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 :)
