Solid State Tesla Coil (SSTC) คือเทสลาคอยล์แบบหนึ่งที่ใช้ชิ้นส่วนแบบโซลิดสเตท เช่น ทรานซิสเตอร์ ไดโอด และตัวเก็บประจุ (Capacitor) ในการสร้างไฟฟ้ากระแสสลับความถี่สูงและแรงดันสูง มันมีประสิทธิภาพดีกว่า มีโอกาสทำงานได้ยาวนาน และมีขนาดกะทัดรัดกว่า SSTC มีหลายแบบหลายดีไซน์ แต่ละแบบก็มีคุณสมบัติและการใช้งานต่างกันไป คราวนี้พี่จะมาบอกวิธีทำเทสลาคอยล์ที่ทำงานในโหมดที่เรียกว่า Class-E ให้ฟัง นอกจากจะทำง่ายและราคาถูกแล้ว มันยังมีประสิทธิภาพโคตรๆ ถ้าปรับแต่งดีๆ อีกด้วย ดีไซน์ต้นฉบับมาจาก Richie Burnett ตามด้วยเวอร์ชั่นอื่นๆ อีกหลายตัว รวมถึงของ Stevie Wards ที่ใช้ Antenna feedback และ PLL พี่ตัดสินใจทำเวอร์ชั่นของ LabCoatz ซึ่งใช้ Schmitt trigger oscillator ที่ปรับความถี่ได้ในช่วง 100kHz-5MHz เป็นหลัก

และตามสไตล์พี่เลย ปรับแต่งโปรเจกต์ตามของที่หาได้ในตอนนั้น และก็ทำให้มันง่ายลงไปอีกเยอะเลย แต่ว่าผลลัพธ์สุดท้ายออกมาโคตรดี แรงดันแค่ 70V - 90V แต่ความยาวสปาร์คได้ 15 ถึง 20 ซม. ซึ่งเยอะกว่าของในโปรเจกต์ต้นฉบับตั้งเยอะ เพราะพี่ไม่ได้ใช้ interrupter ในกรณีนี้เลยไม่มีตัวเลือกสำหรับ audio modulator ซึ่งก็เป็นข้อจำกัดของไอซีขับ mosfet ราคาถูกอย่าง TC426 ด้วย

และก็เหมือนเทสลาคอยล์ทั่วไปนั่นแหละ ชิ้นส่วนพื้นฐานคือขดลวดปฐมภูมิ (Primary) และขดลวดทุติยภูมิ (Secondary) ในกรณีนี้ ขดลวดปฐมภูมิทำจากลวดทองแดงเส้นผ่านศูนย์กลาง 2.5 มม. พัน 20 รอบบนทรงกระบอกพลาสติกเส้นผ่านศูนย์กลาง 11 ซม. ส่วนขดลวดทุติยภูมิทำจากลวดทองแดงมีฉนวนเส้นผ่านศูนย์กลาง 0.14 มม. พัน 1300 รอบบนตัวพลาสติกทรงกระบอกเส้นผ่านศูนย์กลาง 7 ซม. สูง 20 ซม. ความถี่เรโซแนนซ์ที่คำนวณได้ของขดลวดทุติยภูมิรวมกับ top load จะอยู่ที่ประมาณ 260KHz และในทางปฏิบัติจะสูงกว่านี้นิดหน่อย

หลักการของการแกว่งกวัดแบบเรโซแนนซ์ (Resonant Oscillation)

โปรเจกต์นี้ไม่ได้ใช้ Arduino นะจ๊ะ (ไมโครคอนโทรลเลอร์ทำงานช้าเกินไปสำหรับระดับเมกะเฮิรตซ์) นี่คือวิศวกรรมแรงดันสูงแบบอนาล็อกล้วนๆ ขดลวดทุกขดลวดมีความถี่เรโซแนนซ์ตามธรรมชาติของมัน (เหมือนสายกีตาร์) ถ้าเรา "ดีด" มันด้วยความเร็วที่พอดีเป๊ะ แรงดันไฟฟ้าจะทวีคูณขึ้นแบบทวีคูณเลย! สุดยอดไปเลยมั้ยล่ะ

ส่วนขับ (Drive part) ประกอบด้วยชิ้นส่วนหลายอย่าง:

• adjustable Schmitt trigger oscillator ช่วง 50kHz-2.5MHz ทำจากไอซี 74HC14 hex inverter

