Какое пламя горячей? ФАКЕЛЬНИК
Хомяки приветствуют вас друзья!
Сегодняшний выпуск будет посвящен любопытной электронной свече, пламя которой имеет необычную природу происхождения. Генератор факельного разряда, второе народное название которого «Факельник». Их существует несколько видов, конкретно этот собран на обыкновенном транзисторе. В ходе рассказа узнаем как настроить такую систему и рассмотрим факторы которые могут влиять на работу устройства. Параллельно будем экспериментировать с высокочастотными полями, зажигать экзотические лампочки, передавать энергию без проводов и в общем все как вы любите. Под конец попробуем довести генератор до критического состояния и посмотрим сколько он проработает.
Эта история начинается с одного человека, который написал мне в инстаграме что-то типа:
— Привет, я знаю как настраивать «Факельник»
Как раз в это время я пил пивас на кухне и думаю…
— Да, а чего это я не знаю как настраивать «Факельник», и начал разбираться
В принципе это устройство довольно простое, но из-за того что оно работает на высоких частотах свыше 10 мГц и довольно больших токах, в его основе должны лежать несколько специфические радиодетали.
Схема состоит всего из шести отдельных элементов и хомяк с любопытством спешит их изучить. Слева на право. Резонатор, дроссель по питанию, контурная индуктивность на керамике и контурный серый конденсатор, MOSFET транзистор на радиаторе и коричневый слюдяной конденсатор КСО. Эти кадры как вы понимаете снимались в самом конце, когда всё было настроено и резонансы были подогнаны друг к другу.
Принципиальная схема тут выглядит как те три березы в поле, но в них довольно легко можно потеряться. Более научно этот генератор называется Генератором Колпитца или ёмкостной трехтонкой.
Изначально вся схема существовала в виде навесного монтажа, но показывать такое, как бы не принято, потому обвес транзистора приобретает более красивый вид. Точней не так. Длина всех проводников в обвязке транзистора должна быть как можно короче, чтобы в них различных паразитных наводок было как можно меньше.
Тут стоит супрессор на 18 вольт параллельно подстрочному резистору и несколько обычных резисторов в делителе затвора. Так же на ноге истока параллельно питанию схемы сидят девять керамических конденсаторов по 10 мкФ, в теории должно быть 90 мкФ, а по факту 73 мкФ. MOSFET транзитор должен размещаться на большом радиаторе, так как нагрев в процессе работы будет адский. Дроссель по питанию намотан на ферритовом 25 мм кольце и имеет 20 витков проводом 1 мм. Были попытки намотать дроссель на обычной керамике, но работа схемы при этом выглядела без изменений. Ферритовое кольцо компактней и в теории должно фильтровать ВЧ помехи идущие от «Факельника» к блоку питания.
Справа от транзистора разместился непревзойденный конденсатор КСО. В переводе аббревиатуры называется «конденсатор слюдяной опрессованный», если в конце стоит буква Т то он еще и термостойкий. В детстве я такие артефакты на помойку выкидывал, не подозревая что современные пленочные конденсаторы обладают собственной индуктивностью и диэлектриком который греется на высоких частотах. Кроме того что внутри конденсаторов КСО находится слюдяной диэлектрик, так тут еще и обкладки состоят из настоящего серебра, правда его тут с гулькин нос, но тем не менее.
В общем когда мне понадобились такие высокочастотные конденсаторы, под рукой их конечно не оказалось. Небольшое количество для экспериментов мне прислал Юрий Попов, за что ему огромное спасибо. В дополнении к конденсаторам в почтовой коробке оказались детали к искровой катушке Тесла и многие другие ништяки, включая радиолампы. На цоколе одной из них есть надпись известного американского завода Westinghouse, это прямо коллекционный экспонат. Вообще мне по душе всякие старые радиодетали, потому в очередной визит на местный радиорынок я скупил все конденсаторы КСО которые там были. Как говориться: запас карман не жмет, положу их в сейф и буду нырять в них как Скрудж Макдак в свое золото)
Так как схема у нас резонансная и ее нужно будет иногда подстраивать, добавим в параллель КСО-шке пластинчатый воздушный конденсатор переменной емкости, которая составляет от 10 до 940 пФ.
