Сегодняшний пост будет посвящен высокому напряжению. Ламповый трансформатор Тесла является самой тихой конструкцией из всех существующих вариантов. Тут, в качестве генератора высокочастотных колебаний используется мощный пентод ГК-71, благодаря которому можно получать красивые, достаточно длинные разряды в воздухе. В ходе данной работы рассмотрим основные элементы конструкции, узнаем секреты по настройки схемы и визуализируем сигнал с высоковольтной обмотки на экран советского осциллографа. Дальнейшая работа будет заключаться в компактном размещении всех элементов в одном корпусе. В общем всё как вы любите. Простота, надежность и небольшая стоимость делает данную катушку доступной каждому, кто захочет её собрать.
Прелесть ламповой катушки Тесла заключается в том, что одну часть деталей для неё можно достать из обычной микроволновки, а вторую из ближайшего магазина электрики. С пентодом может возникнуть проблема, вещь старая и давно не выпускается, но тот кто ищет — тот всегда найдет. В дальнейшем вы поймете, что его можно заменить на любую другую лампу похожей конструкции.
ГК-71 выбран из-за эстетической красоты и небольшой стоимости. Кто не обратил внимания, анод в этой вакуумированной пробирке полностью состоит из графита, хорошая реализация для рассеивания больших мощностей, по паспортным данным эта цифра составляет 250 Вт. Номинальное анодное напряжение составляет 1.5 киловольта. Максимальная частота 20 мГц.
Данный экземпляр был выпущен в 1981 году. Достался новым прямо с коробки. Непрерывное время работы по документам, составляет 1000 часов. Это примерно 42 дня. В год, на постоянно работающем устройстве, необходимо сменить 8 таких товарищей. По некоторым подсчётам, выпущенных в свое время Ламп ГК-71 хватит еще минимум лет на 200.
Накал — это та часть которая вдыхает жизнь в любую радиолампу. Напряжение для пентода ГК-71 составляет 20 вольт, но ток при этом должен быть не меньше 3.5 ампер.В общем накал жрет 70 Вт. На рынке за символическую сумму был приобретен отечественный трансформатор ТН54-220-50. При правильном подключении обмоток с него можно получить 85 Вт без каких-либо финансовых затрат.
Следующий элемент — это высоковольтный трансформатор от микроволновки, буржуи называют его МОТ. Напряжение на его выходе составляет 2 киловольта, ток порядка 1 ампера. Довольно мощная и опасная вещь, может отправить вас на встречу к создателю, потому не стоит увлекаться.
Дальше идёт краткий перечень элементов, необходимых для сборки конструкции:
2 масляных конденсатора от той же микроволновки, напряжение 2.1 кВ, емкость 0.95 мФ. Диодная сборка HYR-1x, её максимально допустимое напряжение 12 кВ, ток 500 мА, по паспорту способен выдержать импульсный ток до 30 ампер. Настоящий зверь в своем роде. Резисторы типа ПЭВ-на 10-20 Вт, можно использовать любые другие аналоги буржуйского производства.
Резонансный высокочастотный конденсатор типа КВИ-3, напряжение может варьироваться от 5 до 20 кВ, для настройки было закуплено несколько таких товарищей с разным номиналом ёмкости на борту. Для намотки индуктора был приобретен многожильный медный провод типа ПВС, сечение 1.5 квадрата. Длина порядка 16 метров. Катушка связи имеет другой цвет и длину 10 метров. Все провода взяты по длине с запасом.
Рубильники коммутирующие силовые части, взяли с допустимым током до 15 ампер, не спрашивайте зачем так много, запас карман не жмёт.
Теперь вторичная высоковольтная обмотка, она же «резонатор». Намотка этой детали требует много времени и терпения. Тут использован медный лакированный провод толщиной 0.2 мм, мотается виток к витку на картонной основе от пищевой пленки. Диаметр трубы 55 мм. Высота намотки получилась 35 см. Витки при этом не должны пересекаться и накладываться друг на друга.
После намоточных процедур результат следует покрыть слоем диэлектрика во избежание пробоя обмотки. Эпоксид наносится в два слоя для надёжности. В результате выйдет глянцевая, переливающаяся на свету труба, которая отнимет часть вашей драгоценной жизни. Второй дубликат катушки был намотан на пластиковой канализационной трубе диаметром 50 мм. ПВХ более надежный диэлектрик, в этом скоро убедимся. Каркас для индуктора был взят из того же картона только большего диаметра, примерно 80 мм.
