Блок питания трансформатора Тесла с микроконтроллерным управлением

Внешний вид предлагаемого блока вместе с питающимся от него трансформатором Тесла показан на фотоснимке рис. 1. Блок собран в корпусе от стандартного компьютерного БП. К его выходу подключена первичная обмотка трансформатора, состоящая из пяти витков изолированного монтажного провода сечением 2,5...4 мм2, намотанных на отрезке пластиковой сантехнической трубы внешним диаметром  110 мм.  Каркас вторичной обмотки — пластиковая бутылка из-под кефира объемом 0,8 л.  Эмалированный провод диаметром 0,2 мм намотан на нее в один ряд виток к витку до заполнения (всего  около   1000  витков). Нижний конец этой обмотки заземлен   —   подключен   к третьему контакту (РЕ) сетевой "евророрезетки ".  Верхний конец снабжен медным штырем, вокруг которого и наблюдаются различные высоковольтные   эффекты.   Вторичная обмотка защищена от механических повреждений и межвитковых   пробоев    несколькими слоями эпоксидной смолы. Между первичной и вторичной обмотками обязателен воздушный   промежуток   шириной,   достаточной   для   исключения   пробоев между обмотками и коронных разрядов.

Индуктивность вторичной обмотки и ее собственная емкость образуют колебательный контур, за счет резонанса в котором и происходит многократное повышение напряжения по сравнению со значением, рассчитанным, исходя лишь из отношения числа витков обмоток. Анализ показывает, что основной фактор, определяющий резонансную частоту вторичной обмотки, — ее размеры.

Измерить эту частоту довольно просто. Для этого достаточно, как показано

на рис. 2, подать на первичную обмотку изготовленного трансформатора напряжение от перестраиваемого генератора сигналов G1. Резистор R1 ограничивает ток, его мощность должна быть не меньше мощности генератора. Поблизости от трансформатора устанавливают осциллограф Р1 с подключенной к его входу антенной WA1 — отрезком любого провода длиной 100. .200 мм. Перестраивая генератор, снимают зависимость размаха сигнала на экране осциллографа от частоты. Для описанного выше трансформатора она получилась такой, как на рис. 3 Резонансная частота соответствует главному максимуму кривой и в данном случае равна 600 кГц.

Имеющиеся в Интернете программы расчета трансформатора Тесла дали близкие результаты:

— программа VCTesla. которую несложно найти, задав ее имя в одной из поисковых систем, — 632 кГц;

При отсутствии осциллографа его можно заменить простым индикатором электромагнитного поля, собрав по схеме, изображенной на рис. 4. Антенна WA1  представляет собой два припаянных к выводам диода VD1 и направленных в разные стороны отрезка провода длиной около  100 мм каждый. Резонанс   определяют   по максимальной яркости свечения светодиода HL1. Схема блока питания трансформатора Тесла изображена на рис. 5. ТЗ — собственно этот трансформатор.  На элементах DD1.1, DD1.2 собран генератор импульсов, следующих с частотой, близкой к резонансной частоте его вторичной обмотки. Усиленные микросхемой DA3 (драйвером полевого транзистора) и работающим в ключевом режиме мощным полевым транзистором VT1, эти импульсы поступают на обмотку I трансформатора.  Переменным резистором R1  регулируют частоту импульсов, добиваясь наиболее яркого свечения газоразрядной (например, "энергосберегающей")    лампы,    расположенной поблизости от трансформатора.

на рис. 2, подать на первичную обмотку изготовленного трансформатора напряжение от перестраиваемого генератора простым индикатором электромагнитного поля, собрав по схемеБлок собран в корпусе от стандартного компьютерного БПБлок питания трансформатора Тесла с микроконтроллерным управлением
Блок питания трансформатора Тесла с микроконтроллерным управлением
Блок питания трансформатора Тесла

Микроконтроллер формирует на своем выходе Р85 импульсы, которые, поступая на вход EN драйвера DA3, разрешают и запрещают работу драйвера. Эти импульсы модулируют импульсную последовательность, поступающую на обмотку I трансформатора ТЗ, а следовательно, и высокое напряжение на его обмотке II.

