ TESLA ÜRETECİ TASARIMI ................. 4 2.1 Birincil Devre Tasarımı ..................................................................................... 4
2.1.1 Güç Katı Tasarımı ....................................................................................... 4
2.1.1.1 Tek Fazlı Yarım Köprü Evirici ............................................................ 4
2.1.1.2 Tek Fazlı Tam Köprü Evirici ............................................................... 5
2.1.2 Sürme Katı Tasarımı .................................................................................. .6
2.1.2.1 Darbe Transformatörleri....................................................................... 7
2.1.2.2 Optocouplerlar...................................................................................... 8
2.1.3 Sinyal Üreticisi Tasarımı ............................................................................ 8
2.1.4 Birincil Bobinin Tasarımı ........................................................................... 9
2.1.4.1 Helisel Sarım ........................................................................................ 9
2.1.4.2 Helisel Solenoid Sarım ......................................................................... 9
2.1.4.3 Ters Konik Sarım .............................................................................. 10
2.2 İkincil Devrenin Tasarımı ............................................................................... 11
2.2.1 İkincil Bobinin Tasarımı ........................................................................... 11
2.2.2 İkincil Kapasitenin Tasarımı ..................................................................... 11
2.2.2.1 Bobinin Öz Kapasitesi ...................................................................... .12
2.2.2.2 Toroid Elektrot .................................................................................. .12
2.2.2.3 Küresel Elektrot ................................................................................ .13
2.3 Rezonans ........................................................................................................ .14
2.3.1 Seri Rezonans Devreleri ........................................................................... .14
2.3.2 Paralel Rezonans Devreleri ...................................................................... .15
2.4 Sürücü Devreyi Tasarlarken Dikkat Edilmesi Gereken Bazı Hususlar ........... 15
2.4.1 Yarıiletken Elemanların Özellikleri ......................................................... .15
2.4.2 Deri Etkisi ................................................................................................ .15
2.4.3 Yakınlık Etkisi .......................................................................................... 17
2.4.4 Kabloların Akım Taşıma Kapasitesi ......................................................... 17
2.4.5 Yüksek Frekanslarda Kondansatörler ...................................................... .18
2.5 Tasarlanan Tesla Üretecinde Rezonans Koşulu .............................................. 19
3. TESLA ÜRETECİNİN YAPIM AŞAMALARI ................................................ 20 3.1 İkincil Devrenin Yapımı .................................................................................. 20
3.1.1 İkincil Bobinin Yapımı ............................................................................. 20
3.1.2 İkincil Kapasitenin Yapımı ....................................................................... 22
3.1.3 Topraklama ............................................................................................... 34
3.2 Birincil Devrenin Yapımı ............................................................................... 36
3.2.1 Sinyal Üreticisi Yapımı ............................................................................. 37
3.2.2 Sürme Katı Yapımı ............................................................................. ..... 38
iv
3.2.3 Güç Katı Yapımı ..................................................................................… 28
3.2.4 Birincil Bobinin Yapımı ............................................................................ 30
4. ÜRETECİN ÇALIŞTIRILMASI ........................................................................ 32
5. SONUÇ VE ÖNERİLER ..................................................................................... 33
KAYNAKLAR ......................................................................................................... 34
EKLER ...................................................................................................................... 35
v
KISALTMALAR
RLC : Direnç, Bobin ve Kapasitör
PVC : Polivinil Klorür
PWM : Darbe Genişliği Modülasyonu
RL : Direnç ve Bobin
vi
ÇİZELGE LİSTESİ
Sayfa
Çizelge A.1 : Maliyet çizelgesi .................................................................................. 35
vii
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa
Şekil 1.1 : Tesla üreteci devresi ................................................................................... 2
Şekil 1.2 : Karşılıklı endüktans .................................................................................... 3
Şekil 2.1 : Tek fazlı yarım köprü evirici devresi ......................................................... 5
Şekil 2.2 : Tek fazlı yarım köprü eviricide RL yükü için dalga şekilleri .................... 5
Şekil 2.3 : Tek fazlı tam köprü evirici ......................................................................... 6
Şekil 2.4 : Tek fazlı tam köprü eviricide RL yükü için dalga şekilleri ........................ 6
Şekil 2.5 : Üst mosfetin kapısı ve nötr arası gerilim.................................................... 7
Şekil 2.6 : Transformatör yalıtımlı kapı sürüşü ........................................................... 7
Şekil 2.7 : Kapı sürüş transformatörü .......................................................................... 8
Şekil 2.8 : Örnek bir optocoupler şeması..................................................................... 8
Şekil 2.9 : Helisel sarım ............................................................................................... 9
Şekil 2.10 : Helisel solenoid sarım. ........................................................................... 10
Şekil 2.11 : Ters konik sarım ..................................................................................... 10
Şekil 2.12 : Sarımlar arası kapasitenin gösterimi . .................................................... 12
Şekil 2.13 : Toroid elektrot ........................................................................................ 13
Şekil 2.14 : Küresel elektrot ...................................................................................... 13
Şekil 2.15 : Seri rezonans devresi .............................................................................. 14
Şekil 2.16 : Paralel rezonans devresi ......................................................................... 15
Şekil 2.17 : Deri etkisi sonucu iletken içindeki akım yoğunluğu dağılımı ................ 16
Şekil 2.18 : Litz kablosu ............................................................................................ 16
Şekil 2.19 : Aynı yönde akım taşıyan iletkenler için yakınlık etkisi ........................ 17
Şekil 2.20 : Zıt yönde akım taşıyan iletkenler için yakınlık etkisi ............................ 17
Şekil 2.21 : Kabloların akım taşıma kapasitesini hesaplayabilmek için bir yaklaşım18
Şekil 2.22 : Kondansatörün eşdeğer devresi .............................................................. 18
Şekil 2.23 : Elektrolitik kondansatör ......................................................................... 19
Şekil 2.24 : Film kondansatör .................................................................................... 19
Şekil 3.1 : Lehim sıçramalarına karşı iş güvenliği gözlüğü....................................... 20
Şekil 3.2 : Bobin sarma düzeneği .............................................................................. 21
Şekil 3.3 : Yapımı tamamlanan ikincil bobin . .......................................................... 21
Şekil 3.4 : Yapımı tamamlanan toroid elektrot .......................................................... 23
Şekil 3.5 : Tetikleme devresinin şeması .................................................................... 25
Şekil 3.6 : Tetikleme devresi ..................................................................................... 26
Şekil 3.7 : SG3525'in dalga çıkış frekansı grafiği ..................................................... 27
Şekil 3.8 : SG3525'in çıkış sinyallerinden bir görünüm ............................................ 27
Şekil 3.9 : Örnek bir IR2110 bağlantıları .................................................................. 28
Şekil 3.10 : Kaynağa paralel büyük kapasiteli kondansatör bağlamanın önemi ...... 29
Şekil 3.11 : Yük üzerindeki gerilim dalga şekillerinden bir görünüm ...................... 29
Şekil 3.12 : Yapımı tamamlanan birincil bobin ......................................................... 31
Şekil 4.1 : Yüksek gerilim deşarjlarından bir görünüm ............................................. 32
Şekil 4.2 : Yüksek elektrik alanın etkisi sonucu floresan lambanın yanması ............ 32
viii
10 KV, 200 KHZ’LİK YARIİLETKEN TETİKLEMELİ
TESLA ÜRETECİ TASARIMI
ÖZET
Tesla bobini 1891 yılında Sırp asıllı Amerikalı bilim adamı Nikola Tesla tarafından
icat edilmiştir. Yaşamı boyunca alanında birçok önemli keşifler yapan Tesla’nın en
çok ilgi çeken icatlarından birisi de Tesla bobinidir. Bunun temel sebebi üretilen
yüksek gerilim sonucu oluşan havaya boşalmaların güzel manzaralar oluşturması ve
elektrikle oynama hissinin oluşmasıdır. Keşfinin arkasında hava aracılığıyla
elektriğin kablosuz iletimi niyeti yatan bu icat günümüzde bu amacından ziyade
radyo veya televizyon alıcılarında ve eğlence amaçlı üretilip kullanılmaktadır.