Самые важные элементы в конструкции генератора. Контурная катушка индуктивности и контурная емкость. Начнем с индуктивности. Моталась она на керамической основе от какого-то советского радиопередатчика. Использовать в этом деле сантехнические трубы не рекомендую, пластик будет нагреваться ВЧ полем и вносить лишние потери в работу схемы. Индуктор имеет диаметр 35 мм, содержит 9 витков и намотан медным проводом диаметром 1.5 мм. Шаг между витками в высокочастотной технике используют для уменьшения паразитной межвитковой емкости внутри катушки индуктивности. При намотке таких вещей применяют посеребренные проводники, чтоб уменьшить скин-эффект возникающий при протекании переменного высокочастотного тока. Это уменьшает нагрев и в следствии улучшает характеристики контура.
Серый конденсатор. В данной схеме он не простой. К15У — это хитрая керамическая емкость которая имеет большую реактивную мощность. Грубо говоря это мощный конденсатор, который легко работает с большими переменными токами высокой частоты. У меня наверное со временем развилась какая-то болезнь, но при виде кучи конденсаторов у одного из торговцев черным деревом на радиорынке, тут же скупил все! Что касается точности, то 100 пФ значит 100 пФ несмотря на указанное 20-ти процентное отклонение.
Использовать конденсаторы КВИ-2 и КВИ-3 в схеме «Факельника» не рекомендую из-за их чрезмерного перегрева в процессе работы. Диэлектрик у них не предназначен для работы с такими высокочастотными токами.
Один знакомый прислал мне пару фоток, где у него КВИ-2 прекрасно выгорали как семечки. Что касается КВИ-3, то тут та же беда. Для сравнения, два конденсатора рассчитанные на одно и то же напряжение. Только у К15У емкость на 70 пФ меньше и при этом он по габаритам в два раза больше. Здесь размер как бы имеет значение) Вообще для этих дел идеально подойдут вакуумные конденсаторы, в них вообще нет диэлектрика. Нет диэлектрика — нет потерь, нет потерь — нет проблем. Только с габаритами тут выходит заминочка.
Следующий и последний элемент схемы факельного генератора это четвертьволновой резонатор. Грубо говоря это длинная линия в которой волны накладываются друг на друга, многократно усиливаются и вырываются в виде высоковольтного факела. В идеале его нужно мотать на керамической основе, но у меня она оказалась коротковатой для укладки нужной длинны провода. Потому в ход пошли сантехнические трубы диаметром 32 мм. Тут намотано 70 витков проводом 1 мм. На этой замечательной ноте рассмотрение отдельных частей схемы генератора можно считать исчерпывающим.
Теперь можно переходить к настройке. Вкратце про схему. Это обычный однотактный усилитель выполненный на одном полевом транзисторе. У него есть цепь смещения затвора, Г-образный фильтр, резонансный контур и делитель напряжения с положительной обратной связью на затвор, который превращает усилитель в автогенератор.
В начале нам необходимо отключить резонансный контур от схемы и выставить напряжения смещения на затворе. Для этого включим блок питания и установим на нем напряжение 20 вольт и ток скажем 3 ампера. Вставляем часовую отвертку в подстро́ечный резистор и начинаем его крутить в разные стороны. Наша задача поднять напряжение на затворе до такого уровня, когда ток покоя данного усилителя будет равен 100 миллиамперам. Напряжение при этом составило 3.6 вольта. Все, цифровой блок питания нам больше не понадобится, жалко если сгорит.
