Например TDA7294

РадиоКот >Конкурсы >Поздравь Кота по-человечески 2020! >

Теги статьи: Добавить тег

Генератор факельного разряда на MOSFET

Автор: IRFC
Опубликовано 01.10.2020
Создано при помощи КотоРед.
Участник Конкурса "Поздравь Кота по-человечески 2020!"

Хочу рассказать о несложном, но интересном устройстве, область применения которого ещё предстоит выяснить. 

Сначала расскажу про факельный разряд. Факельный разряд это один из видов высокочастотных одноэлектродных электрических разрядов в газах. При давлениях около атмосферного и выше факельный разряд имеет форму, близкую к форме пламени свечи. Интересной особенностью данного разряда является его температура, которая составляет порядка 4000-5000°C. Это позволяет даже плавить вольфрам.

Для получения этого разряда нужны высокочастотные колебания частотой выше 8-10 мегагерц с амплитудой в несколько киловольт. Для этого идеально подходят радиолампы, но они имеют множество недостатков, например:

  • Необходимость высоковольтного источника питания
  • Отсутствие безопасности конструкции вследствие этого
  • Сильный нагрев при работе
  • Необходимость тратить мощность на накал
  • Большие размеры

 

Этих недостатков лишены современные полевые транзисторы, но у них есть некоторые особенности, которые необходимо учитывать при построении высокочастотных генераторов. А именно низкое напряжение, при котором факел гореть не будет и большая ёмкость затвора, которая усложняет их работу на высоких частотах. По этим причинам для получения факельного разряда прозе всего использовать автогенератор (далее факельник).

В интернете существует множество схем этих генераторов, но самой распространенной является эта(номиналы неправильные):


Она представляет собой схему лампового автогенератора, изменённую для работы с полевыми транзисторами. Также называется генератором Колпитца или емкостной трехточкой.

Для работы схемы нужен блок питания с напряжением 30 В и током 6-10 А. Для настройки нужен осциллограф или частотомер. Любой не подойдет. Факельный разряд получается при частоте от 8 МГц, соответственно и осциллограф нужен высокочастотный. Для появления факельного разряда нужен сигнал высокой частоты с амплитудой в несколько киловольт. Напряжение можно повысить с помощью резонатора на 1/4 λ. На второй схеме он обозначен как L1. Считается он как и обычная катушка Теслы. Я считал в программе vctesla. Мотать эту катушку нужно на стекле или на керамике. Неплохо подходят для этого сгоревшие керамические предохранители. Пластик использовать нельзя, он будет сильно нагреваться и катушка расплавится. Также при нагреве резонансная частота катушки уползет и факел исчезнет.

При первом включении схемы нужно выставить напряжение смещения. Оно настраивается резистором R3. Нужно подать на схему 15 вольт и повернуть переменный резистор до начала генерации. Схема начнет потреблять ток и будет генерировать ВЧ энергию. Можно поднести неоновую лампу к месту соединения L2 и конденсаторов C1-C4. Она должна загореться. Также можно замкнуть щуп осциллографа с землей и поднести к схеме. На осциллографе должен появиться сигнал.

Если схема потребляет большой ток сразу после включения, а генерации нет, то нужно выкрутить резистор так, чтобы напряжение на затворе стало равным нулю и заново выставить смещение. Можно сначала выставить смещение, а потом собрать остальную часть схемы, но напряжения может не хватить для открывания транзистора. Напряжение смещения должно быть от 4 до 5 вольт, оно у всех разное. VD1 лучше поставить на 5 вольт вместо 12. По питанию схемы необходимо установить конденсатор на 10 мкФ и ферритовый фильтр

Когда смещение настроено, можно собирать основной контур L2 С1-C4 (для второй схемы). C1-C4 можно заменить одним конденсатором, но он должен обладать большой реактивной мощностью (КВИ, К15У-1). Я использовал конденсаторы типа КВИ-1.

Катушка L1 ( с которой горит факел) предназначена для повышения напряжения и рассчитывается как обычный трансформатор Тесла. Для получения факела нужно настроить ее и основной контур в резонанс. Контур состоит из катушки L2 и конденсатора C2. Чем он меньше, тем больше напряжение на затворе и в контуре. Конденсатор C1 является частью ёмкостного делителя C2C1 и подбирается экспериментально (его можно рассчитать, но об этом позже) так, чтобы схема была способна поддерживать нужное напряжение на затворе. Его ёмкость должна быть 1-7 нФ. После какого-то значения генерация может срываться. Подбирать этот конденсатор нужно при напряжении питания 10-15 вольт, чтобы не спалить затвор транзистора. Также можно поставить супрессор на 18-20 вольт в параллель ему (для защиты затвора).

Дроссель L1 должен состоять из 20-30 витков на оправке диаметром 2-3 мм. При слишком маленькой индуктивности схема работать не будет. При слишком большой напряжение в контуре сильно просядет и схема будет работать плохо.

 

Я использовал транзистор IRFP250 и при напряжении 30 вольт и токе 6 ампер мне удалось снять с этой схемы 5 сантиметров чистого факела и 10 со стеклом. Стекло испускает ионы натрия и кремния, которые вылетая удлиняют разряд в 2 раза. Частота работы схемы получилась 13-14 мегагерц, при контурном конденсаторе ёмкостью 88 пикофарад и катушке намотанной проводом 2 мм с шагом 1 мм на оправке диаметром 4-5 см, с количеством витков равным 7. Катушки нужно мотать виток к витку, иначе поле теряется и схема работает плохо.

 Ниже приведен немного другой вариант схемы с дросселем в истоке, но работает он почти также, как и схема выше. Номиналы на этой схеме правильные и подойдут и для предыдущей схемы. Катушку необходимо запихнуть в консервную банку для уменьшения помех и увеличения выходной мощности

 

 Также вы можете видеть конденсатор установленный между стоком и истоком транзистора. Это так называемый конденсатор класса Е. Он позволяет заставить работать транзистор в режиме с высоким КПД. Почитать подробнее о классах электронных усилителей можно здесь: https://r5am.ru/content/Radio/translations/RF_Power_Amplifiers/RF_Power_Amplifiers.html

или https://web.archive.org/web/20180801175209/http://www.r5am.ru/content/Radio/translations/RF_Power_Amplifiers/RF_Power_Amplifiers.html

При правильной настройке в режиме Е на стоке должен быть полусинус.

Вот так выглядит работа этой схемы:

 

Теперь поговорим о применении данного устройства. Его можно применять для питания безэлектродных ламп, например спектральных ВСБ-2 или серных безэлектродных ламп, спектр которых очень близок к спектру солнца. Также данную схему можно применять для индукционного нагрева металлов(расположив их рядом с контурной катушкой). Но самое интересное - данное устройство может служить заменой ацетилен-кислородной горелки при обработке кварцевого стекла. При необходимости можно расплавить вольфрам. Ещё данную схему можно использовать для ВЧ питания лазеров и экспериментов в плазмохимии, спектрального анализа веществ.

 

 Вот вариант практического применения данного устройства - ионофон или плазменный динамик. С помощью данного вида разряда можно получить самое качественное звучание, которое только возможно получить на Земле :)

Возможно люди найдут ещё больше применений этому устройству и в недалёком будущем мы увидим похожие устройства у каждого дома :)

На этом у меня все, спасибо за внимание.


Файлы:
Фотография


Все вопросы в Форум.




Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?

19 5 2