Вступление
Всем хеллоу, сегодня речь пойдет о младшем брате катушек Теслы, генераторе факельного разряда, или "факельнике". Этот экземпляр был собран мной больше года назад, но мне не хватило терпения настроить его до конца, да и были существенные косяки в конструкции и исполнении. Недавно же я довел устройство до ума, и, раз уж пошла речь о высоковольтных устройствах, таких как ZVS-генератор и генератор Ройера, описанных в недавних статьях, решил написать статейку на Хабр, может кому будет интересно.
Что это такое, зачем нужно и как работает?
Генератор факельного разряда представляет собой вполне стандартный высокочастотный генератор, собранный по схеме типа "емкостная трехточка" на MOSFET-транзисторе со стабилизацией частоты LC-контуром (см. схему ниже).
Практического применения схема не имеет, разве что для слишком уж специфичных задач, где необходимы температуры в несколько тысяч градусов, и создается как и все катушки Теслы / лестницы Иакова / качеры Бровина чисто в рамках спортивного интереса и для получения эстетического удовольствия при виде взрывающихся транзисторов высокочастотного факела на кончике плавящегося терминала.
Но как же достигается образование факела на кончике разрядника? Все достаточно просто: сам генератор достаточно мощный, вся система настроена в резонанс, и в колебательном контуре L2-C2-C3 образуется высокочастотное напряжение большой амплитуды, а поскольку к "горячему" концу контура подключена катушка L3, которая, по сути, является вторым колебательным контуром, так как ее резонансная частота должна быть равна резонансной частоте контура L2-C2-C3, на втором конце катушки L3 напряженность высокочастотного поля достигает таких значений, что выход энергии с острия терминала наблюдается в виде коронного разряда, который из-за большой частоты работы устройства чем-то напоминает пламя свечи. Потребляемая мощность при питании от источника напряжением 30 вольт около 200 ватт, длина факела при этом 4.5 см.
Сборка и настройка устройства
Сразу скажу, что настройка каждого такого генератора проводится исключительно экспериментально, рассчитать что либо кроме резонатора практически невозможно, поскольку схема высокочастотная, резонансная, и влияние паразитных емкостей и индуктивностей будет отличаться в каждом конкретном варианте сборки. Советую делать все провода как можно короче (этим я немного пренебрег) и набраться терпения, если еще не страшно, продолжаем, я постараюсь объяснить все как можно подробнее :)
НЕБОЛЬШОЙ ДИСКЛЕЙМЕР: не подносите ближе одного метра к работающему генератору любое оборудование и электронику, это может повлиять на ее работу, или вывести из строя, не стоит использовать в качестве источника питания импульсные блоки питания, лучше всего аккумулятор или блок питания на основе сетевого трансформатора с выпрямителем. Температура факела превышает несколько тысяч градусов. Будьте осторожны!
Перед сборкой не помешает рассмотреть основные составные части генератора. Одной из них является обычный усилитель A-класса на MOSFET-транзисторе Q1. Цепь R1-R2-RP1-D1 задает необходимое начальное напряжение на затворе, и, как следствие, ток покоя каскада. Проще говоря, эта цепь позволяет как-бы "приоткрыть" транзистор для введения его в нужную область вольт-амперной характеристики и обеспечения работы транзистора "в режиме". Дроссель L1 является нагрузкой каскада, и образует с конденсатором C1 Г-образный LC фильтр, подавляющий высокочастотные помехи, создаваемые генератором в цепях питания. Следующая часть - резонансный контур L2-C2-C3, образуемый индуктивностью и емкостным делителем напряжения C2-C3, к точке соединения конденсаторов которого подключен затвор транзистора Q1, обеспечив таким образом положительную обратную связь мы превратили усилитель в автогенератор, частота работы которого зависит от параметров колебательного контура L2-C2-C3. Последняя часть генератора - катушка L3, которая, как было описано выше, в паре с терминалом образует второй колебательный контур. На этом рассмотрение узлов устройства считаю исчерпывающим, переходим к сборке и настройке генератора.
Для начала соберем основу генератора: усилитель A-класса с Г-образным фильтром и цепью смещения затвора. Транзистор необходимо установить на массивный радиатор, нагрев в процессе работы будет адским. Хорошо подходят радиаторы охлаждения центральных процессоров ПК. В качестве основания я выбрал стеклотекстолит, а также добавил винтовой зажимной разъем и выключатель в конструкцию
По центру разместился транзистор с обвязкой. Хорошо работают IRFP250N, IRFP260N, их я проверял лично, есть информация что подходит IRFP460N. Стабилитрон любой от 5.6 до 12 вольт (возможно, подойдет супрессор, сам не пробовал), резистор R1 1-1.5K, мощность не менее 0.5 ватта, R2 1-5.1K, мощность любая, подстроечный резистор PR1 10-100K, очень рекомендую взять многооборотистый, проще будет настраивать ток покоя.