Заменим его импульсным блоком питания от ноутбука с напряжением 19 вольт и заявленным выходным током в 3 ампера. Интересно, но на активную нагрузку в виде нихромовой нити выходной ток равен 4 амперам, а напряжение просаживается до 10 вольт. А вот при работе с «Факельником» и напряжение что нужно, и ток выходит на ампер больше заявленного. Блоки от ноутбуков всегда удивляли своей выносливостью.
Что касается работы генератора, то все измерения в цепи питания рекомендую производить исключительно стрелочными приборами. Это связано с тем, что под воздействием высокочастотных полей все вокруг сходит с ума: вольтметр, амперметр который клещи, амперметр который китайский, разные электронные часы. Сходят с ума осветительные приборы, видеокамеры и люди, многие среди нас давно чокнулись, потому устройство действует не на всех. Шутка!
Вернемся к настройке устройства. Чуть ранее мы настроили ток покоя усилителя, теперь пора присоединить контур вместе с емкостным делителем напряжения и обратной связью.
Для начала индуктивность намотаем как можно больше, скажем 10 витков и по мере настройки будем их отматывать, если нужно. Как определиться с необходимой емкостью конденсатора? Берите 100 нФ и не ошибетесь. Проще отмотать пару витков от катушки индуктивности, чем каждый раз покупать новый конденсатор с другой емкостью. А шаг у них довольно большой, по 50 пик и выше.
Первое время пробовал подбирать емкость переменным конденсатором. Но из-за малого расстояния между пластинами их начинало шить высоким напряжением. А это не есть хорошо, так как он напрямую соединен с затвором транзистора. На многих форумах утверждают что после пробоя затвора высоким напряжением MOSFET моментально отправляется на помойку, но у меня все работает, шьет и работает. В дальнейшем этот конденсатор был вынесен на нижнее плече емкостного делителя напряжения, так безопасней и он как бы не для того был создан.
Отмотав один виток от контурной катушки индуктивности, мы смогли найти резонанс. Это выражено по максимальной амплитуде сигнала на осциллографа, максимальному току потребления на амперметре и по максимальному отклонению стрелки индикатора электрического поля. Напряженность в горячей точке контура будет настолько высока, что если коснутся ее отверткой то можно вытягивать довольно длинные толстые дуги. Конечно же соблюдая при этом все меры безопасности!
Индикаторов для измерения полей в процессе экспериментов использовалось два. Первый, что в классическом исполнении реагирует исключительно на электрическое поле и в зависимости от его напряженности будет отклонятся стрелка на шкале микроамперметра. Схема тут абсолютно не требует дополнительного питания.
Вкратце о работе стрелочного индикатора электрического поля. Сигнал, который наводится в антенне через разделительный конденсатор С1 поступает на диодный детектор построенный по схеме удвоения напряжения. Диоды здесь применены высокочастотные Д405. В результате на их выходе формируется постоянное напряжение, пропорциональное интенсивности сигнала поступающего на антенну. Конденсатор С2 является накопительным. Переменным резистором можно установить необходимую чувствительность устройства в процессе работы.
Второй прибор более современный. Но он уже реагирует на электромагнитные поля и в зависимости от их плотности по возрастанию будут загораться светодиоды, а питается он от батарейки типа крона.
Современная реализация индикатора электромагнитного поля представляет собой прибор, построенный на кучке микросхем. Это устройство не найти в сети всемирной паутины, им поделился один хороший человек, который специализируется в сфере аналоговых металлодетекторов.
Схема устройства довольно проста. На быстродействующем операционнике MC33174 построен усилительный и детектирующий каскад, сигнал с которого поступает на компараторы микросхемы LM339, компараторы открываются по очереди и поступают на микросхему логики «исключающее или», которая хитрым образом зажигает индикацию только по одному светодиоду. Мало потребляющий таймер LMC555 формирует отрицательное напряжение для работы операционника и компаратора. Давайте закажем несколько плат на сайте Pcbway и посмотрим как это устройство работает на практике. Архив со всеми полезностями можно скачать тут.