Tesla bobini temel olarak rezonans frekansı aynı olan biri tetikleyici ve manyetik
kuplajla enerji aktarıcı işlevi gören diğeri ise üzerinde yüksek gerilim ve boşalmalar
oluşan iki devreden oluşan hava çekirdekli bir transformatördür. Rezonans oluşumu
yüksek gerilim çıkışı için, devrede kullanılacak bobinlerin endüktans değerleri ve
devrelerdeki kapasite değerleri ise rezonans frekansı için önemlidir.
Klasik Tesla bobinlerini geliştirmeye yönelik çalışmalar uzun zamandır mevcuttur ve
bunlardan birisi de bizim tasarım ve üretimimizde de kullandığımız birincil devrede
atlama aralıklı rezonans devresi kullanmak yerine ikincil devreyi, ikincil devrenin
rezonans frekansında tetikleyebilecek gerilim dalgaları üretebilen yarıiletken
elemanlardan oluşan devrelerin kullanılmasıdır. Böylece yüksek gerilim
transformatörü ve birincil kondansatörler kullanılmayacağı için daha hafif, atlama
aralığı kullanılmayacağı için de daha verimli Tesla bobinlerinin üretilebilmesi
mümkün olur.
Bu çalışmada hedeflenen 10 kV çıkış verebilen ve 200 kHz frekans ile çalışan
yarıiletken tetiklemeli bir Tesla bobini tasarlanması ve üretilmesidir.
ix
10 KV, 200 KHZ DESIGN OF SOLID STATE TESLA COIL
SUMMARY
Tesla coil was invented by Serbian origin American scientist Nikola Tesla in 1891.
One of the most attracrive inventions of Nikola Tesla who invented many things in
his working area along his life is Tesla coil. The main reason of this is nice view of
the electrical discharges resulting from high voltage and feeling like you are playing
with electricity. Main intention of Tesla coil was transmitting electricity via air,
however they are being produced and used as radio and television receivers and for
entertainment nowadays.
Tesla coil is an air core transformer which consists of a primary circuit that triggers
and transfers energy to secondary circuit that stores and distributes energy as
electrical discharges. The Occurence of resonance is important for obtaining high
voltage output and inductance and capacitance values in the circuits are important for
resonance frequency.
Efforts towards improving classical Tesla coils exist for a long time and one of these
is using a power electronics circuit as trigger circuit. This makes it lighter and more
efficienct circuit as you do not need to use high voltage transformer and spark gap.
The goal of this project is designing and constructing a 10 kV 200 kHz solid state
Tesla coil that contains a power electronics circuit that drives the secondary by its
resonance frequency instead of classical primary circuit.
1
1. GİRİŞ
Tesla bobini deha bir bilim adamı olan Nikola Tesla tarafından elektrik enerjisinin
kablosuz olarak iletilmesi gibi muhteşem bir amaca hizmet etmeye yönelik olarak
icat edilse de yeterli destek görememesi gibi bir takım sebeplerden ötürü bu amacına
ulaşamamıştır. Buna rağmen tamamen ortadan kalkmamış, yüksek frekanslı yüksek
alternatif gerilimlerin üretilmesi, radyo ve tv alıcıları gibi bazı önemli alanlarda
kullanılmaya devam edilmiştir. Ayrıca bazı filmlerde görsel ve işitsel efektlerin
üretiminde de kullanılmıştır. Sunduğu görsel ve işitsel şölenlerle geniş kitlelerin
ilgisini kazanması hâlâ daha ilgi odağı olmalarının ve geliştirilmelerinin en önemli
sebeplerindendir. Bunun sonucunda da özellikle veriminin ve gücünün artırılmasına
yönelik çalışmalar devam etmektedir.
1.1 Projenin Amacı
Bu bitirme tasarım projesinde, 10 kV çıkış gerilimi üretebilen ve 200 kHz’lik
rezonans frekansıyla çalışan bir yarıiletken tetiklemeli Tesla Bobini tasarlamak ve
gerçeklemek amaçlanmıştır. Proje gerçeklenmeden önce izlenmesi gereken yol
haritası çizilmiş, temel hesaplamalar yapılmış ve özellikle yüksek gerilim söz konusu
olduğu için gerekli güvenlik önlemleri hakkında bilgiler edinilmiştir.
1.2 Tesla Üretecinin Temel Çalışma İlkesi
Tesla üreteci rezonans durumuna geldiği zaman yüksek frekanslı yüksek alternatif
gerilimler üretebilen hava çekirdekli bir transformatördür. Birincil devresindeki
yüksek gerilim kondansatörü bir neon transformatör aracılığıyla gerilimi atlama
aralığının delinme gelirimine ulaşıncaya kadar doldurulur. Daha sonra atlama
aralığında elektriksel delinme meydana gelip atlama aralığının iletkenliğinin çok iyi
bir seviyeye gelmesiyle beraber bobin ve kondansatörden oluşan devre paralel hale
geçerek kısa devre olur ve yüksek frekanslı sönümlü titreşimler meydana gelir.
Titreşimlerin frekansı yaklaşık olarak;
2
f =1
2. π. √L1. C1
(1.1)
ifadesiyle hesaplanabilir. Ark halinde ısı ve ışık oluşur. Bu oluşumlar enerji kaybına
sebep olurlar ve titreşimlerin zamanla zayıflamasına yol açarlar. Manyetik kuplajla
birincil devredeki enerji ikincil devreye aktarılır. İkincil devrede de rezonans frekansı
aynı olduğundan rezonans durumu oluşur ve birincil devreden sürekli olarak
beslenmesinden dolayı toprağa karşı kapasitesi olan yük üzerinde biriken enerji,
dolayısıyla gerilim sürekli artar. Bir zaman sonra burada da elektriksel boşalmalar
olur ve yükteki enerji hava aracılığıyla kendini toprağa aktarmak ister. İkincil
kapasite, enerjisini bu şekilde sürekli doldurup boşaltır. Devredeki gerilim kazancı
kapasitelerin oranına bağlıdır ve yaklaşık olarak şu ifadeden bulunur;
U2
U1= η. √
C2
C1 (1.2)
η: Verim
C2: İkincil kapasite
C1: Birincil kapasite
Şekil 1.1 : Tesla üreteci devresi
3
Şayet ikincil bobinin tetiklemesi yarıiletken anahtarlama elemanları barındıran ve
ikincil devreyi, frekansı onun rezonans frekansında olan alternatif gerilimler
üretebilen bir devre tarafından yapılması durumundaysa gerilim kazancını
hesaplamak daha karmaşıklaşır. İkincil bobinin Q (kalite) faktörü, manyetik kuplaj
katsayısı ve L2/L1 oranı arttıkça çıkış geriliminin de artacağı söylenebilir.