Слева от транзистора разместился керамический фильтрующий конденсатор, набранный из 20 элементов поверхностного монтажа емкостью по 4.7 мкФ каждый. Данная сборка должна иметь емкость 90-100 мкФ, рабочее напряжение в два раза больше питающего и обязательно состоять из любого количества керамических конденсаторов, обычные электролитические или танталовые конденсаторы при таком уровне и частоте пульсаций просто взрываются.
Далее мотаем и добавляем в конструкцию дроссель L1. Магнитопровод обязательно ферритовый, другие не работают, даже не всякие ферритовые хорошо работают, форма любая, габаритная мощность не менее 100 ватт, количество витков около 20, провод любой 0.8 и более мм диаметром, предпочтительно литцендрат или многожильный, количество витков и сердечник подбираются экспериментально. У меня лучше всего работало на двух ферритовых кольцах-фильтрах с проводов мощных блоков питания, соединенных вместе, намотал 22 витка каким-то проводом МГТФ, он хоть и тонковат, но многожильный и хорошо держит нагрев. Именно такой дроссель я и оставил в итоге.
Теперь пора отрегулировать ток покоя. Подключаемся микроамперметром в разрыв точки соединения дросселя L1 и стока транзистора Q1, при этом контур L2-C2-C3 и катушка L3 должны быть отключены, выкручиваем подстроечный резистор RP1 в минимум и подаем 15-20 вольт на схему, этого более чем достаточно чтобы получить факел в сантиметр-полтора и настроить систему. При этом все должно быть так как на схеме ниже. Медленно подкручиваем резистор RP1, пока ток покоя не будет в районе 150 мА, в дальнейшем его можно изменять при настройке, но после 250 мА сильно вырастает нагрев, а при токе ниже 100 мА может срываться или не запускаться генерация, оптимально 150-200 мА.
Настало время подключить контур L2-C2-C3. Катушка L2 особо не критична, должна иметь диаметр оправки 30-35 мм и 7-12 витков толстого провода, 1 и более миллиметра диаметром. Можно найти готовые катушки как на фото ниже, они достаточно распространены и идеально подходят для этой схемы, в странах постсоветского пространства их несложно найти практически на любом радиорынке ил радиобарахолке, параметры особо не критичны. Характеристики моей катушки: диаметр керамического основания 35 мм, 8 витков посеребренным медным проводом 2.5 мм диаметром. Катушка будет слегка нагреваться.
Контурный конденсатор C3 должен быть обязательно высококварным, то есть должен работать с большими реактивными мощностями, идеально подходят конденсаторы К-15У, я испытывал два как на фото ниже, 100 пФ и 150 пФ, оба работают нормально, нагрев не более 40 градусов. Другие конденсаторы, я испытывал КВИ-2 и КВИ-3, очень сильно греются, их диэлектрик не предназначен для работы на таких частотах и мощностях.
Конденсатор C2 в нижней части емкостного делителя напряжения любой керамический 250 и более вольт, но, почему-то хорошо работают именно КСО. Поскольку для настройки нужен большой ассортимент конденсаторов, а у меня есть мешок КСО, именно их я и испоьзовал.
Точного номинала C2 сказать невозможно, этот конденсатор подбирается исключительно экспериментально, поэтому убираем миллиамперметр, и собираем схему полностью, но без катушки L3 и терминала. Ставим с начала конденсатор C2 1нф, подаем питание и отверткой проверяем дугу с точки подключения резонатора. Если дуги нет, увеличиваем емкость C2. Проверить, началась ли генерация, можно неоновой лампочкой, поместив внутрь L2, если светится, значит все хорошо. При дальнейшем увеличении емкости C2 потребляемая мощность и дуга будет расти, до какого-то предела, затем генерация сорвется (то есть, при увеличении емкости, после какого то предела, дуга пропадет, а ток потребления резко упадет), нам надо подобрать емкость на 100-300 пФ ниже чем емкость, при которой происходит срыв. Проще говоря, подбираем емкость C2 до тех пор, пока дуга и мощность не станет максимальной, но генератор будет стабильно запускаться и работать. У меня срывалась генерация при номинале C2 более 3,6 нФ, в итоге я оставил 3,4 нФ. Дуга при 15 вольтах питания получалась как на фото ниже. На этом настройка первого резонансного контура закончена.