После того как все спаяно, важно намотать хорошую катушку с индуктивностью в 15 мГн и пропитать ее эпоксидом для жесткости. Размер катушки: внутренний диаметр 34 мм, внешний 42 мм, а высота намотки 8 мм. Предпочтительней делать плоскую намотку, но у меня не нашлось нормальной приспособы для этих дел. Плата спроектирована под корпус Z14. Данный детектор был разработан для определения плотности электромагнитного поля в катушках металлодетекторов.
Вернемся к факельнику. Катушку индуктивности с её ВЧ полем можно смело называть индуктором, так как внутри него можно спокойно нагревать металлы. Не до красна правда, но иголка разогревается достаточно чтобы воспламенить спичку. При длительной работе болт, который крепит керамику к основанию стеклотекстолита прожег в нем черное пятно. О напряженности поля в индукторе можно судить по неоновой лампочке, которая ярко вспыхивает вблизи горячего конца контура. Часто пользуюсь неоновыми лампочками для определения напряженных мест, напрягает когда схема может пробить если дотронутся куда не нужно.
И так, мы настроили резонанс в контуре, теперь наша задача намотать резонатор с конца которого будет вырываться тот самый факел ради которого мы тут собственно и собрались.
Прежде чем мы перейдем к этой части, давайте посмотрим как в поле индуктора зажигаются высокочастотные спектральные лампы ВСБ-2. Для тех кто впервые про них слышит, это такие ампулы из кварцевого стекла, внутри которых находятся различные химические элементы.
К примеру, натрий будет светить желтым светом, а галлий сиреневым. Каждый химический элемент излучает свой спектр с узкими атомными линиями, которые используются для калибровки различных спектрофотометрических устройств. Думаю на эту тему будет отдельный фильм, там есть что рассказать.
Давайте проведем расчет длинны провода четвертьволнового резонатора. У нас известна рабочая частота 10.84 мГц. Воспользуемся простой формулой для определения длинны волны. Для этого скорость света нужно поделить на частоту, получаем 27.6 метра. Делим результат на 4 и получаем необходимую длину провода для четвертьволнового резонатора.
Дальше берем рулетку, отмеряем нужный кусок провода согласно расчетам и наматываем его на керамическую оправку. В принципе все просто, если бы не одно, но! Так как провод при намотке укладывается виток к витку, у нашего резонатора появляется межвитковая емкость, которая может увести частоту и делать из него катушку, в которой будет происходить черт пойми что.
Разряды в итоге вышли очень маленькие. Домотаем еще провода и посмотрим что поменяется. Разряды стали толще и длинней. Дальше была взята сантехническая труба диаметров 32 мм и на нее намотано примерно метров 10 провода. Отматывая по витку визуально проводим наблюдение за величиной факела. На определенной длине провода схема была согласована и огонек с легкостью вырывался с терминала резонатора. Отсюда вывод: много провода — плохо, мало провода — тоже плохо. Мотаем заведомо больше витков, отматываем и наблюдаем за работой устройства.
На схеме это выглядит как согласование антенны с задающей частотой контура. Один конец резонатора не совсем висит в воздухе, он создает емкость между свободным концом и землей. В общем тут все сложно. Мне в первые довелось работать с такими высокими частотами и все что вы видели ранее, настраивалось исключительно экспериментальным путем.
У кого-то может возникнуть вопрос. Имеет ли значение в какую сторону мотать четвертьволновой резонатор. Отвечаю — нет! Что по часовой, что против часовой, факел был практически одинаковым. Идеальной настройкой системы можно считать тогда, когда вся энергия с контура передается прямиком в резонатор, многократно усиливаясь по амплитуде, что в результате приводит к вырыванию факела с конца терминала. Резонанс тут настолько острый, что простое влияние руки, создающая дополнительную емкость, сносит его на нет. На самом деле частоты в 10 мГц не такие уж и большие, но все настолько тонко и критично.