Предусмотрено пять режимов работы микроконтроллера, переключаемых по кольцу нажатиями на кнопку SB1. Каждый переход подтверждается миганием светодиода HL1, число его вспышек равно номеру включенного режима. В первом режиме генерируются импульсы длительностью I мс с паузами между ними 8 мс. Во втором продолжительность пауз увеличена до 10 мс, в третьем — до 12 мс, в четвертом — до 14 мс и в пятом — до 20 мс.

Смена режимов влияет на характер звуков, издаваемых электрическими разрядами, а также на их число и длину. Чем продолжительней пауза, тем сильнее успевает деионизироваться воздух в области разряда к началу следующей пачки импульсов высокого напряжения. Изменив программу, можно промодулировать импульсную последовательность более сложными сигналами.

Трансформатор Т1 с выпрямителем по схеме удвоения напряжения на диодах VD1, VD2 питает напряжением 40...60 В каскад на полевом транзисторе VT1. Имеется еще один трансформатор питания — Т2. От него через выпрямительный мост VD3 и интегральный стабилизатор DA1 напряжением 12 В питается драйвер DA3. Выходное напряжение стабилизатора ОА2 (5 В) предназначено для микроконтроллера DD2 и микросхемы DD1.

Чертеж печатной платы блока показан на рис. 6. Транзистор VT1 снабжен ребристым теплоотводом. Значительная часть поверхности платы свободна от деталей и печатных проводников. Здесь укрепляют трансформаторы Т1 и Т2. В качестве SA1 использован выключатель, уже имеющийся в компьютерном блоке питания, в корпус которого помещена плата. Ее длина (145 мм), указанная на рисунке, может быть изменена в зависимости от размеров использованного корпуса. Если в нем имеется вентилятор, его можно включить, подав напряжение 12 В с выхода стабилизатора ОМ. Это поможет снизить температуру транзистора VT1, однако стабилизатор в этом случае тоже нужно снабдить теплоотводом.

Микросхему 74НС14 можно заменить отечественной КР1564ТЛ2 или другой логической микросхемой, содержащей триггеры Шмитта, инверторы, элементы И-НЕ, ИЛИ-НЕ. При необходимости на оставшихся свободными элементах можно собрать генератор импульсов, заменяющий микроконтроллер. Однако будет потеряна возможность оперативно изменять режимы работы и создавать, изменяя программу микроконтроллера, новые визуальные и звуковые эффекты.

Замену транзистору IRFP460 следует подбирать с допустимым напряжением сток—исток не менее 200 В и максимальным током стока не менее 10 А. Трансформатор Т1 должен иметь вторичную обмотку с напряжением 20...30 В при токе нагрузки 3 А. Если найдется трансформатор с вдвое большим напряжением вторичной обмотки, от удвоения

напряжения в подключенном к ней выпрямителе (диоды VD1, VD2, конденсаторы С1, С2) можно отказаться и применить обычный мостовой выпрямитель.

После изготовления блока и установки в него запрограммированного микроконтроллера, конфигурация которого должна соответствовать показанной в таблице (именно такой ее устанавливают на заводе-изготовителе), рекомендуется не подключая к блоку трансформатора

Блок питания трансформатора Тесла с микроконтроллерным управлением
Блок питания трансформатора Тесла с микроконтроллерным управлением

ТЗ, подать напряжение 220 В, 50 Гц только на обмотку I трансформатора Т2. СветодиодНИ должен мигнуть дважды, подтверждая работоспособность микроконтроллера.

Теперь нужно проверить напряжение на выходах интегральных стабилизаторов DA1, DA2 и наличие импульсов на входах и выходе драйвера DA3 На экране осциллографа, подключенного к его входу IN (вывод 2), должны наблюдаться прямоугольные импульсы амплитудой около 5 В, частота следования которых регулируется переменным резистором R1 в пределах как минимум 300.. .900 кГц. Если это не так, нужно проверить генератор на элементах DDt 1, DD1.2.