Q faktörü = 2. π. f.depolanan enerji
kaybedilen enerji= 2. π. f.
L
R (1.3)
f: Frekans
L: Endüktans
R: Direnç
Hava çekirdekli transformatörlerde demir çekirdekli transformatörlerde olduğu gibi
ikincil bobin birincil bobinin akılarının hemen hepsinden üzerinde gerilim
endüklenmesi için faydalanamaz, arada manyetik akının iletimini sağlayan ve
manyetik geçirgenliği havaya göre çok büyük olan demir çekirdek olmadığından
ötürü kaçak akılar çok fazladır ve bobin üzerinde endüklenen gerilim karşılıklı
endüktans ile orantılı olur. Karşılıklı endüktans şöyle ifade edilir;
M = k. √L1L2 (1.4)
M: Karşılıklı endüktans
k: Kuplaj katsayısı
L1: Birincil bobinin endüktansı
L2: İkincil bobinin endüktansı
Kuplaj katsayısı 1’den küçüktür ve iki bobinin birbirlerine olan yakınlıkları, şekilleri
gibi geometrik niceliklerine bağlıdır.
Şekil 1.2 : Karşılıklı endüktans
4
2. YARIİLETKEN TETİKLEMELİ TESLA ÜRETECİ TASARIMI
Tesla bobini tasarlanmadan önce bilgi kazanmak amacıyla mevcut tasarımlar
üzerinde incelemeler gerçekleştirildi ve gerekli tecrübeler kazanıldıktan sonra
izlenilmesi gereken yol haritası çizildi.
2.1 Birincil Devre Tasarımı
Yarıiletken tetiklemeli Tesla bobinlerinde birincil devre bir birincil bobin ve onu
süren bir güç elektroniği devresinden oluşur.
2.1.1 Güç Katı Tasarımı
Yarıiletken tetiklemeli Tesla üreteçlerinde birincil bobinin uygun frekanslarda
alternatif gerilimle sürülmesi için tek fazlı yarım ya da tam köprü evirici devrelerin
kullanılması uygundur.
2.1.1.1 Tek Fazlı Yarım Köprü Evirici
Burada besleme doğru gerilimle yapılır ve yarıiletken anahtarlama elemanları bir
sürme katı tarafından bir periyotta sırayla sürülürler. Dikkat edilmesi gereken önemli
bir nokta anahtarlama elemanlarının hiçbir zaman aynı anda iletime geçmemesi
gerektiğidir. Böyle birşey gerçekleşirse kısa devre olur ve kaynaktan büyük akımlar
çekilip yarıiletken anahtarlama elemanlarına zarar verilir. C1 ve C2 kondansatörleri
gerilim bölücü olarak görev yaparlar ve eviricinin çalışması esnasında oluşacak
harmoniklerin düşük dereceli olması için değerlerinin yeterince büyük seçilmesi
gerekir. Yük endüktif olduğu zaman akım gerilimin değişmesiyle aniden değişemez,
bir anahtarlama elemanı kesime girdiği zaman endüktif yük üzerinde biriken enerji
sebebiyle bir süre daha akım akıtmak ister. Yarıiletken elemanlar tek yönlü akım
geçişine izin verdiğinden anahtarlama elemanlarına yönleri ters paralel diyotlar
bağlanır. Örneğin Q2 anahtarı iletimden kesime girdikten bir müddet sonraya kadar
akım ters bağlı D1 diyodu üzerinden kaynağa geri akar, bu yüzden bu diyotlara geri
besleme diyotları adı verilmiştir. Her ne kadar mosfetlerde bu diyotlardan bulunsa da
yüksek frekansta etkin çalışabilen ek diyotların mosfetlere ters ve paralel bağlanması
5
gerekir. Yükün üzerine genliğinin tepe değeri kaynak geriliminin genliğinin yarısı
kadar olan bir alternatif gerilim uygulanmış olur. Sadece bir sürme katıyla iki
anahtarlama elemanı uygun bir şekilde sürülebileceğinden tek fazlı tam köprü
eviriciye göre daha az karmaşık ve daha ekonomik bir yapıdır. Şekil 2.1 ve Şekil
2.2’de örnek bir yarım köprü evirici ve eviricideki yükün gerilim ve akım dalga
şekilleri gösterilmiştir.
Şekil 2.1 : Tek fazlı yarım köprü evirici devresi
Şekil 2.2 : Tek fazlı yarım köprü eviricide RL yükü için dalga şekilleri
2.1.1.2 Tek Fazlı Tam Köprü Evirici
Burada da besleme doğru gerilimle yapılır ve 4 tane yarıiletken anahtarlama elemanı
bir periyotta ikişer ikişer olmak üzere sırayla sürülürler. Şöyle ki Şekil 2.3’teki
elemanlar temel alınırsa bir periyodun yarısında Q1 ve Q4, diğer yarısında da Q2 ve
6
Q3 aynı anda sürülürler. Böylece yükün üzerine genliğinin tepe değeri kaynak
geriliminin genliği kadar olan bir alternatif gerilim uygulanmış olur. Yine Q1 ve Q2
ile Q3 ve Q4’ün kısa devre olmaması için aynı anda iletime girmemeleri gerekir.
Burada yapı daha karmaşık olur fakat yarım köprü eviriciye göre aynı güç değeri için
devredeki akım değeri yarım köprü eviricinin yarısıdır. Bu durum önemli bir
üstünlüktür.
Şekil 2.3 : Tek fazlı tam köprü evirici devresi
Şekil 2.4 : Tek fazlı tam köprü eviricide RL yükü için dalga şekilleri
2.1.2 Sürme Katı Tasarımı
Köprü eviricilerde mosfet ya da mosfet grupları sürülürken birbirlerine göre lojik
olarak evirilmiş sinyallerle oluşturulan evirilmiş gerilim darbeleri kullanılır. Bu
darbeler mosfetlerin gate ve source bacakları arasına uygulanmalı ve mosfeti iletime
7
geçirebilecek uygun değerlerde olmalıdır. Devrenin nötrüne yakın olan alttaki
mosfetler için bu darbelerin doğrudan uygulanmasında bir sorun yokken üstlerdeki
mosfetlere doğrudan uygulanamazlar. Bunun için bir elektriksel yalıtım gereklidir.
Şayet üstteki mosfetlere de bu darbeler doğrudan uygulanırlarsa Şekil 2.5’teki gibi
bir eşdeğer devre oluşur;
Şekil 2.5 : Üst mosfetin kapısı ve nötr arası gerilim
VGS = VG-RL.ID olur yani VGS, ID akımına bağlı olarak azalır. Bunu önlemek için
yapılması gereken yalıtım amacıyla kullanılabilecek temel olarak iki yöntem vardır.
Bunlar darbe transformatörü kullanmak ve optik kuplaj elemanı (optocoupler)
kullanmaktır. Ayrıca mosfetleri sürmek için tasarlanmış olan hazır entegre devreler
de mosfetleri sürmek için kullanılabilir.