В процессе работы MOSFET транзистор вместе с массивным радиатором будут сильно нагреваться, а пирометр показывал температуру от 80 до 100 градусов. Контурная катушка индуктивности греется примерно так же. Конденсатору К15У такие высокочастотные токи вообще нипочем, нагревается до 40 градусов. Отсюда вывод: что радиатор вместе с контуром нужно охлаждать, но тут есть одно но, в процессе работы поток воздуха будет сдувать факел. Потому лучше пусть схема три минуты работает и три обдувается.
Некоторые особенности и предостережения при работе с устройством. Все настройки, которые были показаны ранее проводились с напряжением питания схемы не превышающие 20 вольт. Этого достаточно чтобы получить факел размеров в сантиметр — полтора. Из-за большой напряженности поля вокруг резонатора, часто начинал мигать свет на осветительных приборах, там этим делом управляет процессор и ему становится плохо. Один человек говорил, что у него паяльная станция сгорела рядом с таким генератором. У меня же на фотоаппарате поле влияло на объектив и его электронную систему фокусировки.
Отсюда вывод: все измерения при настройке следует проводить дистанционно, не подключая щупы к отдельным частям схемы. Есть риск спалить осциллограф.
Так же старайтесь не касаться проводов питания и любых металлических предметов рядом с работающим генератором, есть риск получить ожог высокочастотным током, который в них наводится. Пока делал эксперименты с передачей энергии без проводов, все пальцы пообжигал. В квартире при этом стоял запах жареной курицы. Приготовление себя довольно интересное занятие, но такие вавки довольно долго заживают.
Передача энергии без проводов. Так как ранее мы намотали два практически идентичных резонатора, то по теории они должны работать в резонансе друг с другом. Это хорошо видно по горячей длинной дуге, которая тянется с нижней части никуда не подключенной катушки. Если тут наводится такая энергия, то ее можно использовать для питания какой-нибудь лампочки.
Подключаем ее к контактам катушки и видим, что ничего не горит. С проводов при этом продолжают тянутся довольно горячие дуги. Сопротивление в виде лампочки параллельно катушке похоже ухудшает ее добротность и потому ничего не выходит.
Если подключить ее последовательно с резонатором, то это кардинально все меняет. Конец лампы подключается на землю. Тут главное правильно подобрать расстояние между катушками, иначе нить накала перегорит. Если к земляному концу лампы коснутся рукой, через отвертку конечно же, чтобы ожоги не получить, то лампа тут же загорается, при этом через несколько секунд от ВЧ токов начинает активно нагреваться палец изнутри. Эффект микроволновки так сказать.
Многие писали в инстаграме, что ко мне домой вот-вот пожалуют радиочастотные службы на чашку чая с судовыми письмами. А ведь интересно, можно ли считать факельник радиопередатчиком? В проверке этого мифа мне помог один радиолюбитель, с которым мы живем практически по соседству, примерно в 5-ти километрах друг от друга. Он прямо фанат своего дела, у него дома куча различного оборудования, антенн и прочего интересного для выхода в радио эфир, его сканирования и прослушивания.
Мы с ним скоординировались и ровно в назначенное время начался эксперимент. Прием осуществлялся на USB приёмник RTL-SDR. Грубо говоря это такая штуковина, которая позволяет оцифровать и передать на компьютер кусок радиодиапазона, который комп обрабатывает и выдает картинку в виде водопада, где видно любые колебания что происходят в эфире. На частоте 11 мГц на протяжении всего испытания не было ни единого шороха. Прибор включали и выключали. На водопаде чистота и это несмотря на то, что в передатчик вкачивается почти 200 Вт мощности, с потерями на нагрев правда, но то такое. Для примера, старенькая игрушечная рация «Моторола» имеет мощность передатчика всего лишь в 0.5 Вт, но при этом пеленг пытался пробиваться с расстояния в 5 км.
Отсюда вывод: факельник способен забить эфир разве что вашим соседям по дому, которые слушали радио или смотрели футбол по телевизору. Потому радиочастотные службы могут спать спокойно. В отличии от моих соседей.
