[논문]반도체 소자를 이용한 테슬라 코일의 설계 및 제작

김영선; 김동진; 이기식

doi:10.5370/kiee.2016.65.9.1571

반도체 소자를 이용한 테슬라 코일의 설계 및 제작
A Study on Design and Implementation of the Tesla Coil using Semiconductor Device 원문보기

전기학회논문지 = The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers, v.65 no.9, 2016년, pp.1571 - 1576

김영선 (Dept. of Electrical and Electronic Engineering, Joongbu University) , 김동진 (School of Electronics and Electrical Engineering, Dankook University) , 이기식 (School of Electronics and Electrical Engineering, Dankook University)

Abstract ▼ AI-Helper

A Tesla coil is an electrical resonant transformer circuit invented by Nikola Tesla in 1891. It is used to produce high-voltage, low-current, high frequency alternating-current electricity. Tesla coil can generate a long streamer with several million volts of electricity as a high voltage device. It is basically consists of a voltage transformer, high voltage capacitor, spark gap, primary coil, secondary coil and toroid. It is difficult to appear in the output size of the streamer is controlled by the spark gap. The general decision method of the length of streamer is to display the electric output in accordance with the design specifications in initial development plan. Design specifications and the electric output is determined by the application of facilities. In this paper the spark gap is replaced with periodic switching semiconductor device to control output voltage easily in order to apply overvoltage protective circuit due to a secondary coil and a performance test. In these days, their main use is for entertainment and educational displays of the museum, although small coils are still used as leak detectors for high vacuum systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 테슬라 코일의 출력을 제어하기 위해 스파크갭을 주기적인 스위칭이 가능한 반도체 소자로 대체하여 제작하였고, 그 결과를 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 220[V], 60[Hz]의 상용전원을 입력으로 하여, 420[V] 직류 전압을 얻기 위해 배전압 정류 회로를 사용하였다.
본 논문은 테슬라 코일의 2차 회로에서 발생하는 임펄스 고전압을 통해 과전압 보호회로의 성능 시험으로 활용하기 위한 목적으로 출력 전압을 용이하게 조절할 수 있는 테슬라 코일을 설계 및 제작에 관한 것으로써, 반도체 소자인 IGBT를 적용하여 주기적인 스위칭이 가능하도록 하였고, 별도의 컨트롤러를 통해 게이트 신호가 인가되는 시간을 제어하여 출력을 제어할 수 있도록 설계하였다.

제안 방법

본 논문에서은 테슬라 코일의 IGBT의 게이트 신호를 조절할 수 있도록 별도의 컨트롤러를 적용하였고, 게이트 신호가 인가되는 시간에 따라 2차 회로에서 나타나는 전압을 확인하였다. 게이트 신호의 인가시간이 증가함에 따라 1차, 2차 회로의 전압은 비례하여 상승하지만, 인가시간이 1[ms] 이상으로 증가할 경우 전압은 감소하는 것으로 확인되었다.
제작된 테슬라 코일을 그림 6과 같이 PSpice를 이용하여 시뮬레이션하였다. 정류부는 전파 배전압 정류회로, 테슬라 코일은 선형 변압기 소자(결합계수 k = 0.1)를 사용하였으며, 1차 회로, 2차 회로의 전압을 각각 확인하였다.
테슬라 코일의 방전 전압은 2차 회로의 탑로드의 사이즈에 비례하며, 일반적으로 식 (2)에 의해 결정되고, 본 논문에서는 350 [kV] 이상의 방전 전압을 위해 직경 250[mm]의 탑로드를 적용 하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 테슬라 코일의 출력을 제어하기 위해 스파크갭을 주기적인 스위칭이 가능한 반도체 소자로 대체하여 제작하였고, 그 결과를 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 220[V], 60[Hz]의 상용전원을 입력으로 하여, 420[V] 직류 전압을 얻기 위해 배전압 정류 회로를 사용하였다. 정류된 직류 전압은 2개의 IGBT를 통해 1차 회로에 교류 전력을 생성하게 되고, 2차 회로에 증가된 전력이 유도되었으며 최대 400[kV]의 전압이 나타났다.
상용 전원인 220[V]의 입력 전원으로부터 1차 회로에 필요한 전력을 전달해주기 위한 전력변환회로는 교류 전원을 직류로 정류하기 위한 정류부, 스파크갭을 대체하는 반도체 소자가 적용된 인버터, 게이트 신호를 제어할 수 있는 컨트롤러 및 드라이버 회로로 구성된다. 60[Hz]의 전원 주파수를 높은 주파수로 스위칭하기 위해 반도체 소자인 IGBT를 사용하였다.

