аналог прерывателя искры для трансформатора Тесла с ФАПЧ
Электронный аналог прерывателя искры для трансформатора Тесла с ФАПЧ
Материал посвящён, как любителям мощных искровых разрядов, так и искателям свободной энергии, которые используют для своих экспериментов трансформатор Тесла (ТТ). А рассматривать мы будем сердце этого трансформатора — электронный прерыватель, с помощью которого и достигаются необходимые напряжения и мощности. Такой прерыватель впервые был описан Теслой в патенте №787,412 и работал при помощи двух механических барабанов. С момента его опубликования прошло более 100 лет; за это время изменились технологии и весь технологический уклад. Поэтому мы перейдём от механики к современной электронике, применим последние схемотехнические решения в виде ФАПЧ, и посмотрим, что из этого получится :)
Устройство выполнено на четырёх цифровых микросхемах серии 74HCXX, двух драйверах выходного сигнала и двух стабилизаторах напряжения. Прерыватель может работать с различными ТТ в рабочем диапазоне: 250 кГц .. 1 МГц (для других резонансных частот нужно будет изменить некоторые частото и времязадающие элементы). ФАПЧ отслеживает все изменения параметров ТТ и автоматически под них подстраивает прерыватель. Схема вырабатывает пачки импульсов и синхронизированный с ними низкочатотный сигнал (для второго ТТ), который может сдвигаться относительно пачки на любую фазу. Кроме того, в пачке регулируется число импульсов и их скважность.
Ниже приведён список применяемых в устройстве микросхем, диодов и преключателей. В скобках указаны возможные замены:
- DD1 — 74HC7046
- DD2, DD3 — 74HC393 (1564ИЕ19)
- DD4 — 74HC74 (1564ТМ2)
- DA1 — LM7805 (КР142ЕН5А)
- DA2 — LM7812 (КР142ЕН8Б)
- DA3 — IR2109 (IR2104, IR2108)
- DA4 — TC4420
- VD1, VD2, VD16 — UF4007 (UF4006)
- VD3 — любой яркий светодиод на 1.5 .. 2V
- VD4-VD15 — 1N4148 (любой маломощный ультрафаст)
- SA2 — DS-06B, SWD1-6 (любой DIP-переключатель на 6 секций)
- SA3 — DS-04B, SWD1-4 (любой DIP-переключатель на 4 секции)
Работа прерывателя
Работает прерыватель следующим образом. ГУН (генератор управляемый напряжением) микросхемы DD1 вырабатывает импульсы с частотой F1, которая, к слову, должна совпадать с резонансной частотой ТТ. За совпадением частоты и фазы следит фазовый компаратор, входы которого обозначены Cin и Sin. На Cin подаются импульсы с ГУНа, а на Sin поступают колебания с ТТ. Выход компаратора (PC2), через сглаживающую цепочку R6C7, поступает на вход ГУН (Gin) и обеспечивает обратную связь, изменяя частоту и фазу генератора в зависимости от параметров ТТ.
Сформированные и засинхронизированные импульсы с ГУН подаются на два счётчика: DD2 и DD3. Первый, при помощи шести переключателей SA2 обеспечивает фиксированный сдвиг по фазе между пачками импульсов и низкой частотой F2. Изменение фазы производится разными комбинациями этого переключателя. Также, с помощью счётчика DD2 мы получаем саму F2, которая с его выхода (ножка 10) поступает на вход драйвера полумоста DA3. На его выходе (X3, X4) мы получаем импульсы с частотой F2.
Счётчик DD3 отвечает за число импульсов в пачке. С помощью различных комбинаций переключателя SA3 мы можем получить от 1-го до 15-ти импульсов в пачке. Для экспериментов может быть интересен режим, когда все переключатели разомкнуты. В этом случае, на выходе X2 импульсы будут отсутствовать. Времязадающая цепочка C8R11R12 совместно с триггером DD4.2 задаёт скважность импульсов в пачке, а его выход подключён к драйверу выходного сигнала DA4. На его выходе (X2) мы получаем пачки импульсов, с частотой внутри пачки — F1 и частотой между пачками — F2.
