Półprzewodnikowe wyładowanie płomieniowe. Cewka Tesli

Inspiracją dla tego projektu był film „Plasma Channel” na YouTube autorstwa Jaya Bowlesa ze stycznia 2021 roku, przedstawiający generator płomienia plazmowego. Autorowi tego artykułu spodobała się prosta budowa układu (strojenie i obsługa są jednak wyzwaniem), jego wyjątkowa moc wyjściowa oraz fakt, że urządzenie jest stosunkowo małe.

W tej konstrukcji generator półprzewodnikowy wysterowuje cewkę pierwotną, która wzbudza cewkę rezonatora (wtórną), wytwarzając falę ciągłą o wysokiej częstotliwości. Wyładowanie wytwarzane przez Cewkę jest określane jako „wyładowanie płomieniowe”, gdyż przypomina płomień świecy. Cewka może być użyta do demonstrowania bezprzewodowej transmisji energii poprzez zapalanie neonów i świetlówek.

Na zdjęciu tytułowym można zobaczyć matrycę wykonaną przez autora, wykonaną przy użyciu 100 lamp neonowych. Poszczególne sekcje zapalają się po umieszczeniu w pobliżu silnego pola elektromagnetycznego (EM) (na przykład takiego jak generowane przez opisywaną Cewkę Tesli). W zależności od orientacji panelu, może on wyświetlać amplitudę pola EM lub jego kształt. Taki sposób obserwacji pól jest z pewnością naprawdę bardzo interesujący.

Pierwsza wątpliwość, jaka nasuwa się podczas oglądania zdjęć tego urządzenia, to: „czy jest to bezpieczne?”. I tak, i nie. Urządzenie generuje napięcie około 150 kV, a biorąc pod uwagę jego częstotliwość roboczą wynoszącą około 10 MHz, może powodować oparzenia falami radiowymi.

Trzeba więc być skrupulatnym w budowaniu, testowaniu i obsłudze takiego urządzenia. Ale chyba nie można powiedzieć „nie próbuj tego w domu”. Mimo to, montaż Cewki Tesli nie jest zalecany dla początkujących elektroników. Jest bardziej odpowiedni dla osób, które zbudowały już kiedyś jakieś urządzenia zasilane z sieci i mają doświadczenie w zakresie środków ostrożności związanych z pracą z napięciem 230 V AC. Takie osoby działają zwykle zgodnie z odruchem: „ręce z dala, gdy zasilanie jest włączone”, dwukrotnie sprawdzając wszystko przed włączeniem zasilania i dokładnie izolując wszystkie przewody wysokiego napięcia. Przejdźmy zatem do rzeczy.

Cewki Tesli

Opisywana cewka Tesli jest oparta na wzmacniaczu mocy RF klasy E, który jest dostrojony do oscylacji przy około 10 megahercach. Steruje on odczepem transformatora. Uzwojenie wtórne transformatora jest wzbudzane przez oscylator w celu wytworzenia ciągłego przebiegu wyjściowego o wysokiej częstotliwości.

Czytelnicy są być może przyzwyczajeni do widoku cewek Tesli z metalowym toroidem na górze przypominającym pączek, z którego widoczne jest efektowne wyładowanie. Opisana tu cewka jest prostsza, zamiast toroidu ma kopułę, ale nadal jest to cewka Tesli.

Cewka Tesli to luźno sprzężony transformator rezonansowy wynaleziony przez Nikolę Teslę w 1899 roku. Jest on zdolny do wytwarzania prądu przemiennego o wysokim napięciu, niskim natężeniu i wysokiej częstotliwości.

Napięcia wytwarzane przez cewki Tesli wynikają z rezonansowego wzrostu napięcia w uzwojeniu wtórnym i nie są proporcjonalne do stosunku zwojów między uzwojeniem pierwotnym i wtórnym, jak w przypadku tradycyjnych, ściśle sprzężonych transformatorów. Pozwala to na wytwarzanie wyjątkowo wysokich napięć w praktycznym obwodzie, które w niektórych przypadkach może osiągać wartość nawet ponad 1 MV!