Итак, финал близко! Переходим к расчету резонатора L3 и изготовлению терминала, для этого нам надо знать частоту работы генератора, измерить ее можно осциллографом или частотомером (НЕ ПОДКЛЮЧАЙТЕ измерительное оборудование напрямую к контуру, для измерения достаточно просто положить провод на расстоянии нескольких десятков сантиметров от работающего генератора) или поймать на SDR-радио и посмотреть центральную частоту на спектре. Частота моего экземпляра составила 11.75 МГц. Далее, исходя из диаметров оправки и провода рассчитываем катушку, так чтобы ее резонансная частота была равна частоте генератора, которую мы измерили, мотать надо проводом 0.8 и более мм в диаметре, и на 20-30 процентов больше расчетного количества витков. Если рассчитывать не вариант, мотаем заведомо больше витков. Подсоединяем катушку L3 на свое место, и, отматывая по одному витку, начинаем поиск резонанса, который ознаменуется появлением факела. Когда факел будет максимально длинным, подключаем терминал. Резонанс немного уйдет, и надо будет отмотать еще несколько витков, чтобы факел с нашим терминалом был максимально большим. если вы отмотали лишнее, можно добавить виток снизу (так сделал я) или немного увеличить терминал. Катушка у меня получилась 64 витка по расчету, а фактически больше 70, диаметр оправки 32 мм, мотал проводом диаметром 1 мм. Фото катушки L3 вместе с терминалом ниже.
С разрядником отдельная история, он будет постоянно выгорать, лучше всего чтобы конструкция была модульной, например, как у меня, на винтовых зажимах, для того чтобы иметь возможность заменить рабочее тело терминала. А вот с материалом не все так просто, в идеале - вольфрам, но я использовал медь, благодаря хорошей теплопередаче на небольших мощностях выгорания практически не было, хороший вариант - графит, но он должен быть чистым, иначе стержень трескается, помимо этого графит после каждого остывания будет немного осыпаться. Тело разрядника должно быть достаточно массивным, чтобы успевать рассеивать тепло от электрода без расплавления, но не иметь слишком большую длину, иначе окажет сильное влияние на емкость резонатора и уведет резонанс. На этом разбор отдельных элементов и настройку системы можно считать оконченной!
Заключение
Итак, статья вышла достаточно длинной, но я постарался объяснить все максимально подробно, если будут вопросы, вы можете задать их в комментариях, как увижу, непременно отвечу. Желаю удачи всем, кто собрался повторить проект, и давайте посмотрим на то, ради чего все мы здесь собрались - на электронный огонь:
Буду рад, если статья оказалась полезной или интересной! Всем добра :)
Комментарии (32)
VT100
12.08.2021 19:22+4Бедные, потрескавшиеся, C1. Не пробовали электролитический (от 100 мкФ) плюс плёночный (до 10 мкФ) плюс керамический (1 мкФ)?
Подключение L3, очевидно, добавляет ёмкость в контур. Поэтому и приходится брать больше витков.
Дроссель между R2 и затвором - пробовали? Автосмещение и режим Цэ добавить?
RU268 Автор
12.08.2021 19:39С1 нормальные стоят сейчас, пленка и электролит очень сильно греются, там по питанию пара вольт пик-пик помеха, 12 мгц частотой, поэтому керамика только. Смд чисто из-за того что маленькие, дешевые и большой емкости. Про L3 верно, и вообще на схему эту влияет даже день и местоположение, очень нестабильная, кроме как для развлечения и чисто "а что будет если" не подходит. Дроссель не ставил, а что это даст? Не будет ловить сигнал с резонатора? Автосмещение не пробовал, это как раз тот случай когда увеличение количества компонентов увеличивает паразитные связи и портит работоспособность.
VT100
13.08.2021 21:10С1 нормальные стоят сейчас
Потрескавшиеся при такой варварской пайке.
… пленка и электролит очень сильно греются, там по питанию пара вольт пик-пик помеха, 12 мгц частотой, поэтому керамика только.
Думаю, это говорит не о том, что "керамика только", а о том, что заградительный дроссель L1 плохо работает (малая индуктивность, высокая ёмкость или то и другое) и over-до-шиша энергии бесполезно циркулирует вдали от контура.
Идея вкачивания энергии в последовательный колебательный контур путём его закоротки транзистором — также представляется мне нежизненной. Тогда уж — транзистор последовательно с контуром и обратный диод для второй полуволны тока...
RU268 Автор
13.08.2021 21:14С1 не потрескавшиеся, это фото такое, если поменять дроссель произойдет рассогласование с контуром и генерация не начнется
HanSol0
12.08.2021 19:39+2Прикольно. Сколько потребляет? И эта штука может долго работать? Можно ли этим факелом воду греть? А прямо в воде гореть будет?