Переходим к самой интересной части программы. Какое же максимальное напряжение можно подавать на схему генератора? На форумах внятного ответа я не нашел, а проверить это имея регулируемый блок питания как два пальца. С увеличением напряжения растет длинна факела и незначительно вырастает ток потребления. Преодолев отметку в 50 вольт начал мигать свет. Помигал и перестал. Дальше двигаться нет смысла, просто наблюдал как долго оно проработает.
Как и полагается, все сгорело. Теперь по крайней мере понятно верхнюю границу мощности устройства, которую преодолевать не стоит. Настоящий джентльмен всегда и с интересом оценит разрушения, вызванные его экспериментом. Главное все делать в очках!
Температура радиатора составила градусов 200. Реактивная тяга с под ног транзистора заровняла текстолит, оставив черные следы. Закоптился так же радиатор, расплавился припой на smd конденсаторах. Ситуация с транзистором не совсем понятна, похоже переход сток-исток не выдержал издевательств, та как именно между этими ногами образовался прогар.
Меняем сгоревшую деталь и возвращаем генератор обратно в строй. Довольно компактное получилось устройство, ему не хватает только защиты от перегрева. Можно поставить на радиатор биметаллический датчик температуры, который будет размыкать цепь питания. Это важно, мосфеты как показала реальная практика сильно боятся перегрева.
Теперь давайте рассмотрим какие терминалы лучше использовать для выхода факельного разряда. Первый и самый тонкий это платиновая проволока, второй вольфрамовый электрод для сварки, третий вольфрам-ториевый электрод и четвертый это быстрорежущее сверло.
И так, платина в первые секунды начинает плавится, несмотря на то, что температура ее плавления почти 1800 градусов. Не подходит. Дальше вольфрам-ториевый электрод, вольфрамовый электрод и быстрорежущее сверло. Сказать что между ними есть какое-то отличие в работе, это ничего не сказать. За исключение вольфрам-ториевого электрода. Когда он прогреется, радиоактивный торий слегка ионизирует атомы воздуха, тем самым облегчая выход разряда из терминала. Температура плавления вольфрама сумасшедшая — 3422 °C, это абсолютный чемпион по тугоплавкости из всех существующих металлов.
Теперь давайте посмотрим как в высокочастотном поле загораются различные газоразрядные лампочки. Лампу дневного света мы уже видели, а ультрафиолетовую нет. Свечение у нее какое-то зелено-голубоватое что ли, на нее лучше долго не смотреть, а то и ослепнуть можно. Лучше возьмем что-либо попроще, это неоновая газоразрядная лампа ТН-30. У нее цвета переливаются из синего в красный, из красного в синий, довольно красиво. Спектральная лампа ЛТ-2 с содержанием талия. Оранжевым светит не талий, а тот же неон в качестве буферного газа. Разноцветные неонки. В общем набросал под факельник всего что было в хозяйстве.
Как по мне, самое красивое в этом всем эксперименте, это наблюдать как светятся различные экзотические лампы в необычной высокочастотной среде. Я не знаю что там происходит с яйцами в штанах, но злоупотреблять здоровьем своих соседей, а уж тем более своим, с такими высокочастотными полями в течении длительного времени не стоит.
Этот выпуск снимался около двух месяцев, а материала было отснято намного больше чем было показано. В дальнейших планах, куча интересных проектов. Ламповый факельник, различные спектральные лампы в ВЧ полях и прочий беспредел. Если все пойдет по плану конечно. Как было сказано в одной советской хронике…
Для справки. Этот выпуск и возможно два следующих появились благодаря людям в инстаграме, которые поделились своим опытом, материалом и знаниями в разных областях науки и техники. Прям как то название в том советском журнале «Наука и техника». Я то на самом деле обычный двоечник, который мало что учил в школе пытаясь понять как работает мир вне страниц книг и рамок школьного дневника.
Полное видео проекта на YouTube
Архив с полезностями
Наш Instagram