2.1.2.1 Darbe Transformatörleri
Darbe transformatörleri bir birincil sargı ve bir ya da daha fazla ikincil sargıdan
oluşabilir. Çoklu ikincil sargı birçok anahtarlama elemanına aynı kapı sinyalini alma
olanağı sağlar. Transformatör çok küçük kaçak endüktansa sahip olmalı ve çıkış
darbesinin yükselme zamanı çok küçük olmalıdır. Görece uzun süren darbelerde ve
düşük frekansta transformatör doyabilir ve çıkışında bozulmalar meydana gelebilir.
Şekil 2.6 : Transformatör yalıtımlı kapı sürüşü
8
Şekil 2.7 : Kapı sürüş transformatörü
2.1.2.2 Optocouplerlar
Optocouplerlar bir kızılötesi ışık yayan diyot ve silisyum fototranzistörü birleştirirler.
Giriş sinyali kızılötesi ışık yayan diyota uygulanır ve çıkış fototranzistörden alınır.
Fototranzistörlerin yükselme ve düşme zamanları çok küçüktür. Açma ve kapama
zamanlarının küçük olmayışıysa yüksek frekanslı uygulamalarda kullanılmalarının
önünde bir engeldir. Ayrı bir güç kaynağı gerektirmeleri, yüksek frekanslar için
uygun olmayışları ve devreyi daha karmaşık hale getirmeleri optocouplerların
dezavantajlarındandır.
Şekil 2.8 : Örnek bir optocoupler şeması
2.1.3 Sinyal Üreticisi Tasarımı
Sürme katının da sürülmesi için bir sinyal üretici kata ihtiyaç vardır. Bu katta uygun
frekans ve çalışma oranındaki sinyaller üretilerek sürme katına gönderilir ve
mosfetler istenilen şekilde sürülür. Bunun için de mikrokontrolörler ya da diğer bazı
entegre devreler kullanılabilir.
9
2.1.4 Birincil Bobinin Tasarımı
Birincil bobini tasarlarken üzerinden rezonans durumunda büyük akımlar
geçeceğinden o akımı kaldırabilecek yeterli kesite sahip iletkenlerden
oluşturulmasına dikkat edilmelidir. Sarım sayısı, çapı ve yüksekliği gibi özelliklerine
bağlı olarak elde edilmek istenen endüktans değerine göre tasarım yapılır. Bazı bobin
tasarımları aşağıda verilmiştir.
2.1.4.1 Helisel Sarım
İletkenin, yalıtkan bir boruya tek kat halinde sarılmasıyla oluşturulur.
Şekil 2.9: Helisel sarım
Endüktans değerini şöyle belirleyebiliriz;
𝐋 =𝐑𝟐. 𝐍𝟐
𝟗. 𝐑 + 𝟏𝟎. 𝐇 (2.1)
L: Endüktans (μH)
R: Bobinin yarıçapı (inç)
H: Sargı yüksekliği (inç)
N: Sarım sayısı
2.1.4.2 Helisel Solenoid Sarım
İletkenin silindirik bir yüzeye birden fazla katlarla sarılmasıyla oluşturulur.
10
Şekil 2.10: Helisel solenoid sarım
Endüktans değerini şöyle belirleyebiliriz;
𝐋 = 𝟎, 𝟖.𝐑𝟐. 𝐍𝟐
𝟔. 𝐀 + 𝟗. 𝐇 + 𝟏𝟎. 𝐂 (2.2)
L: Endüktans (μH)
R: Ortalama yarıçap (inç)
H: Sargı yüksekliği (inç)
C: İletken tabakanın radyal yüksekliği (inç)
2.1.4.3 Ters Konik Sarım
Sargının bir merkez etrafında ters bir koni şeklinde sarılmasıyla oluşturulur. Arşimed
spiral sarım diye de adlandırılır.
Şekil 2.11: Ters konik sarım
Endüktans değerini şöyle belirleyebiliriz;
𝐋𝟏 = 𝐍𝟐. 𝐑𝟐
𝟗. 𝐑 + 𝟏𝟎. 𝐇 (2.3)
11
𝐋𝟐 = 𝐍𝟐𝐑𝟐
𝟖. 𝐑 + 𝟏𝟏. 𝐖 (2.4)
𝐋 = √(𝐋𝟏. 𝐬𝐢𝐧(𝐗))𝟐 + (𝐋𝟐 . 𝐜𝐨𝐬(𝐗))𝟐 (2.5)
L: Endüktans (μH)
L1: Heliks faktörü
L2: Spiral faktörü
N: Sarım sayısı
R: Bobinin ortalama yarıçapı (inç)
H: Bobinin yüksekliği (inç)
W: Sarımların radyal yöndeki genişliği (inç)
X: Sargının yatay düzlemle yaptığı açı (derece)
2.2 İkincil Devrenin Tasarımı
İkincil devre ikincil bobinden, kapasiteden ve topraklama bağlantısından oluşur.
Tesla bobininin rezonans frekansını buradaki endüktans ve kapasite değerleri
belirler. Rezonansla beraber büyük bir çıkış gücü elde etmek isteniyorsa tetikleme
devresindeki alternatif gerilimin frekansı ikincil devrenin rezonans frekansına eşit
olmalıdır;
𝐟𝐭𝐞𝐭𝐢𝐤𝐥𝐞𝐦𝐞 = 𝟏
𝟐. 𝛑. √𝐋𝟐. 𝐂𝟐
(2.6)
2.2.1 İkincil Bobinin Tasarımı
İkincil bobinin devreden az akım geçeceği için bir PVC boru etrafına ince ve emaye
yalıtımlı bobin telleriyle istenilen çıkış gerilimine bağlı olarak çok sayıda sarımdan
oluşturulması uygundur. Burada sarımlar helisel şekilde yapılır.
2.2.2 İkincil Kapasitenin Tasarımı
Yüksek gerilim sonucu hava aracılığıyla toprağa elektriksel boşalmalar ikincil
kapasite yani çıkış elektrodu üzerinden olur. Elektrot genelde toroid veya küresel
olmak üzere iki şekilde üretilir. Burada dikkat edilmesi gereken önemli bir nokta ise
ikincil bobinin sarımlarının da kapasite gibi davranacağı ve ikincil bobinin de toplam
bir öz kapasitesi olacağıdır. Bu iki kapasite toprağa göre birbirlerine paralel
olduklarından devrenin etkin kapasite değeri bulunurken toplanırlar.
12
2.2.2.1 Bobinin Öz Kapasitesi
Bir bobinde üst üste iki sarım bir kapasite kaynağı oluşturur. Zira iki iletken arasında
bir yalıtkan hava ve emaye vardır. Şekil 2.12’de bunun gösterimi yapılmıştır;
Şekil 2.12 : Sarımlar arası kapasitenin gösterimi
Çok sayıda sarımdan oluşan bir bobinin öz kapasitesi yaklaşık olarak şöyle
hesaplanabilir;
𝐂Ö𝐙 = 𝟎, 𝟐𝟗. 𝐇 + 𝟎, 𝟒𝟏. 𝐑 + 𝟏, 𝟗𝟒. √𝐑𝟑
𝐇 (2.7)
CÖZ: Bobinin öz kapasitesi (pF)
H: Bobinin yüksekliği (inç)
R: Bobinin yarıçapı (inç)
2.2.2.2 Toroid Elektrot
Özellikle alüminyum kaplı aspiratör borusu gibi çeşitli kesit çaplarında üretilen ve
uzaltılıp kısaltılabilmesi dolayısıyla toroid şekline getirilmesi kolay olan cisimlerle
yapılabilir.