RU268 Автор
12.08.2021 19:43Потребляет 200 ватт при питании 30 вольт. При 20 вольтах мощность около 100 ватт потребляемая. Воду греть неэффективно, факел переходит в дугу и испаряет воду в точке контакта дуги и поверхности воды, в воде не горит, но от воды можно вытянуть дугу. Работать может бесконечно долго, надо только охлаждать радиатор кулером, но тогда поток сдувает факел, превращая его из "пламени свечи" в "пушистик"
sim31r
13.08.2021 00:35+2Практического применения схема не имеет
Что-то подобное есть в сварочных аппаратах для поджига дуги предварительного, чтобы электродом вольфрамовым в виде иглы не касаться поверхности металлической, это тупит электрод сразу. Только там схема с воздушным разрядником, конденсатор заряжается, через первичную низковольтную обмотку разряжается через разрядник, а на высоковольтной обмотке наводится импульс поджигающий дугу.
RU268 Автор
13.08.2021 09:21Там немного другой принцип, и такие высокие мощности и частоты не нужны. Самое главное что схема очень не стабильна, работает всегда по разному
sappience
13.08.2021 05:04+2Конденсатор C2 в нижней части емкостного делителя напряжения любой керамический 250 и более вольт, но, почему-то хорошо работают именно КСО.
Да, но ведь КСО не керамические.
RU268 Автор
13.08.2021 09:24Значит я неправильно донес мысль. Смысл в том что работают нормально керамические и КСО. Пленочные греются сильно, а электролит полярный. Да и в ксо диэлектрик слюда, она от керамики не сильно отличается, а сама структура конденсатора не позволяет образовываться паразитным индуктивностям, как и в керамических конденсаторах
Phenom32
13.08.2021 09:25+1А в чём не устроил качер Бровина? Схема проще, результат тот же.
RU268 Автор
13.08.2021 09:28На самом деле нет, качер работает на часотах 1-2 мгц максимум, а факельник 10+ мгц, сам факел вытягивается, скину фото сейчас. Качер проще, но с питанием в 30 вольт из него сложно даже 100 ватт вытянуть. Да и чисто ради интереса собирал) качеры раз пять уже делал :)
icemanhv
13.08.2021 09:25+1Резистор r2 зачем такой мощный. Вместо r1 и стабилитрона наверное можно поставить 7805, может ток покоя будет стабильнее
RU268 Автор
13.08.2021 09:36Неизвестно как 7805 будет работать с помехой в 12 мгц по питанию. А резистор да, пол ватта за глаза, при большом питании более 30 вольт греется только, но я взял с запасом. А так стабилитрона вполне хватает
pulk
13.08.2021 15:47+1Правильно я понимаю, что рядом с факелом изолированные предметы должны электризоваться? Просто собирать на себе поток электронов, пока накопившийся заряд не начнет их эффективно отталкивать?
RU268 Автор
13.08.2021 15:50Нет, рядом с факелом такого не происходит. Данный эффект наблюдается рядом с проводниками под высоким постоянным напряжением. Например, рядом с источниками питание рентген трубок, а там около 45 киловольт, даже отвертка накапливает заряд и может пробить в палец длинной синей искрой :)
mickvav
13.08.2021 18:25+1Интересно, насколько сильные помехи это чудо создает нормальным пользователям соответствующей частоты?
RU268 Автор
13.08.2021 18:31В радиусе 20 метров сильные очень, у меня обогреватели с термоконтролем по всему дому выключаются, а на 11.750 не излучает почти. Там длины волн огромные, и даже катушка, где 10 метров провода не может эффективно излучать такие частоты. В основном гармоники идут высокочастотные
dmitryvolochaev
Мне кажется немного странно сначала понижать напряжение с 220 до 30, а потом из этих 30 делать высоковольтную дугу. Нельзя ли использовать питание от 220 через выпрямитель? Понятно, что все элементы в этом случае должны быть высоковольтными
RU268 Автор
При питании от 220 будет очень большая мощность, такое на лампах делают, получают 2-10 квт генератор, и факел пол метра. Транзисторы будут чрезмерно дороги
Watcover3396
Да и я не понимаю, почему используется усилитель класса А, он же кучу энергии в нагрев воздуха переводит, или по другому нельзя?)
RU268 Автор
Самые простые автогенераторы базируются на классе А. Можно попробовать сделать двухтактный генератор, генератор сигнала+класс B на двух таких ключах. Но это будет гораздо сложнее. Нагрев да, 50% кпд максимум. Реально 30-40% только в факел, остальное на транзисторе
IRFC
Вот не надо тут, реально 70-80% в факел загнать, надо просто их настраивать ближе к классу С или Е и высокий КПД обеспечен
andi123
У нас в одной из лаборатории в вузе стоял примерно такой. В кварцевой трубе метровый факел зажигал.
С 2-3 метров зажигал неонки и всякие лдс.
zoog
Проблема афаик не в цене транзисторов, а в том, что на высокие напряжения (и небольшие мощности) потребуюися совсем другие параметры контуров, делающих их почти нереализуемыми.