Плазменная рогатка. Лестница Иакова

Хомяки приветствуют вас, друзья!

Сегодняшний пост будет посвящен высокому напряжению. Наша задача собрать так называемую лестницу Иакова, по электродам которой снизу-вверх будут бегать разряды. Посмотрим из чего состоит такое устройство, как его правильно настроить чтобы ничего не спалить, а также узнаем способ как можно обесточить собственную квартиру.

Эта история началась с простого знакомства на радио рынке. Витя, местный мастер на все руки показал свою лестницу Иакова, которая состоит из двух строчных трансформаторов от телевизоров и питается от сети 220 вольт. Дуга тут настолько мощная, что порой висит в воздухе даже не думая обрываться. Вернувшись домой мои руки сразу полезли шерстить коробки в которых находится старое, никому ненужное барахло.

Это строчники от отечественных черно-белых телевизоров. Модель ТВС-110ЛА. Объекты достались из увлекательного детства, когда в один прекрасный момент все начали выбрасывать свои зомбоящики на помойки. Наша задача разобрать две такие конструкции и достать из них высоковольтные обмотки.

Если распилить одну из них, то можно увидеть из чего состоят такие артефакты. Внутри герметичного пластикового контейнера находится обмотка из тонкого провода. Ряды её переложены электроизоляционной бумагой, которая пропитана парафином. Им тут залит весь внутренний объем.

На одной из ферритовых половинок намотаем первичную обмотку. Состоит она из пятидесяти витков многожильного провода типа литцендрат толщиной 1 мм. У него каждая жила покрыта изолирующим лаком. Перематываем все скотчем, вставляем в половинки феррита высоковольтные обмотки и собственно все. Так выглядит сердце наших высоковольтных разрядов. Оно конечно не идеально, так как в дальнейшем при длительной работе, железная скоба которая стягивает феррит будет нагреваться.

В конструкции, высоковольтные обмотки смотрят на встречу друг другу, а их тонкие «земляные» провода соединены вместе. Высоковольтные концы тут наращены высоковольтным проводом, чтобы оттуда не выбрался «Зевс» и не пробил в плату управления или еще куда. Это был мануал как правильно собирать высоковольтный трансформатор для лестницы Иакова.

Теперь рассмотрим как делать не нужно. Не нужно мотать двадцать витков, что есть крайне мало на алюминиевую планку стягивающую каркас. Алюминий вроде как не магнитный материал, но на высоких частотах с ним что-то не так. В результате такого подхода при первом же включении у меня сгорел предохранитель в плате управления. Естественно он сдох потому что прогорели два мосфета которые раскачивали высоковольтный трансформатор. Транзисторы деликатные ребята, им что не так, сразу в брак…

При второй попытке зажечь дугу, была намотана первичная обмотка проводом 0.3 мм, количество витков порядка семидесяти. Чем больше и тоньше — тем меньше нагрузка на ключи. Такой вариант имеет право на жизнь, но единственный минус такого исполнения это небольшая мощность. На электродах дуга растягивается максимум на три сантиметра после чего обрывается. Это довольно легкий режим для генератора, после пяти минут непрерывной работы все элементы схемы включая радиаторы на транзисторах оставались холодными.
С высоковольтным трансформатором разобрались. Едем дальше.

Сейчас нам нужно сделать рогатку, по которой разряды будут бегать снизу-вверх вызывая тот самый «ВАУ» эффект. Электроды в лестнице Иакова должны быть жесткими, в противном случае рогатка будет болтаться как дерево на ветру. В качестве электродов можно использовать 5 мм алюминиевый швеллер из ближайшего строительного магазина. Одного погонного метра хватит с избытком. Отпиливает ножовкой по металлу два одинаковых куска по сорок сантиметров. В определенных местах делаем несколько надпилов под углом 45 градусов. В результате процедур выгибаем метал в нужную нам форму.

Электроды устанавливаем на керамическую основу. Она когда-то была мощным заводским предохранителем на сотню ампер. Верхние концы разводим на расстояние примерно восьми сантиметров. Этот промежуток должен быть достаточным чтобы рвать дугу у вершины (подбирается индивидуально). Крепление проводов к рогатке должно быть надежным, если они отвалятся на полной мощности установки, то с большой вероятностью прошьют высоковольтные обмотки. Оно вам надо?

Теперь кто-то может задать вопрос, зачем питать схему от сети 220, если можно собрать простой ZVS автогенератор, которому нужно всего 12 вольт. Да в принципе можно! Только жрёт какой генератор порядка 10 ампер и для нормально работы требует напряжение порядка 30-40 вольт. Один только блок питания займет места больше чем весь мой балкон в хрущёвке. И это уже молчу про адский перегрев ферритового сердечника после нескольких минут работы.

Генератор работающий от сети 220 позволяет разместить на одной плате все, от сетевого фильтра до силовых ключей. Все компоненты тут не являются дефицитными и легко помещаются в одной руке.