Параметры импульсов, поступающих на вход EN (вывод 3) драйвера от микроконтроллера, должны соответствовать указанным при описании режимов работы блока.

На выходе драйвера (выводах 6 и 7) и на затворе полевого транзистора VT1 должны наблюдаться пачки высокочастотных импульсов с соответствующими выбранному режиму паузами.

Убедившись, что все в порядке, можно подключить к блоку трансформатор ТЗ и подать сетевое напряжение и на первичную обмотку трансформатора Т1.

Поместив рядом с обмоткой II трансформатора ТЗ энергосберегающую лампу и вращая движок переменного резистора R1, нужно добиться максимально яркого свечения лампы Вокруг штыря, соединенного с верхним выводом обмотки, должны образоваться разряды (стримеры), подобные показанным на рис. 7.

Свечение никуда не подключенных, а просто удерживаемых в руке газоразрядных ламп, — наиболее простой эффект, возникающий при работе с трансформатором Тесла. Это результат воздействия на газ внутри лампы высокочастотного электромагнитного поля, окружающего трансформатор. С рассматриваемой конструкцией эффект наблюдается на расстоянии до 20 см от трансформатора и производит большое впечатление на зрителей, не знакомых с его сущностью. Разряды можно наблюдать и внутри ламп, заполненных газом под сравнительно высоким давлением (рис. 8), в том числе обычных ламп накаливания (рис. 9). но для этого их нужно подключать одним выводом к выходу трансформатора.

Длина называемых стримерами нитевидных высокочастотных разрядов в воздухе, возникающих во время работы

рассматриваемого трансформатора достигает 20...30 мм.

Считается, что она численно равна выраженной в киловольтах амплитуде развиваемого на вторичной обмотке трансформатора высокочастотного напряжения. Интересно наблюдать изменение окраски

стримеров при нанесении на острие штыря, которым заканчивается обмотка, различных химических веществ, например, поваренной соли.

Разряды при работе рассматриваемого устройства возникают и гаснут с частотой модуляции подаваемой на трансформатор импульсной последовательности. В результате слышен характерный звук, основная частота которого равна частоте модуляции. Поскольку в каждой паузе стримеры гаснут, а возникающие после нее зачастую идут по иным путям, видимое число стримеров увеличивается.

Если установить на острие высоковольтного штыря легкую проволочную вертушку с загнутыми в горизонтальной плоскости в разные стороны концами, на этих концах возникнут разряды. Образующиеся в результате ионы, отталкиваясь от концов вертушки, приведут ее в движение. Конечно, чтобы эта модель ионного двигателя заработала, вертушка должна быть очень легкой и хорошо сбалансированной.

Положительное свойство описанного источника, обеспечивающее безопасность работы с ним, - отсутствие внутри высокого постоянного напряжения Возникающие же при работе трансформатора Тесла высокочастотные практически безопасны для экспериментаторов, потому что при разряде, достигшем тела человека, его ток, поскольку он высокочастотный, протекает только по коже, не достигая жизненно важных органов.

Это известное в радиотехнике явление называется скин-эффектом и проявляется при протекании тока высокой частоты по любым проводникам. Конечно, и такой ток может вызвать ожоги, но это случается лишь при разрядах во много раз большей мощности. Наличие в описанном устройстве микроконтроллера дает немалый простор для экспериментов.

Изменив его программу, можно, например, не внося никаких изменений в схему, воспроизводить несложные ритмы и мелодии. А заменив микроконтроллер более производительным, подключить к нему MIDI-клавиатуру либо управлять устройством с помощью компьютера.

Поскольку трансформатор Тесла — источник мощного электромагнитного поля, не рекомендуется включать его поблизости от дорогостоящего электронного оборудования или от носителей важной информации.

Источник: Журнал Радио 2010 №7

Блок питания трансформатора Тесла с микроконтроллерным управлением

Массовый ежемесячный научно-технический журнал

Издаётся с 1924 года

Журнал Радио 2010 №7

Блок питания трансформатора Тесла с микроконтроллерным управлением

Рейтинг@Mail.ru
Яндекс.Метрика