Şekil 2.13 : Toroid elektrot
13
Yaklaşık kapasitesi şöyle hesaplanabilir;
𝐂𝐭𝐨𝐫𝐨𝐢𝐝 = 𝟏, 𝟒. (𝟏, 𝟐𝟕𝟖𝟏 −𝐝𝟐
𝐝𝟏) . √𝛑. 𝐝𝟐(𝐝𝟏 − 𝐝𝟐) (2.8)
Ctoroid: Toroidin kapasitesi (pF)
d2: Kesit çapı (inç)
d1: Dış çap (inç)
2.2.2.3 Küresel Elektrot
İki adet yarım kürenin birbirlerine kaynaklanmasıyla üretilebilir. Tek önemli
parametresi yarıçapıdır.
Şekil 2.14 : Küresel Elektrot
Yaklaşık kapasitesi şöyle hesaplanabilir;
𝐂𝐤ü𝐫𝐞 = 𝟐𝟓, 𝟒. 𝐑
𝟗 (2.9)
Cküre: Kürenin kapasitesi (pF)
R: Kürenin yarıçapı (inç)
2.3 Rezonans
Rezonans reaktif bileşen içeren devrelerde devre elemanlarının endüktans ve kapasite
değerlerine bağlı olarak özel bir frekansta gerçekleşen bir olaydır. Şöyle ki,
devredeki endüktif reaktans kapasitif reaktansa eşit olduğu zaman rezonans durumu
ortaya çıkar, eşdeğer empedans sadece dirençten oluşur ve maksimum güç aktarımı
gerçekleştirilebilir. Elektrik enerjisi sırayla bobinde ve kondansatörde depolanıp
boşalarak manyetik alan ve elektrik alan vasıtasıyla akım salınımları yapar.
Endüktif reaktans = ω.L (2.10)
𝐊𝐚𝐩𝐚𝐬𝐢𝐭𝐢𝐟 𝐫𝐞𝐚𝐤𝐭𝐚𝐧𝐬 = −𝟏
𝛚. 𝐂 (2.11)
14
ω = 2.π.f (2.12)
f: Frekans (Hz)
Temel olarak iki çeşit rezonans devresinden söz edilebilir.
2.3.1 Seri Rezonans Devreleri
Seri rezonans devresi, bir alternatif gerilim kaynağı ve seri bağlı bir RLC yükünden
oluşur.
Şekil 2.15 : Seri rezonans devresi
XL + XC = 0 (2.13)
olduğunda rezonans gerçekleşir, yani;
𝟐. 𝛑. 𝐟. 𝐋 =𝟏
𝟐. 𝛑. 𝐟. 𝐂 (2.14)
ise
𝐟𝐫𝐞𝐳𝐨𝐧𝐚𝐧𝐬 =𝟏
𝟐. 𝛑√𝐋. 𝐂 (2.15)
olur. Devrede empedans sadece dirençten oluşur ve minimumdur. Akım ise
maksimum olur. Bu devreler rezonans frekansı ve çevresindeki sınırlı bir frekans
aralığında tepki vermelerinden ötürü seçicilik işlevi görebilirler ve radyolarda
frekans tayini için kullanılabilirler.
2.3.2 Paralel Rezonans Devreleri
Bir alternatif gerilim kaynağı ve buna paralel bağlı RL ve RC yüklerinden oluşur.
15
Şekil 2.16 : Paralel rezonans devresi
Burada da rezonansın gerçekleşmesi için reaktansların eşit olması gerekir. Böylece
akım devrenin L ve C elemanlarının olduğu dallarında büyük genliklerle salınımlar
yapar. Eşdeğer empedans çok büyük olduğu için kaynaktan çekilen akım çok küçük
olur. Rezonans frekansı yaklaşık olarak seri rezonans devresindeki gibidir;
𝐟𝐫𝐞𝐳𝐨𝐧𝐚𝐧𝐬 =𝟏
𝟐. 𝛑√𝐋. 𝐂 (2.16)
2.4 Sürücü Devreyi Tasarlarken Dikkat Edilmesi Gereken Bazı Hususlar
2.4.1 Yarıiletken Elemanların Özellikleri
Diyot, mosfet, direnç, kondansatör gibi elemanların belirli bir maksimum gerilim,
akım ve güce maruz kalma, sınırlı bir frekans aralığında etkin çalışabilme gibi
karakteristikleri vardır. Devre tasarlanırken ve çalıştırılırken bunlara dikkat edilmesi
gerekir.
2.4.2 Deri Etkisi
Alternatif akımda değişen manyetik alan sonucu özellikle iletkenin iç kısmında
oluşan eddy akımlarından dolayı akımın iletkenin yüzeyine doğru sıkışmasıdır. Akım
yoğunluğu yüzeyden merkeze doğru hızlıca azalır. Akımın geçtiği etkin kesit alanı
azalacağından iletkenin direnci de artar. Akım yoğunluğunun yüzeyden itibaren 1/e
oranına düştüğü derinliğe deri etkisi derinliği (skin depth) adı verilir ve yaklaşık
olarak şu formülle bulunabilir;
𝛅 = √𝛒
𝛑. 𝐟. 𝛍𝐫𝛍𝟎 (2.17)
16
δ: Deri etkisi derinliği (m)
ρ: İletkenin özdirenci (Ω.m)
f: Frekans
μr: Bağıl manyetik geçirgenlik
μ0: Havanın manyetik geçirgenliği (H/m)
Şekil 2.17 : Deri etkisi sonucu iletken içindeki akım yoğunluğu dağılımı
Deri etkisine karşı ince ve her biri yalıtılmış çok dallı Litz kabloları üretilmektedir.
Şekil 2.18 : Litz kablosu
2.4.3 Yakınlık Etkisi
Bir bobin gibi birbirine yakın iletkenlerden alternatif akım geçiyorsa içinden akım
akan iletkenlerin iletken etrafında oluşturdukları zamanla değişen manyetik alan
diğer iletkenlerde eddy akımlarının oluşmasına sebep olur ve o iletkenlerdeki akım
dağılımını bozar. Etkisi deri etkisine göre daha küçük olmakla beraber deri etkisiyle
aynı şekilde frekans arttıkça etkisi de artar.
17
Şekil 2.19 : Aynı yönde akım taşıyan iletkenler için yakınlık etkisi
Şekil 2.20 : Zıt yönde akım taşıyan iletkenler için yakınlık etkisi
2.4.4 Kabloların Akım Taşıma Kapasitesi
Özellikle yüksek frekanslarda deri ve yakınlık etkisi gibi sebeplerle kabloların akım
taşıma kapasitesini tahmin etmek ya da doğru akımdaki akım taşıma kapasitelerine
kıyasla bir tahmin yürütmek çok zordur. Yarıçapı deri etkisi derinliğinden küçük
olan iletkenler için doğru akımdaki akım taşıma kapasitelerini esas almak büyük bir
doğruluk sağlar. Yarıçapı deri etkisi derinliğinden büyük iletkenler içinse iyi bir
yaklaşımla sadece deri etkisi derinliğine kadar akım geçtiği kabul edilebilir ve
hesaplanan kesit alanına göre o kesit alanındaki bir iletkenin doğru akım taşıma
kapasitesi temel alınarak iletkenin akım taşıma kapasitesi hakkında bir fikir
yürütülebilir.