Давайте взглянем на принципиальную схему устройства. По входу питания тут предусмотрено несколько защит: предохранитель, варистор который ограничивает возможные высоковольтные выбросы в сеть и термистор ограничивающий ток заряда довольно мощного конденсатора, он нужен чтобs предохранитель не выгорал при включении схемы в розетку. Генератор тут построен на базе микросхемы драйвера IR2153, который управляет силовыми транзисторами.

Изначально планировалось использовать в схеме высоковольтные пленочные конденсаторы. Но затем выбор пал на безындукционные конденсаторы марки MKPH емкостью в 0.33 микрофарада. Их используют в индукционных плитах. Силовые ключи рассчитаны на напряжение 600 вольт и ток порядка 20 ампер. Маркировка 20N60.

Сейчас наша задача соединить все детали согласно схемы. Несколько часов работы в программе трассировщике и на выходе мы получаем довольно мощный компактный генератор. Плату к нему можно вытравить самому, либо обратится с этой задачей к специалистам.

Для сборки этого генератора схема не нужна, так как тут указано где и какой элемент должен находится. Устанавливаем транзисторы на радиатор. На плате предусмотрены посадочные места под разные конденсаторы. Термистор в процессе работы греется, его нужно размещать как можно выше.

В общем припаиваем все на свои места и работу по сборке генератора можно считать исчерпывающей. Обратим внимание на отсутствующий резистор возле микросхемы IR2153. Место него нужно установить построечный резистор на 50 кОм. Это нужно для дальнейшей настройки резонанса.

Включать генератор напрямую в розетку недопустимо! Рекомендую использовать балласт в виде лампочки включенный последовательно со схемой. Если в процессе настройки пробьет ключи, а на линии появится короткое замыкание, лампочка ярко вспыхнет и не даст выбить пробки в квартире. Типа безопасность и все такое.

Прежде чем запускать схему на всю катушку, ее нужно настроить. Вначале нужно запитать драйвер IR2153 и убедится что на ключи поступают управляющие сигналы. С внешнего блока питания подаем на него 15 вольт. Подключаем щупы цифрового осциллографа к затворам силовых транзисторов. Амплитуда управляющих импульсов будет равна напряжению питания микросхемы драйвера. У нее внутри стоит стабилитрон по питанию на 15 вольт, потому данная амплитуда это край.

Микросхема IR2153 управляет ключами довольно хитро. Между открытием первого и второго транзистора существует пауза в 1.2 мкс, называется она «Dead Time». Дело в то том, что ключи должны работать на нагрузку по очереди. Если через оба ключа одновременно пойдет ток, они довольно эффектно взорвутся, так как окажут короткое замыкание для сети. Такие дела…

Предохранитель в схеме подбирается исходя из максимальной потребляемой мощности генератора. Поставим на 3 ампера. Не думаю что мощность превысит 600 Вт. Тут рекомендую использовать панельки формата «вынул — вставил».

Включим на мультиметре режим измерения напряжения и посмотрим что у нас происходит на большом электролитическом конденсаторе. Поднимаем напряжение на лабораторном автотрансформаторе, и видим что конденсатор прекрасно заряжается. При этом ничего не должно греться, дымить, шипеть и прочее. Перекинем щуп мультиметра на нижний вывод 5 Вт резистора и посмотрим появляется ли необходимое напряжение для питания драйвера.
Как видно, необходимые 15 вольт присутствуют. Это означит что генератор собран правильно и теперь его можно смело запускать.

Регулировка частоты тут осуществляется подстрочным резистором. Диапазон регулировки частот начинается от 20 килогерц и заканчивается примерно на 220 килогерцах. Довольно широкий диапазон для наших целей.

Подключаем высоковольтный трансформатор, не стесняйтесь хорошо зажимать провода.
Важный момент, во время работы подобных устройств высоковольтные провода не должны висеть в воздухе и не дай бог как то прикасаться к элементам платы генератора. Рекомендую для этих целей использовать простой разрядник. Так вы защитите высоковольтный трансформатор от внутреннего пробоя, глобальных катаклизмов, армагеддона и прочего.

Теперь переходим к настройке резонанса. Для оценки уровня сигнала на высоковольтных проводах, покладём рядом с разрядником щуп от осциллографа. Он не должен касаться электродов, иначе спалите чего-нибудь. ЛАТР-ом поднимаем входное напряжение и видим как растет амплитуда сигнала на высоковольтных проводах. Замечательно.

Сейчас изменяя сопротивление подстроечного резистора мы изменяет частоту работы генератора. Резонанс можно считать достигнутым тогда, когда амплитуда напряжения на высоковольтной части будет максимальна. Тут нужно учесть важный момент. Если вы настроите резонанс на одном разряднике, а затем вместо него поставите другой, работать в итоге ничего не будет.

Рекомендую делать настройку при наименьшем напряжении на входе генератора. Удивительно, но схема при этом нормально работает. В общем добиваемся наибольших разрядов, поднимаем напряжение и отключаем балласт в виде лампочки. Разряд пошел. Если у вас нет под рукой осциллографа для оценки уровня сигнала, то о резонансе системы можно судить по лампочке.