Cewka Tesli składa się z dwóch obwodów rezonansowych LC. Obwód pierwotny składa się z pierwotnego kondensatora i cewki. Cewka wtórna (i często toroid wysokiego napięcia) oraz otaczające powietrze tworzą wtórny obwód LC. Oba obwody są połączone szeregowo i dostrojone do rezonansu na tej samej częstotliwości w celu efektywnego transferu energii.

W klasycznej cewce Tesli zastosowany jest układ iskiernika, służący do przekazywania energii zgromadzonej w kondensatorze pierwotnym do cewki pierwotnej.

Energia w obwodzie pierwotnym, przemieszczając się tam i z powrotem między kondensatorem a cewką pierwotną, przenosi (sprzęga) część energii do obwodu wtórnego. Napięcie w obwodzie wtórnym wzrasta do momentu, gdy natężenie pola elektrycznego przekroczy właściwości izolacyjne powietrza otaczającego dużą powierzchnię górnego ładunku i powstaje łuk elektryczny.

Cewki Tesli mogą być projektowane do wytwarzania wielu milionów woltów. Obecnie największą na świecie cewką Tesli jest „Electrum” zaprojektowana przez Erica Orra w Nowej Zelandii (www.gibbsfarm.org.nz/orr.php) i zbudowana przez Grega Leyha z Lightning on Demand (www.lod.org).

Metody wzbudzania

Można wyróżnić trzy metody wzbudzania cewek Tesli.

• Cewka Tesli z przerwą iskrową (SGTC). Mamy tu szczelinę statyczną, szczelinę wyzwalaną i szczelinę obrotową. Ten typ wzbudzenia może być również określany jako „zakłócający”. Zazwyczaj stosowane jest źródło wysokiego napięcia.
• Półprzewodnikowa cewka Tesli (SSTC). Obejmuje dwa typy: z pojedynczym i podwójnym rezonansem sterowane elementami półprzewodnikowymi(DRSSTC). Zasilanie prądem stałym służy do ładowania kondensatora, a półprzewodnik mocy, taki jak tranzystor MOSFET lub IGBT, zastępuje iskiernik.
• Cewka Tesli z lampą próżniową (VTTC). Topologia podobna do tej, która jest stosowana w nadajnikach radiowych. Główną różnicą jest to, że VTTC działają w trybie fali ciągłej zamiast impulsowego wyjścia, jak to miało miejsce w poprzednich metodach wzbudzania. VTTC wymaga również zasilania wysokim napięciem, które można uzyskać za pomocą specjalnie dostosowanych transformatorów z mikrofalówek.

Cewka Tesli opisana w tym artykule jest interesująca, ponieważ należy do kategorii cewek półprzewodnikowych (SSTC). Działa jednak w trybie ciągłym, podobnie jak VTTC, ale przy znacznie wyższej częstotliwości około 10 MHz (zamiast kilkuset kHz do kilku MHz). Taka wersja jest nazywana HFSSTC.

Głównymi zaletami HFSSTC jest to, że układ może być zasilany z niskonapięciowego źródła prądu stałego, nie generuje dużego szumu i nie trzeba projektować zasilacza wysokonapięciowego.

Cewka pracuje w trybie ciągłym, zatem działa przy cyklu pracy wynoszącym 100%, co skutkuje cichym jej działaniem. Interesującą właściwością wyjścia o wysokiej częstotliwości i wysokim napięciu jest zdolność do wytwarzania wyładowania płomieniowego, w którym zjonizowane powietrze (plazma) przybiera wygląd płomienia świecy. Wytworzenie stabilnego płomienia jest jednak trudne i wymaga dokładnego dostrojenia.

Aby przeczytać ten artykuł kup e-wydanie

Kup teraz