Два простых высоковольтных генератора своими руками
Привет, Хабр! Опыты с высоким напряжением, наверное, никогда не выйдут из моды. Есть в них какая-то особенная романтика, увлекающая не только старшеклассников. Сегодня рассмотрим пару простых схем: электрозажигалку на блокинг-генераторе и музыкальный трансформатор Теслы на основе качера Бровина. Давайте соберём и испытаем оба устройства.
Прежде чем приступать к рассмотрению этих двух любительских конструкций, необходимо вспомнить технику безопасности. Высокие напряжения опасны для жизни людей, животных, и особенно сложной цифровой техники, такой, как компьютеры и телефоны. И вообще любой техники, содержащей полевые транзисторы. Также высоковольтный разряд способен вызвать пожар, а радиаторы высоковольтных игрушек очень сильно нагреваются.
Будем считать, что технику безопасности мы учли, и можно продолжать дальше. Обычно у меня нет времени и желания травить печатные платы (а ещё сверлить в них отверстия, обогащая атмосферу жилища вредной стеклотекстолитовой пылью). А импульсные схемы, в особенности преобразователи напряжения…
Само слово импульс, применительно к электрическому, предполагает наличие у этого импульса крутых фронтов. А значит, высоких частот в энергетическом спектре. А на высокочастотные токи сильно влияют паразитные индуктивности и ёмкости, даже совсем небольшие.
Потому импульсные схемы «не любят», когда их макетируют как попало. Они «предпочитают» печатную плату, избавляющую устройство от хаоса искажений и наводок.
К счастью, в местном киоске электротоваров продавались несколько наборов для сборки. Все они явно от китайских друзей с Алиэкспресс, но товаровед подошёл творчески и снабдил их забавными этикетками с фото любимых видеоблоггеров, распечатанных на чёрно-белом принтере.
▍ Как работает лазерный принтер
Кстати, лазерные принтеры и копировальные аппараты, они же «ксероксы», тоже работают благодаря высокому напряжению. Именно оно притягивает тонер на незасвеченные участки селенового фотобарабана. А с засвеченных, лазером либо светом, отражённым от бумажного оригинала, электрический заряд, сообщённый поверхности фоточувствительного вала роликом предварительного заряда или коротроном, уходит на алюминиевый корпус фотобарабана.
Далее тонер, представляющий собой смесь пигмента, смолы и оксида железа (ржавчины), прилипает к заряженной от коротрона бумаге, и благодаря смоле, запекается на ней в печке. А оксид железа в тонере нужен затем, чтобы он притягивался к магнитному валу для равномерной дозированной подачи на фотобарабан.
Таинственный коротрон — это натянутая металлическая проволока, лезвие или пластина с зубцами, служащие для возникновения коронного разряда. И, соответственно, переноса нужного электрического заряда соответственно замыслу разработчиков прибора.
Так как при коронном разряде создаются электромагнитные помехи и выделяется озон, могущий оказывать разрушительное воздействие на различные материалы, организмы человека и животных, (как, впрочем, и на болезнетворные микроорганизмы и вирусы), в современной технике стараются применять меньше коротронов и больше роликов переноса заряда. К тому же ролики сильнее подвержены износу, чем коротроны, что выгодно производителям запчастей к принтерам и копирам.
Итак, первый набор самый простой. Он состоит из печатной платы, готового трансформатора с ферритовым сердечником и секционированной вторичной высоковольтной обмоткой, одного транзистора с радиатором и винтиком, клавишного выключателя, одного резистора 120 Ом и одного диода UF4007. Также прилагаются нейлоновая стяжка для крепления трансформатора и «гребёнка» PLS-6, для которой отсутствует посадочное место. Зачем она нужна, мы увидим далее.
На плате медь и паяльная маска с одной стороны. Металлизация отверстий отсутствует, она для такой простой платы и не нужна. На другой стороне шелкография сообщает, что куда паять. Это особенно радует в свете отсутствия инструкции. Хотя она нашлась на Алиэкспресс, вместе со схемой и указанием напряжения питания — 3.7 вольта.