Спираль при этом будет светить ярче всего из-за увеличения потребления тока генератором. На этой прекрасной ноте настройку устройства можно считать исчерпывающим. Теперь постепенно поднимаем напряжение и смотрим как ползет дуга по концам рогатки.

Некоторые характеристики лестницы Иакова. Максимальная потребляемая мощность установки составляет почти 400 Вт. Резонанс генератора с моим конкретным высоковольтным трансформатором и разрядником составил 71 кГц. У вас значения будут другие. При минимальном входном напряжении на схеме, высоковольтные провода имеют такую напряженность, чтобы светится прямо через изоляцию провода. Пальцы при этом сильно воняют озоном. Мелкие вылетающие разряды с провода легко способны оставлять ожоги на коже. В общем интересно…

Всё собрано и настроено. Пора поместить потроха в какой-нибудь красивый корпус. Для этого был использован прозрачный контейнер для еды от предыдущего фильма про Камеру Вильсона. Напомню, что он тогда не подошел по причине чувствительного к царапинам пластика. Там это недопустимо, а тут на это можно класть. Включаем лестницу Иакова через 100 Вт балласт и видим что дуга еле доползает до средины рогатки. Отключаем балласт и видим что мощность дуги увеличилась, и она с легкостью доползает до самого верха.

Иногда в процессе работы установки приходится наблюдать момент, когда дуга на концах электродов не хочет обрываться. Это выглядит красиво, но нужно иметь в виду, что в таком режиме схема работает на максимальной мощности. Чтобы такого не было, можно сильней развести электроды друг от друга.

В общем не смотря на довольно простую настройку данного девайса, дальше произошло то, чего никто не мог ожидать. Включив установку напрямую в розетку, в схеме пыхнул предохранитель, и одновременно с ним пропал свет в квартире… Самое интересное, это произошло ночью. Ничего не видно… Подойдя с фонариком к счетчику электроэнергии, первое что бросилось в глаза это отсутствие каких либо цифр на индикаторе и не сработавшие сверху автоматические выключатели. «Вот это прикол» подумал я, и бросил взгляд в нижнюю часть электрощита. На лицо явно произошел какой-то прогар… Повезло так повезло.

Звоню в службу поддержки, говорю беда, в квартире пропал свет. Чё делать? Они говорят не паникуй, передаем заявку на обработку. Через 2 часа в домофон позвонили парни в костюмах супергероев и говорят рассказывай, доставай показывай! Оценив ситуацию они незамедлительно начали устранять неисправность.

Электрики поковырялись в электрощитовой и на скорую руку восстановили электроснабжение в квартире. Времени на это ушло минут 20. Заглянув туда и оценив их работу, я ох… ел. Превосходный шедевр из рубрики «Я его слепила из того что было»… На утро пришлось долбить стену и прокладывать к щитку нормальный медный провод в 6 квадратов. Такое приключение еще не скоро забудется.

Ну а что же произошло на самом деле. Давайте разберемся. При включении лестницы Иакова в розетку, номинальная мощность схемы превысила предельные возможности полевых транзисторов. Их пробивает, в цепи возникает короткое замыкание. Ток, идущий через предохранитель становится больше допустимого и волосок внутри перегорает. Перегорает он не мгновенно как многие думают, а с некоторой задержкой, так как внутри еще тянется мощная дуга. Этой микросекунды хватило, чтоб сжечь старую алюминиевую проводку в квартире.

А почему же раньше ничего не сгорало спросите вы?! Все просто, развязывающий трансформатор, который мы все это время использовали имеет номинальную мощность в 350 Вт. Кроме основной задачи развязать схему от сети 220, он выполняет функцию балласта, прямо как те лампочки, что были упомянуты ранее. Он все это время не давал превысить максимально допустимую мощность лестницы Иакова, защищая ключи от взрыва. В дальнейшем рекомендую смещать частоту генератора с резонанса, или использовать балласты от ламп ДРЛ, иначе будет трах-бабах.

Ремонтируем схему. Тут и драйвер сгорел, и стабилитрон на верхнем ключе, и сами ключи. Чтобы не расстраиваться каждый раз когда что то идет не по плану, рекомендую завести баночку и коллекционировать спаленные радио детали. Моя уже заполнена до краев, пора брать трехлитровую банку.

После продолжительной работы лестницы Иакова был выявлен один довольно существенный недостаток в разводке платы генератора. Площади радиаторов на транзисторах недостаточно для отвода выделяемого тепла. Пришлось нарастить их по высоте. Нагрев при этом составил 90 градусов. Можно поставить небольшой вентилятор для обдува. Назовем это расплатой за компактность.

Для справки. Съемка этого выпуска заняла порядка двух месяцев. Я старался изложить материал последовательно, в начале настройка схемы, а затем ее запуск на полную мощь. В противном случае вы спалите десяток довольно дорогих ключей, предохранителей и возможно обесточите квартиру. Еще и щупы мультиметра могут взорваться.

Как гласит Японская мудрость:
Не бойся, что не знаешь — бойся, что не учишься.

Автор: Hamster Time

Источник