• ไอซีขับ mosfet ราคาถูก tp267

• mosfet ทรงพลัง พี่ใช้ IRFZ แต่แนะนำให้ใช้ IRFP460 ที่ทรงพลังกว่า

• ตัวเก็บประจุโพลีโพรพิลีน (polypropylene capacitor) ความจุ 1 nf หรือมากกว่านั้นขึ้นอยู่กับการปรับแต่ง

• ใช้ IC 7805 เป็นตัวปรับเสถียรภาพไฟเลี้ยง

• ไฟ 12V สำหรับวงจรออสซิลเลเตอร์และไดรเวอร์ MOSFET

• และไฟสำหรับ MOSFET กับขดลวดปฐมภูมิ แทนที่จะใช้แบบฟูลเวฟ พี่เลือกใช้แบบฮาล์ฟเวฟกับไดโอดตัวเดียวและตัวกรองคาปาซิเตอร์เล็กๆ 1µF สาเหตุหลักเพราะไดรเวอร์ MOSFET ที่ใช้ไม่มีขา Enable เลยทำวงจรอินเทอร์รัปเตอร์ไม่ได้น่ะ

ไดรเวอร์ MOSFET แบบคลาส E

จะให้มัน "ดีดสายไฟฟ้า" ที่ความถี่เรโซแนนซ์ที่ถูกต้อง (ของพี่ประมาณ 260KHz) เราต้องใช้สวิตช์ซิลิกอนเกททรงพลัง

• Power MOSFET (เช่น IRFP460) ทำหน้าที่เป็นสวิตช์ความเร็วสูง
• MOSFET จะปล่อยกระแสจากแหล่งจ่ายไฟ DC เข้าไปในขดลวดปฐมภูมิเป็นแสนๆ ครั้งต่อวินาที!
• สนามแม่เหล็กจะถ่ายโอนไปยังขดลวดทุติยภูมิ แรงดันไฟฟ้าขาเข้าจะถูกเพิ่มขึ้นและขยายด้วยปรากฏการณ์เรโซแนนซ์ จนกลายเป็นพลาสมาอาร์คแรงดันสูงมหาศาลที่ยิงออกมาจากโทpload อย่างรุนแรง

อุปกรณ์ต้องห้าม (แบบอันตรายๆ)

• MOSFET เกรดอุตสาหกรรม (เช่น IRFP460)
• ฮีตซิงค์ยักษ์สำหรับ MOSFET (สวิตช์กระแสสูงที่ความถี่สูง = ความร้อนมหาศาล! อย่าลืม)
• แหล่งจ่ายไฟ DC กระแสสูง
• ลวดแมกเน็ตเคลือบฉนวนเบอร์เล็กๆ เป็นร้อยๆ ฟุต ต้องพันอย่างประณีตไม่มีช่องว่าง!
• (คำเตือน: พลาสมา RF แรงดันสูงสามารถทำลายอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์เช่น โทรศัพท์, เครื่องกระตุ้นหัวใจ, และแล็ปท็อปที่อยู่ใกล้เกินไปได้ถาวร จงปฏิบัติด้วยความปลอดภัยสูงสุด)

ถ้าอยากปรับเทสลาคอยล์ให้เป๊ะเวอร์ น้องต้องมีออสซิลโลสโคป 2 ช่องแน่นอน พร้อมกับความอดทนระดับเทพ วิธีตั้งค่าละเอียดมีอยู่ในหน้าโปรเจกต์ต้นฉบับ พี่จะอธิบายขั้นตอนพื้นฐานแบบสมมติว่าเราไม่มีเครื่องมือวัดใดๆ เริ่มจากจ่ายไฟประมาณ 20 โวลต์ให้ MOSFET จากนั้นนำหลอดฟลูออเรสเซนต์ (CFL) มาไว้ใกล้ๆ หมุนโพเทนชิโอมิเตอร์จนหลอดสว่าง แล้วหมุนต่อไปจนได้ความสว่างสูงสุด

ต่อไป ลองเปลี่ยนจำนวนรอบของขดลวดปฐมภูมิ โดยมองหาความสว่างของหลอดที่สูงที่สุดเหมือนเดิม แต่ต้องจำไว้เลยว่าจำนวนรอบไม่ควรน้อยกว่า 3-4 รอบ เพราะจะทำให้กระแสไหลผ่าน MOSFET มากเกินไปได้ ให้คาปาซิเตอร์โพลีเอสเตอร์ที่ใช้ในคลาส E อยู่ที่ประมาณ (4.7) นาโนฟารัดก่อน แล้วค่อยทดลองลดค่าลงทีหลัง จากนั้นเราค่อยๆ เพิ่มแรงดันไฟฟ้าขึ้นทีละน้อย พร้อมกับคอยควบคุมอุณหภูมิของ MOSFET ตัวเอง ในกรณีของพี่ แรงดันสูงสุดที่อุปกรณ์ทำงานได้อย่างเสถียรคือประมาณ 75V