성능/효과

정류된 직류 전압은 2개의 IGBT를 통해 1차 회로에 교류 전력을 생성하게 되고, 2차 회로에 증가된 전력이 유도되었으며 최대 400[kV]의 전압이 나타났다. 게이트 신호가 인가되는 시간이 증가하면 2차 회로에 나타나는 전압도 비례하여 상승하였고, 일정 시간 이상이 되면 전압은 감소하는 특성을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션 과정에서 테슬라 코일의 결합 계수를 0.
본 논문에서은 테슬라 코일의 IGBT의 게이트 신호를 조절할 수 있도록 별도의 컨트롤러를 적용하였고, 게이트 신호가 인가되는 시간에 따라 2차 회로에서 나타나는 전압을 확인하였다. 게이트 신호의 인가시간이 증가함에 따라 1차, 2차 회로의 전압은 비례하여 상승하지만, 인가시간이 1[ms] 이상으로 증가할 경우 전압은 감소하는 것으로 확인되었다.
게이트 신호가 인가되는 시간이 증가하면 2차 회로에 나타나는 전압도 비례하여 상승하였고, 일정 시간 이상이 되면 전압은 감소하는 특성을 확인할 수 있었다. 시뮬레이션 과정에서 테슬라 코일의 결합 계수를 0.1로 하였으나, 설계 방법에 따라 결합 계수는 개선될 수 있으며, 2차 전압은 그에 비례하여 증가될 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	테슬라 코일 중 2차 회로에 유도되는 전력의 크기를 제어하기 어려운 방식은?	테슬라 코일은 회로의 구성 및 사용되는 소자 등 에 따라 스파크 갭 테슬라 코일(SGTC, Spark Gap Tesla Coil), 반도체 테슬라 코일(SSTC, Solid State Tesla Coil), 진공관 테슬 라 코일(VTTC, Vacuum Tube Tesla Coil) 등으로 구분된다. 스 파크갭 방식은 2차 회로에 유도되는 전력의 크기를 제어하기 어 렵다. 불확실한 출력을 필요한 형태로 조절하기 위해서는 제작이 완료된 테슬라 코일의 디버깅 과정이 필요하며, 비교적 많은 시 간이 소요된다[5]-[7].
	테슬라 코일은 어떻게 구분되는가?	아직 테슬라 코일을 직접 활용하여 상용화된 예는 없지만, 그 이론과 원리를 바탕으로 많은 연구가 진행되고 있다 [1]-[4]. 테슬라 코일은 회로의 구성 및 사용되는 소자 등 에 따라 스파크 갭 테슬라 코일(SGTC, Spark Gap Tesla Coil), 반도체 테슬라 코일(SSTC, Solid State Tesla Coil), 진공관 테슬 라 코일(VTTC, Vacuum Tube Tesla Coil) 등으로 구분된다. 스 파크갭 방식은 2차 회로에 유도되는 전력의 크기를 제어하기 어 렵다.
	테슬라 코일이란?	테슬라 코일은 니콜라 테슬라가 고안한 유명한 발명품 중 하 나로, 권수비가 극히 높은 1차 코일과 2차 코일로 구성되고 공진 의 원리로 수십에서 수백만 볼트의 고전압을 발생시킬 수 있는 공심 변압기이다. 아직 테슬라 코일을 직접 활용하여 상용화된 예는 없지만, 그 이론과 원리를 바탕으로 많은 연구가 진행되고 있다 [1]-[4].

참고문헌 (9)

Denicolai, Marco. Tesla transformer for experimentation and research. Helsinki University of Technology, 2001.
Mitch Tilbury, "The ultimate Tesla Coil Design and construction guide", McGraw-Hill, 2008.
Johnson, "Gary L. Solid State Tesla Coil" GL Johnson, 2001.
Richard Miles Craven, "A study of secondary winding designs for the two-coil Tesla Transformer", Loughborough University Institutional Repository, 2014.
Fritz, T., "Modeled and Actual Voltage and Current Waveforms within a Tesla Coil", http://www.capturedlightning.org/hot-streamer/TeslaCoils/MyPapers/modact/modact.html
M. B. Farriz, A. Din, A. A. Rahman, M. S. Yahaya, J. M. Herman, "A Simple Design of a Mini Tesla Coil With DC Voltage Input", 2010 International Conference on Electrical and Control Engineering, 2010.
Johnson, Gary L. "Building the world's largest Tesla coilhistory and theory." Power Symposium 1990, Proceedings of the Twenty-Second Annual North American. IEEE, 1990.
Kolchanova, V. A. "Computational modeling of the Tesla coil parameters." Modern Technique and Technologies, 2002. MTT 2002. Proceedings of the 8th International Scientific and Practical Conference of Students, Postgraduates and Young Scientists. IEEE, 2002.
Richard M. Craven, Ivor R. Smith, and Bucur M. Novac, "Optimizing the Secondary Coil of a Tesla Transformer to Improve Spectral Purity, IEEE Trans. on Plasma Science, Vol. 42, No. 1, pp. 143-48, 2014.

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