Şekil 2.21 : Kabloların akım taşıma kapasitesini hesaplayabilmek için bir yaklaşım
18
2.4.5 Yüksek Frekanslarda Kondansatörler
Genel olarak bir kondansatörün eşdeğer devresi Şekil 2.22’deki gibi gösterilebilir;
Şekil 2.22 : Kondansatörün eşdeğer devresi
Resimde görüldüğü gibi kondansatörlerin de geometrileri gibi bazı özelliklerine bağlı
olarak bir eşdeğer seri endüktans değerleri vardır. Bu değerler çok küçük olmakla
beraber elektrolitik kondansatörlerde bilhassa alüminyum olanlarında diğer
kondansatör çeşitlerine nisbeten daha yüksektir. Düşük frekanslarda eşdeğer seri
endüktans değeri küçük olduğundan endüktif reaktans çok düşük olacağından
kondansatörün çalışmasında bir sorun çıkmaz. Fakat yüksek frekanslarda, özellikle
elektrolitik kondansatörlerin artan frekansla beraber artan endüktif reaktansları
sonucu bir noktada endüktif reaktans ile kapasitif reaktans birbirine eşit olur ve
kondansatör rezonans durumuna girerek sadece omik bir karakter gösterebilir. Bu
noktadan daha yüksek frekanslar içinse kondansatör endüktifmiş gibi davranmaya
başlayabilir. Bu rezonans noktası bazı kondansatörler için MHz'ler mertebesindeyken
özellikle alüminyum elektrolitik kondansatörler için çok daha düşük seviyelerdedir.
Bu nedenle yüksek frekanslı devre tasarımlarında eşdeğer seri endüktans değerleri
yüksek olan elektrolitik kondansatörler kullanılmamalıdır. Birkaç yüz kHz
seviyelerindeki frekanslar ve gerilimli devreler için, μF seviyelerinde kapasite
değerleri sunabilen, yüz volt seviyelerindeki gerilimlere dayanabilen, eşdeğer seri
endüktans değerleri küçük ve yüksek tepe akımları için uygun olan film
kondansatörler kullanışlıdırlar.
Şekil 2.23 : Elektrolitik kondansatör
19
Şekil 2.24 : Film kondansatör
2.5 Tasarlanan Tesla Üretecinde Rezonans Koşulu
Tesla üretecinin rezonansa girebilmesi için tetikleme devresinin frekansının ikincil
devrenin rezonans frekansına eşit olması gerekmektedir;
𝐟𝐭𝐞𝐭𝐢𝐤𝐥𝐞𝐦𝐞 =𝟏
𝟐. 𝛑. √𝐋𝟐𝐂𝟐
(2.18)
20
3. TESLA ÜRETECİNİN YAPIM AŞAMALARI
Bu çalışma kapsamındaki Tesla üretecini yaparken kullanılan hemen hemen bütün
malzemeler Karaköy'deki elektrik malzemesi satan pasajlardan ve diğer esnaflardan
temin edildi. Özellikle lehim yapılırken iş güvenliği önlemlerine uygun çalışıldı
(Şekil 3.1).
Şekil 3.1 : Lehim sıçramalarına karşı iş güvenliği gözlüğü
3.1 İkincil Devrenin Yapımı
İkincil devre tasarlanıp yapılırken 200 kHz olması hedeflenen rezonans frekansı
temel alındı.
3.1.1 İkincil Bobinin Yapımı
İkincil bobin, et kalınlığıyla beraber çapı yaklaşık 11.2 cm olan bir PVC boru
etrafına sarılan bobin telleriyle yapıldı. Bobin için 0.3 mm çapı olan, emaye ile
yalıtılmış bobin teli kullanıldı. Sarım işlemi elle 10 saate yakın bir sürede yapıldı.
Bobinimiz yaklaşık 46 cm yüksekliğinde ve 1300 sarımdan oluşturuldu. Bu iş için bir
bobinajcıdan yardım almak daha elverişli olabilir.
21
Şekil 3.2 : Bobin sarma düzeneği
Şekil 3.3 : Yapımı tamamlanan ikincil bobin
Özellikleri belirlenen bobinin endüktansını şöyle hesaplayabiliriz;
𝐋 =𝐑𝟐. 𝐍𝟐
𝟗. 𝐑 + 𝟏𝟎. 𝐇 (3.1)
L: Endüktans (μH)
R: Bobinin yarıçapı = 2,2 inç
H: Sargı yüksekliği = 18,11 inç
N: Sarım sayısı = 1300
1 inç= 2,54 cm
22
Buradan yapılan bobinin endüktansı yaklaşık 41 mH olarak hesaplandı.
Bakır iletkenin rezonans frekansımız olan 200 kHz'deki deri etkisi derinliğini şöyle
bulduk;
𝛅 = √𝛒
𝛑. 𝐟. 𝛍𝐫𝛍𝟎 (3.2)
δ: Deri etkisi derinliği (m)
ρ: Bakırın özdirenci = 1,724.10-8 Ω.m
f: Frekans = 200000 Hz
μr: Bakır için bağıl manyetik geçirgenlik = 0,999
μ0: Havanın manyetik geçirgenliği = 1,257.10-6 (H/m)
Buradan deri etkisi derinliği 0,148 mm civarı hesaplandı. Bobin telinin yarıçapına
hemen hemen eşit olduğu için direnç hesabında gözardı edildi.
İkincil bobinin direnci şöyle hesaplandı;
𝐑 = 𝛒.𝐥
𝐀 (3.3)
R: Direnç (Ω)
ρ: Bakır için özdirenç = 1,724.10-8 Ω.m
l: İletken uzunluğu = 457 m
A: Kesit alanı = 7.10-8 m2
Buradan ikincil bobinin direnci 112 Ω olarak hesaplandı.
3.1.2 İkincil Kapasitenin Yapımı
İkincil kapasite toroid olarak yapıldı. Bobinin endüktans değeri göz önünde
bulundurularak gerekli kapasite değeri 200 kHz'lik rezonans frekansı için 15,45 pF
olarak saptandı. Toroid kapasite tasarlanmadan önce bobinin öz kapasitesi şu şekilde
hesaplandı;
𝐂Ö𝐙 = 𝟎, 𝟐𝟗. 𝐇 + 𝟎, 𝟒𝟏. 𝐑 + 𝟏, 𝟗𝟒. √𝐑𝟑
𝐇 (3.4)
CÖZ: Bobinin öz kapasitesi (pF)
23
H: Bobin sargısının yüksekliği = 18,11 inç
R: Bobinin yarıçapı = 2,2 inç
Buradan ikincil bobini öz kapasitesi 7,65 pF olarak hesaplandı.