То есть, преобразователь предназначен для питания от одной литиевой ячейки. Если хотим питать от более высокого напряжения, но не выше 12 вольт, необходимо увеличить номинал единственного резистора, в диапазоне от 150 Ом до 1 килоома.
▍ Блокинг-генератор
Схемотехнически устройство представляет собой обычный блокинг-генератор с насыщающимся сердечником. Работает он следующим образом.
Биполярный транзистор структуры NPN включён по схеме с общим эмиттером. Его коллекторной нагрузкой является толстая, она же силовая обмотка. При подаче питания на базу через тонкую, управляющую обмотку, резистор и диод приходит напряжение прямого смещения эмиттерного перехода, вследствие чего появляется ток базы, и транзистор начинает открываться.
Постепенно увеличивается ток через силовую обмотку. Соответственно, растёт магнитный поток, и в управляющей обмотке появляется электродвижущая сила (ЭДС) взаимоиндукции, действующая в том же направлении, что и питающее напряжение. Она помогает транзистору открываться дальше.
Когда магнитопровод или транзистор входит в насыщение, рост тока в толстой обмотке прекращается, и далее ток начинает уменьшаться. ЭДС в управляющей обмотке меняет знак, противодействуя напряжению питания. Транзистор закрывается. Далее всё повторяется снова.
Отметим, что диод UF4007 со сверхбыстрым временем восстановления запертого состояния. Обычный выпрямительный 1N4007 в такой высокочастотной схеме работать не будет.
▍ Сборка
Теперь, когда мы поняли, что перед нами за генератор, и на каком принципе основана его работа, поговорим о нюансах сборки данной конструкции.
Насчёт радиатора. Лично мой и моих любящих электронику друзей опыт однозначно говорит, что если китайцы положили в набор радиатор, значит, транзистор или микросхема будут нагреваться сильно или очень сильно.
Потому категорически рекомендую перед установкой транзистора на радиатор намазать его теплоотводящую поверхность тонким слоем термопасты.
Это не сильно затруднит сборку, зато добавит шансов избежать разочарований и хлопот, возникающих при тепловом пробое полупроводниковых приборов. (Сгоревший транзистор ещё и немного коптит, и очень неприятно воняет).
Установить транзистор неправильно не получится, потому что он устанавливается после крепления к радиатору. Надеюсь, вы не прикрутили его задом наперёд, то есть, медной подложкой к головке винта, а не к радиатору, как должно быть.
Сверхбыстрый диод устанавливается на плате согласно катодной полоске, отмеченной на шелкографии.
Выводы обмоток паяются так: справа правый толстый, слева левый тонкий, посередине — два остальных.
И наконец, от PLS гребёнки отламываем половину, вытягиваем тонкогубцами или пинцетом среднюю ножку, а крайние изгибаем так, чтобы расстояние между их кончиками было меньше, чем между точками пайки проводов от вторичной высоковольтной обмотки.
Это приспособление из PLS вилки будет нашим высоковольтным разрядником, и является расходным материалом, так как при работе нагревается и обгорает.
Добавлю, что лично в моём экземпляре конструктора длина кабельной стяжки оказалась недостаточной (либо я что-то не так делаю), и вместо неё пришлось взять другую из запасов.
▍ Испытания
Зато заработал преобразователь сразу, и прекрасно поджигает не только бумагу и целлюлозную салфетку, но и туристическое сухое горючее (гексаметилентетрамин, прессованный с парафином). Если поместить плату в корпус, получим хорошую зажигалку, не нуждающуюся в газе или бензине.
Как всё это происходило, можно посмотреть на видео.
▍ Поющая Тесла
Второй высоковольтный преобразователь чуть посложнее, и представляет собой резонансный трансформатор без магнитопровода, он же трансформатор Теслы.