Для проведения дальнейших работ, необходимо как можно компактней разместить трансформаторы, конденсаторы и прочую ерунду на какой-то крепкой основе. Листы ДСП давно валяются без дела, потому следует разметить их, и пустить в ход электролобзик, работа и звуки которого благородно влияют на жизнь ваших соседей, особенно это актуально по выходным дням.
Конструкция будет двухэтажная. Снизу разместятся трансформаторы с конденсаторами, а сверху разместим Пентод и саму катушку Тесла. Долго думал как скрепить первый этаж со вторым, решил использовать деревянные чепки. Надёжность тут конечно покраснела и пошла выпивать вслед за совестью. Желе какое-то. Надеваем розовые очки и выпиливаем отверстие под радио лампу. Затем с обратной стороны делаем отверстия под провода.
Теперь про индуктор. Сейчас мы точно не знаем сколько нужно витков, мотаем 40, при настройке его всё равно придётся отматывать в меньшую сторону для поиска резонанса. Обмотка обратной связи мотается в одну сторону с индуктором. Количество витков в два раза меньше, то есть 20. Такое соотношение встречается во многих ламповых катушках Тесла.
Момент который не очень понял. В некоторых схемах обмотка связи располагается в нижней части трансформатора Тесла, где развиваются наибольшие токи, а в некоторых сверху над индуктором. Какой вариант расположения лучше мне не известно, но в данной схеме она размещается сверху.
Панельку для установки пентода нам найти не удалось, довольно редкая вещь, потому альтернатива крепления — клеммная колодка для провода с диаметром отверстий 4 мм. Зажимы в ней отлично фиксируют ножки пентода. В качестве декоративной подставки использована фанера, которая была магнитом на двери холодильника.
Теперь время подсоединить провода к накальному трансформатору, и посмотреть всё ли работает. Подаем питание и наблюдаем за показаниями амперметра. 3 ампера, как и паспорт предписывал. По мере прогрева, потребление тока незначительно падает. Камера увы не смогла передать всей красоты раскаленных ниточек внутри этого стеклянного баклажана. Здоровенное лампище… Вот же ж умели делать!
Вся схема устройства довольно простая и выглядит примерно так: переменное высокое напряжение с мота выпрямляется через диод и заряжает конденсаторы от микроволновки, соединены они последовательно для увеличения рабочего напряжения. В этом случае суммарная ёмкость выходит пол микрофарада. Колебательный контур индуктора подключён к аноду лампы через дроссель, состоящий из 10 витков. Все управляющие сетки лампы ГК71 соединены вместе, с этого момента пентод превращается в триод. Схема автогенератора начинает работать при очень малых напряжениях на входе мота. Конденсатор в 2.2 нФ на выходе накального трансформатора служит для фильтрации наводок и высокочастотных выбросов, хотя первое = второе, второе = первое, как-то так. Обращаем внимание на подключение обмоток в первичном контуре. Точка — это нижний вывод обмотки.
В принципе сборка получилась довольно компактной. Её работу запросто можно демонстрировать на уроках физики, вспоминая жизнь того чувака, благодаря которому у нас в розетках переменное напряжение.
Трансформатор Тесла требует хорошего заземления. Батарея не самое лучшее решение для этих дел, но за неимением ничего более подходящего и это сойдет. Контакт должен быть надежным, три метра провода должно хватить, чтобы дотянутся куда угодно в пределах одной комнаты.
В новых домах такой фокус может не пройти из-за металлопластиковых труб в системе отопления. Потому проверяем наличие напряжения между фазой и землей, должно быть 220 вольт. Некоторые пускают заземление через зануление, тоже годный вариант. Между нулем и землей существует потенциал в 3.7 вольта, Креосан недавно рассказывал как можно воровать электричество подобным способом, заряжать телефон и зажигать лампочки, вот только забыл упомянуть тот факт, что современные цифровые счетчики считают потребление энергии как по фазе, так и по нулю. Максимум что вы выиграете, так это визит инспектора к себе в гости.
Итак, включаем питание накальной цепи. Лампа выходит на режим достаточно быстро, секунд 5 хватает для этого дела. Второй рубильник подает питание на мот. Ни в коем случае нельзя подавать высокое напряжение на анод лампы, без включенного накала. Входное напряжения на моте, регулируется с помощью ЛАТР-а, он дает напряжение от нуля до 220 вольт. Незаменимая вещь в работе с подобными схемами. Повышаем напряжение и видим, что генератор заработал. С появлением высокочастотного электрического поля светодиодный светильник закрепленный под полкой начинает немного светится и мигать.