Geriye Toroidin kapasite için kalan değeri şöyle hesaplandı;
15,45 - 7,65 = 7,8 pF
Birkaç deneme sonucunda toroidin gerekli kapasite değerine sahip olması için kesit
çapının küçük olması gerektiği belirlendi. Daha sonra Karaköy'de bir esnaftan bu iş
için uygun olan ve en küçük kesitlisi olan 5,2 cm çaplı bir alüminyum aspiratör
borusu alındı. Gerekli hesaplamalar aşağıdaki yolla yapıldı;
𝐂𝐭𝐨𝐫𝐨𝐢𝐝 = 𝟏, 𝟒. (𝟏, 𝟐𝟕𝟖𝟏 −𝟐, 𝟎𝟓
𝐝𝟏) . √𝛑. 𝟐, 𝟎𝟓(𝐝𝟏 − 𝟐, 𝟎𝟓) = 𝟕, 𝟖
(3.5)
Ctoroid: Toroidin kapasitesi (pF)
d2: Kesit çapı = 2,05 inç
d1: Dış çap (inç)
Buradan toroidin dış çapının yaklaşık 17,8 cm olması gerektiği saptandı ve toroid
ona göre yapıldı.
Şekil 3.4 : Yapımı tamamlanan toroid elektrot
24
3.1.3 Topraklama
İkincil devrede yüksek gerilim dalgaları oluştuğu için ikincil devreye şebeke
topraklaması uygulanmamalıdır. Bunun yerine topraklama, bağımsız olarak bir
topraklama çubuğu kullanılarak yapılmalıdır. Çalıştırılan Tesla üretecinin
topraklaması da yüksek gerilim laboratuvarında uygun şekilde yapılmıştır.
3.2 Birincil Devrenin Yapımı
Sürücü devre bir delikli pertinaks üzerinde kabloların lehim yoluyla
bağlantılanmasıyla yapıldı. Tek bir frekansta değil de belirli bir frekans aralığında
dalga üretme yeteneğine sahip olan bir devre tasarlanıp yapıldı. Bu sayede rezonans
frekansında küçük bir kayma halinde dahi karşılaşılabilecek olası bir büyük verim
düşüklüğünün önüne geçilmiş oldu. Mosfet ve diyotların ısınmaması için için ısı
alıcılar ve güçlü bir fan kullanıldı.
25
Şekil 3.5 : Tetikleme devresinin şeması
26
Şekil 3.6 : Tetikleme devresi
27
3.2.1 Sinyal Üreticisi Yapımı
Sinyal üreteci için birbirine göre 180 derece kaymış iki farklı çıkış sinyalini, 5
numaralı bacağına bağlanan kondansatör ve 6 numaralı bacağına seri bağlanan bir
direnç ve potansiyometre değerlerine göre 120 Hz ile 400 kHz frekans değerleri
arasında üretebilen bir pwm üreteci olan SG3525 entegre devresi tercih edilmiştir.
Bağlanacak kondansatör ve dirençlerin değerleri SG3525'in direnç ve kondansatöre
bağlı çıkış frekansı karakteristiği incelenerek karar verilmiştir.
Şekil 3.7 : SG3525'in dalga çıkış frekansı grafiği
5 numaralı bacağa 470 pF'lık bir seramik kondansatör, 6 numaralı bacağa da 3.9
kΩ'luk bir direnç ve 10 kΩ'luk bir potansiyometre bağlanmıştır. Böylece
potansiyometre elle çevirilerek 108 kHz ile 305 kHz arasında sinyaller üretmek
mümkün olmuştur.
Şekil 3.8 : SG3525'in çıkış sinyallerinden bir görünüm
28
3.2.2 Sürme Katı Yapımı
Anahtarlama elemanı olarak iki tane mosfetten oluşan yarım köprü eviriciyi sürmek
için, yüksek frekanslarda 500 Volt'a kadar güvenle çalışabilen IR2110 mosfet sürücü
entegre devresi kullanıldı.
Şekil 3.9: Örnek bir IR2110 bağlantıları
SG3525'in çıkış sinyalleri IR2110'a giriş sinyali olarak gönderildi ve IR2110'un
mosfetleri sürmesi için gerekli dalga şekillerini oluşturması sağlandı.
3.2.3 Güç Katı Yapımı
Birincil bobinin uygun bir şekilde sürülmesi için tek fazlı yarım köprü evirici devre
kullanıldı. Devrede anahtarlama elemanları olarak yüksek frekanslarda etkin
çalışabilen IRFP260N mosfetler kullanıldı. IRFP260N'lerin bazı özellikleri;
VDS = 200 Volt
IDS = 29 Amper (TC = 100oC)
Geri besleme diyotları olarak MUR860 diyotlar kullanıldı. MUR860'ların bazı
özellikleri;
Ters tepe gerilimi: 800 Volt
Ortalama doğrultulmuş ileri akım: 8 Amper
Tekrarlayan ani tepe akımı (kare dalga, 20 kHz): 16 Amper
Yarım köprü eviricide yüksek çalışma oranlarında geri besleme diyotlarının
üzerinden akım geçme süresi bir periyoda nazaran oldukça azdır. Bu yüzden
ortalama akım sınırından çok ani akım sınırını esas almak daha uygundur.
Gerilim bölücü olarak 10 μF'lık film kondansatörler kullanıldı.
Ani büyük yük değişimlerinde gerilimi sabit tutabilmesi maksadıyla kaynağa paralel
29
iki tane 1000 μF'lık elektrolitik kondansatör bağlandı. Bu yapılmasaydı yük
üzerindeki gerilim dalga şekli kararlı olmayabilir ve Şekil 3.10’daki gibi olabilirdi;
Şekil 3.10 : Kaynağa paralel büyük kapasiteli kondansatör bağlamanın önemi
Elektrolitik kondansatörler bağlandıktan sonra yük üzerindeki gerilim dalga şekli
Şekil 3.11’den görüleceği gibi kararlı hale gelmiştir.
Şekil 3.11 : Yük üzerindeki gerilim dalga şekillerinden bir görünüm
Yarım köprü evirici devre bağlantıları için lehim ve 0.5 mm2'lik kablolar kullanıldı.
Devrenin akım taşıma kapasitesini artırmak amacıyla bağlantılar iki paralel kol
halinde yapıldı. Tasarlanan Tesla bobini yaklaşık olarak 200 kHz'de rezonansa
gireceği için kabloların bu frekanstaki akım taşıma kapasitesi şöyle hesaplandı;
30
𝛅 = √𝟏, 𝟕𝟐𝟒. 𝟏𝟎−𝟖
𝛑. 𝟐𝟎𝟎𝟎𝟎𝟎. 𝟏, 𝟐𝟓𝟕. 𝟏𝟎−𝟔. 𝟎, 𝟗𝟗𝟗 (𝐦)
(3.6)
200 kHz'deki deri etkisi derinliği = 0,148 mm
0,5 mm2'lik 0,4 mm çaplı kablonun 200 kHz'deki yaklaşık etkin kesit alanı;
π.(0,42 - (0,4 - 0,148)2) ≈ 0,3 mm2
0,3 mm2'lik bir yuvarlak iletken kesit alanı yaklaşık olarak 0,62 mm çaplı bir
yuvarlak iletkene eşittir. 0,62 mm çaplı bir iletken için yaklaşık akım taşıma
kapasitesi 6 Amperdir. 2 tane paralel kol için bu değer 12 Amper eder.