ขอย้ำเลยว่าการใช้ Variac (หม้อแปลงปรับค่าได้) เวลาทดสอบเทสลาคอยล์ใดๆ ก็ตาม ช่วยได้เยอะมาก ไม่ใช่แค่ในด้านการทดสอบ แต่ยังช่วยเซฟชิ้นส่วนเซมิคอนดักเตอร์ราคาแพงอีกด้วย ดังนั้นถ้าอยากเล่นเรื่องนี้ให้จริงจังหน่อย Variac คืออุปกรณ์ที่สำคัญที่สุดตัวหนึ่งเลย

และตอนนี้ ถึงส่วนที่น่าสนใจแล้ว มาเห็นการทำงานของอุปกรณ์ในสภาวะจริงกัน: จะเห็นได้ว่าเทสลาคอยล์ตัวนี้สร้างประกายไฟแตกแขนงสวยงาม คล้ายกับแบบ Spark Gap Tesla Coil ซึ่งน่าจะเป็นเพราะความถี่เรโซแนนซ์ของขดลวดทุติยภูมิที่ต่ำ รวมถึงแหล่งจ่ายไฟแบบพัลซิ่งของ MOSFET นั่นเอง

ตอนแรกพี่บอกไปแล้วว่าทำไมเราใช้ตัวตัดสัญญาณแบบคลาสสิกไม่ได้ เลยต้องมาทำโปรเจค Arduino ง่ายๆ ตัวนึง ใช้รีเลย์กับโพเทนชิโอมิเตอร์สองตัว ไว้ปรับความยาวพัลส์และช่วงหยุดระหว่างพัลส์ได้

ด้วยวิธีนี้หน้าสัมผัสของรีเลย์จะตัดไฟจากออสซิลเลเตอร์เป็นช่วงๆ ทำงานเหมือนเป็นตัวตัดสัญญาณแบบกลไกน่ะแหละ แต่เพราะรีเลย์มันตอบสนองช้า เลยทำให้ความถี่สูงสุดของตัวตัดสัญญาณแบบนี้จำกัดอยู่แค่ไม่กี่เฮิรตซ์

นี่คือการแสดงการทำงานของอุปกรณ์นี้เมื่อใช้ตัวตัดสัญญาณ

ตอนนี้พี่ก็เพิ่มแรงดันให้กับ Mosfet ได้แล้ว และประกายไฟก็ใหญ่ขึ้นอย่างเห็นได้ชัด

ในโหมดการทำงานนี้ Mosfet จะเกือบไม่ร้อนเลย พี่ว่านะ ถ้าใช้ IRFP460 ผลลัพธ์น่าจะดีกว่านี้เยอะ

และสุดท้าย สรุปสั้นๆ ตามสไตล์:

Tesla coil ตัวนี้ ถึงแม้ดูเหมือนทำง่าย แต่จริงๆ แล้วต้องใช้ความรู้ ความอดทน และเครื่องมือไม่น้อยในการตั้งค่าให้มันทำงานได้ดีที่สุด แต่อย่างไรก็ตาม แม้จะมีประสบการณ์น้อย ก็ยังสามารถปรับแต่งให้มันใช้การได้ดีด้วยวิธีลองผิดลองถูกได้เหมือนกัน จริงๆ แล้ว ความสนุกส่วนใหญ่ของการทำอุปกรณ์นี้ มาจากการตั้งค่าที่ใช้เวลานาน และบ่อยครั้งที่ต้องลงทุนไม่น้อยเลย ดังนั้น สุดท้ายแล้วเอฟเฟกต์ที่ได้มันก็สุดยอดจริงๆ นะตัวนี้

หมายเหตุความปลอดภัย: ห้ามลองทำการทดลองตามในวิดีโอนี้เด็ดขาด ถ้ายังไม่มีความรู้เรื่องเทคนิคความปลอดภัยไฟฟ้าแรงสูง! ไฟฟ้ากระแสตรง แม้จะแค่ 60V ก็อันตรายถึงชีวิตได้ แม้จะตัดไฟ AC ออกแล้ว เพราะยังมีพลังงานสะสมอยู่ในตัวเก็บประจุ พี่ไม่รับผิดชอบต่อความเสียหายใดๆ ที่เกิดจากวงจรนี้ ระวังตัวให้ดีๆ นะน้อง ขอร้องล่ะ