На кончике отвертки, что служит терминалом для выхода молний появился небольшой стример. По мере повышения напряжения размер его растет, но разряды какие-то тонкие и не внушительные. Изменим положение обмотки связи, сместим её чуть вниз. Смотрим что поменялось в работе. Постепенно повышаем напряжение… видим что разряды стали более уверенными, толще, длинней и ярче. Звук довольно внушительный, похож на глухой рёв спортивного автомобиля.
Поиск резонанса осуществлялся либо отматыванием витков, либо подбором резонансного конденсатора. Начал отматывать витки. Увеличение мощности разрядов говорит от том, что мы на правильном пути. Разряды мощней, толще, длинней, самое интересное произошло тогда, когда начал увеличивать емкость резонансного конденсатора. Разряд увеличился, и на глазах начал уменьшатся. Запахло горелой бумагой.
При детальном осмотре выявилось, что картон начал прогорать. А если появился маленький прогар, то он постепенно превращается в большой, так как углерод получившийся в результате сгорания чего-либо становится отличным проводником. В общем это гангрена, которую необходимо немедленно ампутировать. Избавляемся от проблемного участка с помощью ножовки по металлу. Пару минут, проблема решена, а рука подкачана.
Так как резонансный контур изменил свои характеристики путем уменьшения длины вторичной катушки, снова доматываем и отматываем витки первички. Мощность увеличивается. Настроение превосходное, пару секунд радости и конструкция начинает подводить. Вторичку пробивает на первичку. Слишком близко размещены обмотки друг к другу. Предположения были что такое может произойти, но не так быстро. Первый день настройки, и многочасовая работа отправляется на помойку. При желании, эту трубу можно разрезать надвое, и сделать к примеру качер Бровина на транзисторе.
По началу хотел изолировать вторичку с помощью пластиковой бутылки, но как показывает практика — этот колхоз ни к чему хорошему не приводит. Одеваем кроссовки и выдвигаемся в ближайший сантехнический магазин за сливной 10-сантиметровой трубой. Такой диаметр уменьшит коэффициент связи обмоток, что есть хорошо в данной конструкции. Диэлектрические способности у такого цилиндра куда лучше чем у обычного картона.
Поверх трубы намотаем слой бумаги, на нее укладываем витки индуктора и обмотки связи. Бумага позволяет спокойно передвигать обмотки по всей длине трубы. Устанавливать катушки удобно на заглушки, они родом из того же магазина сантехники и позволяют соблюдать центровку всего резонансного контура. Немного усилий и конструкция снова готова к работе. Повторяем процедуру включения. В начале подаем питание на накал, ждём пару секунд, а затем включаем анодное напряжение. Оно сейчас в нуле и регулируется лабораторным автотрансформатором. Включаем его и постепенно поднимаем напряжение.
Разряды с увеличением коэффициента связи стали больше и красивей. На этом моменте наверное стоило завершить пост, схема заработала, разряд мы увидели. Но по традициям на этом, всё только начинается.
Для окончательной и более правильной работы, автогенератор необходимо настроить на осциллографе. Настраивать систему будем по максимальной амплитуде сигнала. Щуп осциллографа подключать напрямую к схеме не будем, для настройки разместим его на уровне тора и будем смотреть эфирный сигнал. Вся наводка, форма, частота и амплитуда сигнала отобразится на экране осциллографа. В данной схеме, этой информации для настройки будет более чем достаточно. Включаем накал. Подаем анодное напряжение. Регулируем напряжение автотрансформатором… но почему-то ничего не происходит… разбираемся что не так!? Ага, забыли подключить заземление, бывает, прикручиваем его на свое место и повторяем процедуру включения. Крутим ручку и сигнал оживает. Это наш индикатор в мире настройки. Входное напряжение на моте всего 50 вольт, отлично, нам сейчас разряды в воздухе не нужны.
Альтернативой обнаружения высокочастотных полей может служить обыкновенная неоновая лампочка. Амплитуду сигнала ею определить не выйдет, но зато можно судить о работоспособности устройства в целом, правильной или нет — это уже другое дело.
Итак, в процессе настройки удалось выделить два интересных режима работы. Первый это плавно затухающий импульс с небольшой амплитудой в отличии от второго режима. Сейчас мы перекидываем провода на разные витки индуктора и наблюдаем как меняется сигнал. Внимание вопрос знатокам. Какой режим автогенератора дает наибольшие разряды: вариант «а»- с плавно затухающим сигналом, но малой амплитудой, или вариант «б»- с большой амплитудой, но коротким импульсом?