3.2.4 Birincil Bobinin Yapımı
Birincil bobin 1,5 mm2'lik iletken kesitine sahip kabloların, et kalınlığıyla beraber
çapı 12,7 cm olan bir PVC borunun etrafına 8 adet sarım oluşturacak şekilde
sarılmasıyla yapıldı. Bobin kuplaj katsayısının fazla olması istendiği için ikincil
bobinin etrafına helisel olarak sarıldı. Bobinin yüksekliği 2,6 cm oldu. Bobinin
yaklaşık endüktansı şöyle hesaplandı;
𝐋 =𝟐, 𝟓𝟐. 𝟖𝟐
𝟗. 𝟐, 𝟓 + 𝟏𝟎. 𝟏, 𝟎𝟐= 𝟏𝟐, 𝟐 𝛍𝐇
(3.7)
Birincil bobinin üzerinden büyük akımlar geçeceği için akım taşıma kapasitesi de
hesaplandı;
200 kHz'de etkin kesit alanı;
π.(0,692 - (0,69 - 0,148)2) = 0,57 mm2
0,57 mm2'lik bir iletkenin yaklaşık çapı 0,86 mm'dir. 0,86 mm çaplı bir iletkenin
akım taşıma kapasitesi yaklaşık olarak 12,5 Amperdir. Bu, 200 kHz'de yarım köprü
eviriciden 12 Amper'lik akımın güvenle geçirebileceği anlamına gelmektedir.
31
Şekil 3.12 : Yapımı tamamlanan birincil bobin
32
4. ÜRETECİN ÇALIŞTIRILMASI
Üreteç çalışmaya hazır hale getirildikten sonra İTÜ'nün Maslak Kampüsü’ndeki
Yüksek Gerilim Laboratuvarı’nda çalıştırılmıştır. Güç kaynağı olarak 30 Volt, 5
Amper verebilen bir doğru gerilim kaynağı kullanılmıştır. Bu sınırlı küçük gerilim ve
akım değerlerine rağmen çıkış elektrodundan havaya elektriksel boşalmalar
gerçekleşmiş ve bobinin oldukça verimli çalıştığı gözlenmiştir.
Şekil 4.1 : Yüksek gerilim deşarjlarından bir görünüm
Şekil 4.2 : Yüksek elektrik alanın etkisi sonucu floresan lambanın yanması
33
5. SONUÇ VE ÖNERİLER
Tasarlanan yarıiletken tetiklemeli Tesla üreteci başarıyla gerçeklenmiştir. 30 Volt
gibi küçük bir kaynak gerilimine rağmen havaya deşarjların gerçekleşmesi verimin
yüksek olduğunun bir göstergesidir. Ayrıca sürücü devresinin geniş bir frekans
aralığında çalışabilmesi, rezonans frekansının değişmesi halinde dahi üreteci etkin
bir şekilde sürebilme olanağı vermiştir. Gerçeklenen Tesla üretecinde birincil bobin 8
sarıma, 12,7 cm çapa, 2,6 cm yüksekliğe ve 1,5 mm2 iletkene sahiptir. Endüktans
değeri 12,2 μH’dir. İkincil bobin 1300 sarıma, 11,2 cm çapa, 46 cm yüksekliğe ve
0,3 mm çaplı 457 m uzunluktaki bobin teline sahiptir. Endüktans değeri 41 mH, öz
kapasite değeri 7,65 pF, direnciyse 112 Ω’dur. Toroid elektrot 52 mm kesit çaplı
alüminyum kaplı aspiratör borusundan yapılmış olup dış çapı 17,8 cm, kapasite
değeriyse 7,8 pF’dir. Üretecin rezonans frekansı yaklaşık olarak 200 kHz’dir.
Kablolarla bağlantısı yapılan delikli pertinaks yerine baskı devre kullanılması daha
etkin sonuçlar sağlayabilir. Zira birbirine paralel kabloların küçük de olsa bir
endüktans değeri vardır ve yüksek frekanslarda bu değer dikkate alınması gereken bir
reaktans değerine dönüşebilir.
Ayrıca uygun bir geri besleme yönteminin kullanılmasıyla üretecin elle frekans ayarı
yapılarak rezonansa sokulması yerine kendi kendine rezonansa girmesi sağlanabilir.
34
KAYNAKLAR
[1] Kalenderli, Ö., Kuntman, H., Uncuoğlu, E., “Transistör Tetiklemeli Tesla
Bobini Tasarımı ve Yapımı”, İstanbul.
[2] Özkaya, M.,“Yüksek Gerilim Tekniği, Cilt II”, Birsen Yayınevi, İstanbul, 2005.
[3] Riedel, N., “Electric Circuits”, Prentice Hall, 2008.
[4] Çolak, İ., Kabalcı, E., “Evirici Topolojileri ve Gelişimleri Üzerine Bir
İnceleme”, 2008.
[5] Rashid, H., M., “Power Electronics”, Pearson, 2014.
[6] Mohan, N., Undeland, M. T., Robbins, P. W., “Power Electronics -
Converters, Applications, and Design”, Wiley, 1995.
[7] Soleyman, S., “Solid State Tesla Coils and Their Uses”, 2012.
[8] Üstün, Ö., “Single Phase Inverters”, İstanbul.
[9] Tilbury, M., “The Ultimate Tesla Coil Design and Construction Guide”,
McGraw-Hill, USA, 2008.
[10] Johnson, G., L., “Solid State Tesla Coil”, Kansas, 2001.
[12] Url-2<http://www.its.bldrdoc.gov/fs-1037/dir-031/_4576.htm>, alındığı tarih
10.05.2015
[13] Url-3<http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/electric/serres.html>,
alındığı tarih 10.05.2015
[14] Url-4<http://www.sumidacrossing.org/LayoutElectricity/MRRWire/WireAmpac
ityDerivation/>, alındığı tarih 10.05.2015
[15] Url-5< http://www.electro.fisica.unlp.edu.ar/temas/Notas_de_aplicacion/Capac
itores.pdf >, alındığı tarih 10.05.2015
[16] Url-6<http://www.powerstream.com/Wire_Size.htm>, alındığı tarih 10.05.2015.
35
EKLER
Çizelge A.1 : Maliyet listesi
125'lik PVC boru 10 TL
110'luk PVC boru
10 TL
2 adet delikli pertinaks
15 TL
12 V 500 mA güç kaynağı
15 TL
12 V 5 A güç kaynağı
25 TL
4 adet ısı alıcı
10 TL
1 adet SG3525 PWM üreteci
1,5 TL
1 adet İR2110 mosfet sürücü
4,5 TL
4 metre 1,5 mm2'lik kablo
4 TL
6 metre 0,5 mm2'lik kablo
3 TL
2 adet İRP260N mosfet
9 TL
1 adet lehim havyası
20 TL
1 adet 0,5 mm lehim teli
30 TL
1 adet havya temizleme teli
10 TL
1 adet havya altlığı
10 TL
2 adet 1000 μF kondansatör
7 TL
1 adet Fan
12 TL
Diğer elektronik bileşenler
40 TL
52'lik aspiratör borusu
20 TL
600 gr 0,3 mm'lik bobin teli
24 TL
Toplam maliyet 280 TL
36
ÖZGEÇMİŞ
Ad Soyad: Murat Sert
Doğum Yeri:
Doğum Tarihi:
Lise:
Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi / İstanbul (2010 - xxx)
