DRSSTC с аудио модуляцией разрядов.
Описание полу-мостовой демонстрационной катушки Тесла с аудио модуляцией.
Для того, чтобы проигрывать музыку высоковольтными разрядами нужны транзисторная катушка Тесла, пульт управления он же прерыватель, способный передавать ноты в схему управления генератора и источник сигнала – ноут-бук, ПК или музыкальная клавиатура. Это всё подключается вместе и в итоге получается весьма эффектное представление — поющая катушка. Хотя на протяжении проходивших мини концертов меня не оставляло ощущение о том, что это всё есть масштабное баловство. Похоже, что тут уже ничего не поделать и сложилась такая молодежная поп-культура. Сегодня в мире организуются целые масштабные представления с катушками Тесла, концерты и Тесла шоу которые собирают много любопытствующих. Смотреть на музыкальные разряды гораздо лучше, чем на просто разряды. О чем идет речь можно понять из видео.
Чтоб получить подобные результаты нужно собрать следующую схему.
Рисунок 1 – Структурная схема подключения аудио сигнала к DRSSTC
Есть и другие варианты, но такая схема наиболее проста. Рассмотрим кратко каждый блок.
Катушка Тесла DRSSTC.
В качестве генератора выбрана DRSSTC 1, которая использовалась для однопроводной линии. Она была почти полностью переделана и стала DRSSTC 1.1. Первоначальный вид устройства можно посмотреть тут. В генераторе использован полу-мостовой коммутатора тока с транзисторами IRGP50B60PB1. Полу-мост и GDT остались без изменений.
Драйвер.
Силовая часть управляется универсальным драйвером Стивена Варда UD1.3b. Схема в оригинале. Описание на сайте автора.
Собранная схема представлена на рисунке 2.
Рисунок 2 — Плата управления DRSSTC
Плата прячется в металлический корпус, чтоб не ловить наводки от ВЧ поля катушки. Рассмотрение принципа работы схемы помещено в отдельную статью.
Блок питания.
БП — это схема плавного запуска и выпрямитель с фильтровым конденсатором. Так же в нем есть предохранитель на 5А, помехоподавляющий конденсатор и на одну плату со всем этим прикреплен понижающий трансформатор 220/18 для питания низковольтной электроники. Схема плавного заряда электролитов состоит из реле и зарядных резисторов. Прочитать о ней можно здесь.
Рисунок 3 — Блок питания
Через 5-6 сек. после подачи напряжения питания срабатывает реле и генератор можно запускать. При этом не происходит броска тока, так как конденсатор большой емкости зарядился через резисторы.
Рисунок 4 — Внутреннее содержание корпуса
Кроме драйвера, БП и контурных конденсаторов в корпусе находятся трансформаторы тока для организации обратной связи и защиты от превышения контурного тока (OCD). Как они работают, тоже уже написано.
Резонансный трансформатор.
Первичный контур сделан из переключаемой емкости и конической первичной обмотки, выполненной проводом Ø3мм, 12 витков. Резонанс на 10-ом витке.
Рисунок 5 — Первичная и вторичная обмотки резонансного трансформатора
Батарея MMC собрана из конденсаторов CBB81. Общая емкость составляет 147нФ 4кВ. Для работы с вторичной обмоткой, специально сделанной для этого проекта, емкость составляет 47нФ. В связи с переключаемой емкостью генератор универсален и может работать с различными вторичными обмотками.
Рисунок 6 — Конденсаторы первичного колебательного контура
Вторичная обмотка выполнена проводом Ø0,18мм на каркасе Ø11 см. Всего 1200 витков. Длина намотки 25см.
Емкость для вторичной обмотки сделана из алюминиевого гофрированного воздуховода. Согласно расчету тороид должен быть с внешним диаметром 18см и диаметром самой трубы 8 см. Такого тороида не нашлось и гофры в магазине не оказалось. Ближайшим по размеру являлся тороид от одной старой SSTC, он без дела лежал на чердаке и в результате оказался на вершине вторичной обмотки. Его внешний диаметр 21-22 см. Это больше расчетного значения, но катушка с ним запустилась и создавала разряды до 30см.