Настройка резонанса с помощью конденсаторов. У этих образцов разная емкость, как выбрать нужную? Всё просто, поочередно соединяем конденсаторы параллельно индуктору и смотрим на сигнал. Нужно быть при этом осторожным, тут развиваются большие токи, которые могут нанести фаталити вашей руке. Дохлые электронщики никому не нужны. Если емкость будет слишком большая, она попросту погасит всю амплитуду сигнала.
В начале выпуска я обещал рассказать зачем нужны такие массивные контакты на конденсаторах. Во время работы, особенно на резонансе, в индукторе развиваются огромные токи, порядка нескольких сотен ампер, если такой ток пойдет через тонкие ножки обычного конденсатора, они попросту перегорят как перемычка в предохранителе. В данной схеме хорошо прижился конденсатор КВИ3 на 1500 пФ 10 кВ. Год выпуска 1978, раритет в своем роде, старше меня лет на 10.
Схема автогенератора работает в принудительном режиме прерывания с частотой сети 50 Гц, если растянуть во времени затухающие колебания, можно высчитать частоту работы автогенератора. Синхронизируем эту старую рухлядь и приступаем к расчетам.
Сейчас, переключатель времени деления на осциллографе стоит в положении 0.5 мкс. Это означает, что одна клетка на шкале экрана равна 0.5 мкс. Один период синусоиды занимает 5 клеток, следовательно 5 умножаем на 0.5 равно 2.5 мкс. Частота находится по формуле: 1 деленная на период. Считаем. 1/2.5 мкс равняется 0.4 мГц, что равняется 400 кГц. Отсюда вывод, резонансная частота настроенной катушки Тесла, ровняется 400 кГц.
Расчеты могли быть более точными при наличии современного оборудования, но для данной схемы оно попросту не нужно. После настройки регулируем положения индуктора и обмотки связи так, чтобы амплитуда сигнала на осциллографе была максимальной. На этом этапе настройку ламповой катушки тесла, можно считай исчерпывающей. Потребление силовой части схемы без цепи накала, составляет 720 Вт.
В работе ламп есть что- то удивительное, когда берешь их в руки, возвращаешься в те далекие теплые времена. Транзисторы и прочая современная электроника со временем приедается, становится скучной. На лампу можно смотреть вечно, ну или 1000 часов пока не пропадет электронная эмиссия и катод не обеднеет. Теперь время посмотреть как это всё работает.
В процессе работы схемы, лампа не перегревается и может работать продолжительное время, скажем 10 минут без перерыва. Но находятся умельцы, которые ставят на выходе мота много-количественные сборки из микроволновочных конденсаторов, мощь схемы увеличивается, лампа начинает работать на пределе своих возможностей. Естественно графитовый анод лампы нагревается до красна, катод расходует свой ресурс. Такой режим работать будет, но не долго.
Для увеличения срока службы лампы на больших мощностях используют прерыватели. Это грубо говоря переключатель, который на короткое время запускает генератор на Тесле. Секунда работы, секунда отдыха, как-то так. Режимы естественно можно менять.
Свечение различных лампочек в высокочастотных электрических полях это вообще отдельная тема, некоторые образцы настолько красивы, что претендуют на отдельный пост.
Слыхали про то, что различными солями можно подкрашивать цвет огня, сейчас проверим это на практике. Для этого берем обыкновенную поваренную соль и разбавляем ее небольшим количеством воды. Получившуюся кашу наносим на электрод. Ионы натрия должны подкрасить молнию в оранжевый цвет, это сейчас и посмотрим.
Данная конструкция проста в повторении, и элементарна в настройке. В ней нет дорогих деталей, хотя цена — дело относительное, стоимость всех элементов составляет примерно 65 баксов не включая ЛАТР для регулировки входного напряжения в анодной цепи.
В одном из следующих постов мы рассмотрим полупроводниковую систему, там узнаем как рассчитывается резонанс, как управлять железом и прочую малоизвестную нормальному человеку ерунду.
Для справки. Съемка сегодняшнего выпуска вместе с пост обработкой, написанием текста и прочими процессами заняла 2 месяца. Это можно назвать быстрым выпуском. В комментариях вы часто пишите чтобы мы снимали материал в сфере физики и электроники, сейчас так и происходит, но тут есть обратная сторона медали, время. Теперь выпуски будут выходить реже чем обычно, надеюсь вы всё понимаете.
Как гласит народная мудрость: работа и труд — всё перетрут.