Триггер DD4.1 синхронизирует работу этих счётчиков сбрасывая запрет на поступление импульсов от ГУН к DD3 в самом начале пачки.
Замены
За исключением DD1 все цифровые микросхемы могут быть заменены на аналогичные серии КР1564 (см. выше). Вместо 74HC7046 можно применить 74HC4046, но тогда в схеме будет отсутствовать детектор захвата фазы. В этом случае цепочку индикатора детектора — R7, VD3, и сопровождающий конденсатор C6 нужно будет убрать. Драйвер выходного сигнала на TC4420 можно заменить на TC4429, но тогда вход этого драйвера (2-ю ножку), через резистор R14 нужно будет подсоеденить к инверсному выходу триггера DD4.2 (к ножке 8). Драйвер полумоста IR2109 меняется на аналогичные IR2104 или IR2108. В этом случае 3-ю ножку этих микросхем нужно соединить с +12V.
Замечания по монтажу
На схеме не показаны выводы питания микросхем. Они стандартные. Для 16-ти выводных корпусов: 8 — минус питания (общий), 16 — плюс, для 14-ти выводных: 7 — минус питания (общий), 14 — плюс. Все минусы нужно соединить и подключить к общему проводу и к Gnd стабилизатора DA1. Все плюсовые выводы — к его Out (или +5V). Также, 5 вывод микросхемы DD1 (на схеме не показан) необходимо соединить с минусом питания. Аналогично, 4 и 10 выводы микросхемы DD4 нужно присоединить к плюсу.
Подключите две ёмкости по 0.1 мкФ прямо на выводы драйвера DA4: 1-4 и 8-5. Такую же ёмкость подключите и к выводам питания DD1.
Выводы частотозадающих цепочек желательно сделать покороче. Это касается выводов 6, 7, 11 и 12 микросхемы DD1.
Вариант печатной платы приведен ниже:
Подключение прерывателя
Вариантов подключения ТТ может быть очень много, поэтому ниже приведём пример лишь одного из них. В качестве ключа VT1 хорошо работают IRFP360, IRFP460, FCH47N60. Для полумоста VT2-VT3 подойдут и более низковольтные, например, IRFP260. Защитный диод VD5 — любой мощный высоковольтный ультрафаст, например, FR607. А вот к диоду VD6, который служит для увеличения добротности ТТ1, нужно подойти более тщательно. Хорошо себя зарекомендовали HFA30PB60, но также хорошо работают несколько параллельно соединённых SF56.
Особое внимание стоит обратить на токовый трансформатор Tr, который отвечает за синхронизацию ФАПЧ.
Для этого он должен преобразовать пучность тока, образующуюся на нижнем конце ТТ1, в напряжение, которое затем подаётся на вход X1 прерывателя.
Мотается трансформатор в произвольном порядке; здесь важен принцип — получить максимальное напряжение на его вторичной обмотке **. Он представляет собой ферритовое кольцо, на которое нужно намотать как можно больше витков, но так, чтобы внутри него осталось место для провода с ТТ1. Это кольцо должно просто надеваться на провод идущий с ТТ1 на землю. Например, у меня хорошо работало кольцо диаметром 10мм, высотой 8мм, с числом витков — 50. Марка феррита здесь не имеет значения.
Других данных, например, по намотке ТТ, мы здесь приводить не будем, т.к. в зависимости от задач они могут иметь совершенно разные значения.
Варианты применения
Описанный прерыватель хорошо подходит для искателей свободной энергии. Но применение схемы может быть и другим. Например, для так называмых «поющих Тесел» используется только первый ТТ, а аудиовход можно подать на 9-ю ножку DD1 через последовательно соединённые резистор 10..20кОм и конденсатор 100n.
Ещё один вариант управления двумя трансформаторами можно посмотреть здесь. В этой схеме, в качестве ТТ1, можно применить низкочастотный трансформатор, например, ТВС.
** Стоячие волны можно смоделировать здесь