Спустя некоторое время всё же решено было достичь расчетных значений. Был построен тороид требуемого диаметра из алюминиевых колец. Кольца держаться с помощью пластиковых кругов. Чтоб кольца не развалились, они дополнительно склеены термо-клеем.
Рисунок 7 — Тороид из колец
Катушка с таким тороидом почему-то работать отказывалась пока все кольца не были соединены тонким куском провода в одном месте.
Рисунок 8 — Соединение колец проволкой
Для сравнения два видео с разными тороидами. Все прочие параметры генератора не изменялись. Длительность импульса 115-120мкс.
При уменьшении внешнего диаметра тороида разряды возросли до 35-40 см. Это еще раз доказывает, что в трансформаторах Тесла важен точный частотный расчет связанных контуров и соблюдение четверть-волнового резонанса на краях высоковольтной катушки. При этом нужно стараться сделать катушку так, чтобы вышеназванные параметры были достигнуты при наибольшем размере емкости на верхнем выводе вторичной обмотки. В данном случае катушка рассчитана на небольшой тороид.
Предполагалось сделать внешний вид всего устройства в стиле Half-Life 1, но эта идея была оставлена на половине пути.
Еще одной мерой по увеличению длины разряда стало уменьшение разрядного штыря на 1см. При этом начал срабатывать ограничитель тока, который был установлен на 150А. Среднее потребление от сети составляет 220В 2-3А, на некоторых нотах ток возрастает до 4А.
После длительных запусков выяснилось, что нагревается первичная обмотка. Похоже, что она тормозит дальнейший рост длины разряда при увеличении длительности рабочего импульса, потому что сделана из провода небольшого диаметра. Немного греются конденсаторы, транзисторы и электролит питания, а самым горячим оказался трансформатор 220/18В, 0,555А. Следовало брать этот трансформатор мощностью 15-20 Ватт, хотя по предварительным расчетам 10Вт было вполне достаточно.
Прерыватель и USB-MIDI переходник.
Рисунок 9 — Пульт управления (Прерыватель)
Прерыватель получился весьма приятный на вид. Внутри корпуса собранная схема прерывателя i1 разработчика BSVi. Все подробности, прошивка и схема на сайте автора. В написании программ для микроконтроллеров типа ATmega разбираться не хотелось и по этому была собрана эта схема с готовой прошивкой.
Прерыватель оказался весьма хорош. Сперва были спалены несколько SMD конденсаторов мощным паяльником и прерыватель работал нестабильно, часто перезагружался, плохо переключались режимы работы. Потом конденсаторы были заменены и всё стало нормально работать. Кроме режима проигрывания MIDI есть стандартные для DRSSTC непрерывный режим и режим с прерываниями. Прерыватель подключается к DRSSTC трех-метровым оптическим патч-кордом.
Для загрузки прошивки в микроконтроллер понадобился программатор. В моем случае он выглядел как на рис.10.
Рисунок 10 — Программатор для ATmega
Использовалась программа USBASP AVRDUDE PROG, она скачена откуда-то из интернета.
Важной частью в этой системе является USB-MIDI переходник. Его можно построить по схеме, которых в интернете много, а можно не мучиться и купить. Я выбрал второй вариант.
Рисунок 11 — USB-MIDI переходник
Ноут-бук или ПК.
В этом пункте всё понятно из названия. Мелодии в формате MIDI проигрываются с помощью плеера в котором есть возможность назначить выходной порт. Например подойдет Midi player 2.6 (by Falcosoft). Его размер около 1 Мб. В основном все мелодии скачены с сайта OneTesla. Вот одна для примера (Ievan Polkka.mid).
Спустя какое то время катушка модернизировалась до версии 1.2. Статья была написана давно и лежала на жестком диске. Чтоб её не редактировать, изменения отражены на схеме, которая всё-таки была нарисована (хотя не планировалась). Изменился драйвер, транзисторы полумоста, конденсатор питания и куча мелких доработок.
Когда все части собраны и настроены, подключаем катушку Тесла к ноут-буку и устраиваем концерт, но не забываем технику безопасности.
Видео
Звучание различается при съемке разными устройствами. Лучше конечно это смотреть и слушать в живую.
Кто-то снимал на один смартфон,
Продолжение темы музыкальных катушек.