오실로스코프 없이 테슬라코일의 공진주파수 측정하기

해당 방식은 오실로스코프는 필요치 않으나 주파수카운터는 반드시 필요합니다.

 

SSTC를 제작함에 있어 가장 중요한 요소 중 하나로 꼽힐 수 있는것이 테슬라코일의 공진주파수 측정이라 할 수 있겠다.

기본적으로 몇가지 방법이 있을 수 있겠으나, 측정의 간편함때문에 국내외 SSTC제작자들에 있어 오실로스코프를 이용한 공진주파수 측정이 보편적으로 사용되는 듯 하다.

하지만 오실로스코프는 상당히 단가가 센 장비에 속하여(요근래 알아보니 쓸만한 중고제품도 10만원선에서 시작한다), 나와 같은 테슬라코일 입문자를 비롯한 많은 사람들이 이를 구비하고 있지 못하다.(사실 나는 작은 오실로스코프가 있긴 하나 그 측정대역이 내가 만들고자 하는 SSTC의 주파수범위를 벗어나 다른 방법을 강구했어야 했다.)

 

운용가능한 주파수대역이 넓은 함수발생기가 있으면 LED나 네온렘프를 결선하고 주파수를 올리며 점등여부로도 대략적인 값을 유추해 낼 수 있겠으나, 일반적으로 함수발생기의 단가또한 만만치 않고 정확한 값을 가려내기가 힘들다.

점등 여부에 따른 방식은 구형파등을 발생시키는 일반적인 발진회로로도 가능한 방식이다. 하지만 일반적으로 NE555와 같이간단히 구성할 수 있는 발진회로는 부품의 시정수가 고정된 상태에서 가변소자를 통해 구현할 수 있는 주파수대역이 좁은 경우가 많은데, 이미 만들어둔 테슬라코일의 공진주파수를 모르는상태에서 발진회로를 구성해야하는 상황일 경우, 테슬라코일의 공진주파수가 발진회로의 주파수 대역을 벗어나는 경우도 있을 수 있다. 

 

이 글에서 소개하고자 하는 방식은 약간의 회로를 구성해야 하긴 하지만 위에 언급한 문제점을 다소간 해결할 수 있을 것이므로 처음 SSTC를 접하는 사람이나 오실로스코프를 구비하고 있지 못한 이에게 도움이 될 수 있을것이다.

물론 국내 테슬라코일 제작자들의 수준이 해외 못지않게 높아진 지금에선, 알만한 사람들은 다 알겠지만...

 

회로도이다.

사실 전력측의 CLASS E 앰프부분만 조금 변형하면 완연한 SSTC회로 자체이다. 이런 형식의 SSTC를 SRSSTC라고 부르고 있었다.

자세한 설명은 해당 회로로 SSTC를 완성한 후 적어보도록 하고 여기서는 간략한 설명만 덧붙이겠다.

우선 전력을 투입하면, IRFP460단에 직병렬로 연결된 코일(1차권선)과 콘덴서에 순간적으로 전압이 걸리고, 공진한다.

물론 콘덴서는 직류를 흘리지 못하므로 전압을 걸어주는 그 순간에만 발생하는 현상이라 생각한다.

이 공진하는 순간에 발생하는 공진신호가 피드백 안테나에 포착되어 74HC14에 의해 정형, 반전되고 모스펫드라이버회로와 모스펫에 의해 정확히 공진주파수와 일치하는 주파수로 LC회로를 스위칭하게 된다.

따라서 모스펫의 드레인에서 얻는 주파수가 테슬라코일의 공진주파수가 되겠다.

안테나의 구성을 보여주기 위해 찍은 사진이다.

전원투입시 공진신호가 성공적으로 궤환하기 위해서는 안테나가 보다 코일에 가까이 있어야하며, 최적의 지점을 실험을 통해 찾는것이 좋다. 전원이 미약하고 전력측 CLASS-E 부분이 매칭이 잘 되지 않아 테슬라코일의 출력이 약한 관계로 일반적인 직선형 안테나로는 잘 작동이 되지 않아 솔레노이드 형태로 만들었다.

공진주파수는 대략 1.5MHZ이다.

모스펫 드레인에서 측정하긴 했으나, 회로자체가 피드백을 기저로 작동하기 때문에 회로 전반에 걸쳐 신호가 지나가는 곳 어디에서 측정해도 공진주파수를 얻을 수 있다.

 

피드백 안테나에서 포착되는 궤환신호의 파형이다. 테슬라코일은 기본적으로 LC공진을 바탕으로 하기에 깔끔한 사인파가 나오게 된다.

사실 저 정도 신호가 내가 가진 오실로스코프의 측정한계가 되는것 같다.

 

E급 앰프 부분을 살짝 조절하니 형광등을 점등시킬 정도의 성능은 나오는것 같다.

모스펫드라이버칩의 발열은 거의 없고 메인 스위칭소자의 발열은 붙여놓은 방열판 사이즈의 크기로 어느정도 커버되는 수준이다.

CLASS-E급 앰프관련 자료를 찾아볼때 효율이 매우 좋아 스위칭소자에서의 열손실이 거의 없다고 하는점을 보아

아직 매칭이 덜 되었거나 자료에서 이상적인 동작상태를 기술한것이 아닌가 한다.

 

간혹가다가 공진신호의 궤환이 원활하지 않아 작동이 멈추는 경우가 있는데, 해외 제작자중 어떤 이는 피드백입력측에 공진주파수와 유사한 주파수로 발진하는 회로의 신호를 넣어주어 공진신호를 보정해 작동이 멈추는걸 막는 방식을 사용하고 있었다.

해당 방식도 실험해보았는데 작동이 되긴 하나 완연히 공진주파수로 작동할 때가 더 성능이 좋을 듯 싶다.

이 부분은 차후 테슬라코일을 어느정도 완성하고 다시 실험해봐야 할 듯 싶다.