На биполярном транзисторе BD243 собран так называемый качер, или качатель реактивностей Владимира Ильича. Нет, не Ленина, а Бровина.
Имена и творческое наследие Николы Теслы и Владимира Бровина, как и романтика самодеятельных высоковольтных экспериментов, окутаны ореолом мистики. Им посвящены сотни дискуссий на сотни страниц, привлекающие адептов теорий заговора, искателей бестопливной генерации энергии, рептилоидов, красной ртути, древнего атмосферного электричества и прочих интересных тем, где наука, история, опыт перемежаются с научной фантастикой и волшебными сказками.
Попутно успешно рекламируются и продаются активаторы воды и иных субстанций, гармонизаторы пространства и приборы физиотерапевтического назначения, устройства для фотографирования биополя и прочие интересные вещи. В ход идут натуральный камень, красивые катушки индуктивности, газоразрядные лампы и трубки. В чём-то из всего этого есть рациональное зерно и реальная польза, в чём-то сомнительно, но всё это очень занятно.
О том, почему качатель реактивностей всё же работает, хотя необходимые для генерации вынужденных колебаний обратные связи на схеме не нарисованы, существует множество мнений. Лично мне по душе простое материалистическое объяснение на уровне школьного курса физики.
На самом деле, качер Бровина работает благодаря шумам транзистора. Собственным тепловым, квантовым, обусловленным воздействием ионизирующего излучения, — сгодятся любые. Благодаря этим шумам, транзистор начинает что-то генерировать. Это что-то (а именно, усиленный транзистором шум) возбуждает колебания в контуре, образованном индуктивностью и межвитковой ёмкостью катушки, а также паразитными ёмкостями.
А так как колебательный контур имеет резонансную частоту, то и колебания устанавливаются на этой частоте. Учитывая, что все качеры довольно мощные или очень мощные, устанавливается и паразитная обратная связь, как раз на этой частоте. Что очень похоже на классическую авторскую конструкцию Теслы с искровым возбуждением.
В помощь шумам транзистора китайские разработчики данного промышленного образца установили ещё и светодиод LED1. Не все знают, но светодиод в прямом включении также генерирует некоторый ощутимый уровень шумов.
А на полевом транзисторе с изолированным затвором, он же MOSFET, собран модулятор, позволяющей изменять мощность высоковольтного генератора в такт амплитуде звукового сигнала. Так как температура плазмы в искре очень высока, модуляция мощности приводит к колебаниям нагрева воздуха. Который, следовательно, расширяется и сужается, тем самым генерируя звуковые волны. Так работает музыкальный трансформатор Теслы.
Сборка набора затруднений не вызвала, всё заработало с первого раза. Длинный конец вторичной обмотки должен быть сверху. Это разрядник, и со временем он обгорает. Подстройка резонанса осуществляется изменением геометрии первичной обмотки, представляющей собой кусок изолированного провода.
Наилучшие результаты у меня получились от источника питания паяльной станции, выдающего 24 вольта 5 ампер постоянного тока. При более низком питающем напряжении, музыки от электрического разряда не было слышно.
Возможно, я перепутала красный и синий светодиоды, имеющие разные падения напряжения в прямом включении, и, соответственно, влияющие на работу схемы. Какой из светодиодов должен быть красным, а какой синим, на схеме не написано. Тем не менее устройство работает и поёт, потому переделывать его не хочется.
Процесс сборки и испытания электронной игрушки для взрослых запечатлён на видео.
▍ Выводы
Собирать разные электронные устройства легко и просто, в случае набора-конструктора с готовой печатной платой, и при наличии хорошего паяльника, припоя и доступа в интернет, где можно найти ответы на возникающие вопросы.
Спасибо за внимание! Напишите в комментариях, какие схемы и конструкции будет интересно рассмотреть и собрать в будущих статьях и видео. Расскажите о своём опыте радиолюбительских поделок.
