Łukasz Bajda – Modulacja źródła wysokiego napięcia typu cewka

Łukasz Bajda – Modulacja źródła wysokiego napięcia typu cewka

Łukasz Bajda – V rok
Koło Naukowe Techniki Cyfrowej
dr inż. Wojciech Mysiński – opiekun naukowy
AUDIO MODULATION OF TESLA COIL HIGH VOLTAGE
GENERATOR
MODULACJA ŹRÓDŁA WYSOKIEGO NAPIĘCIA TYPU CEWKA
TESLI SYGNAŁEM DŹWIĘKOWYM
Keywords: tesla, coil, modultion, PWM
Słowa kluczowe: tesla, cewka, modulacja, PWM
Report presents problems conntected to high voltage generation with use of Tesla's coil
and corona discharge's modulation with sound signal (plasma speaker).
W referacie przedstawiono zagadnienia związane z wytwarzaniem wysokiego
napięcia z użyciem cewki tesli , oraz modulacją ulotu elektrycznego sygnałem audio
(głośnik plazmowy).
1.Jak działa głośnik plazmowy?.
Rys. 1. Widok zewnętrzny lampowej cewki tesli.
Jak wiadomo ulot elektryczny to cieniutki strumienie zjonizowanego gorącego powietrza
powstające na ostrych krawędziach przewodników na których występuje wysokie napięcie
rzędu kilku kV. W opisanym tu głośniku plazmowym wykorzystano zjawisko wytwarzania
fali akustycznej w powietrzu na skutek zmian wielkości ulotu. Sam generator tesli stworzony
na lampie nadawczej GU50 ma za zadanie wytwarzać wysokie napięcie zmienne potrzebne
do uzyskania na elektrodzie ostrzowej ulotu. W celu modulacji wielkości tego ulotu
zastosowano modulację anodową polegającą na zmianie napięcia zasilania generatora z
cewką tesli w takt zmian sygnału audio doprowadzanego z zewnątrz (na przykład z
odtwarzacza mp3). Układ modulatora jest to typowy układ przetwornicy typu „buck”
zasilanyz sieci 230V poprzez powielacz o stopniu powielenia 2x, stąd też maksymalne
napięcie anodowe dostarczane do lampy wynosi około 600V (przy największym
wypełnieniu). Sam układ przetwornicy zrealizowany jest na popularnym układzie modulatora
PWM TL494.
2.Modulator PWM.
Rys. 2. Schemat ideowy modulatora PWM (część niskonapięciowa).
Zaraz za gniazdem do którego podłączamy sygnał audio znajduje się prosty sumator na
zrealizowany na dwóch rezystorach (1), służy on do sumowania dwóch sygnałów stereo
tworząc sygnał monofoniczny. Następnie poprzez potencjometr regulacji głośności, filtry
wycinające składową stałą i składowe o częstotliwościach radiowych trafia do wzmacniacza
napięciowego (2) zrealizowanego na tanim wzmacniaczu operacyjnym pracującym w
konfiguracji wzmacniacza nieodwracającego. Po wyjściu z wzmacniacza na sygnał nakładana
jest składowa stała której wartość można regulować w trakcie pracy głośnika. Kolejnym
blokiem modulatora jest układ TL494 (3) który zamienia sygnał audio na odpowiednio
zmodulowany przebieg prostokątny, który to poprzez wtórniki komplementarne zasila
transformator (4) sterujący tranzystorami mocy (5) przetwornicy.
3.Część wysokonapięciowa głośnika plazmowego.
Rys. 3. Schemat ideowy części wysokonapięciowej.
Część wysokonapięciowa głośnika jak to już było wspomniane składa się z powielacza
napięcia sieci, generatora na lampie GU50 i cewki tesli. Przed powielaczem znajduje się filtr
zrealizowany na dławiku skompensowanym pozyskanym z zasilacza komputerowego, wraz z
opornikiem R8 ma on na celu tłumić udary prądowe powstające w chwili włączenia zasilania.
Kolejnym blokiem jest powielacza wraz z kondensatorami zamykającymi składowe w.cz.
Powielone napięcie o wartości około 600V trafia na układ przetwornicy gdzie jest
modulowane sygnałem audio i dalej zasila układ generatora meissner’a ze sprzężeniem
pojemnościowym zrealizowanym poprzez zastosowanie anteny w postaci kawałka
metalowego pręta podłączonego do siatki pierwszej lampy GU50.
Obciążenie generatora stanowi cewka tesli w której to dzięki bardzo dużej dobroci obwodu
wtórnego następuje odpowiednie powielenie napięcia zasilającego generator, do dokładnego
wstrojenia się w rezonans części wtórnej służy regulowany kondensator powietrzny C25.
4.Układ opóźnionego załączenia żarzenia i napięcia anodowego.
Rys. 4. Schemat ideowy układu opóźnionego załączenia.
W celu ochrony włókna żarzenia lampy zastosowano układ opóźnionego załączenia
napięcia żarzenia i napięcia anodowego, zimne włókno żarzenia ma rezystancję kilka razy
mniejszą niż włókno gorące, stąd w momencie załączenia zasilania przez zimne włókno
żarzenia płynie prąd kilka razy większy jak znamionowy, który negatywnie wpływa na
trwałość włókna. W celu eliminacji tego zjawiska zastosowano dwustopniowe zasilanie
żarzenia, po włączeniu zasilania głośnika żarzenie lampy zasilane jest napięciem 6V (co
stanowi połowę nominalnego napięcia zasilania), po upływie 10 sekund następuje
zwiększenie zasilania włókna do wartości znamionowej (12V). Tak realizowana jest ochrona
żarzenia. W celu nie dopuszczenia do pojawienia się napięcia anodowego w momencie kiedy
katoda lampy nie emituje elektronów zastosowano kolejne opóźnienie załączające napięcie
anodowe lampy po czasie 10 sekund od momentu w którym zasilanie żarzenia osiągnęło
wartość znamionową. Układ elektroniczny opóźnienia został zrealizowany na dwóch
wzmacniaczach operacyjnych LM358 i przekaźnikach.
4.Kilka zdań o obudowie głośnika.
Obudowa głośnika została wykonana z drewna, ze względów bezpieczeństwa każdy
kabel wysokiego napięcia przechodzący przez drewniane ścianki odseparowany jest od nich
za pomocą metalowych uziemionych tulejek, trzeba pamiętać o tym, że prądy w.cz bardzo
dobrze wnikają w takie ośrodki jak drewno, które absorbuje ich energie i potrafi się zapalić.
sam bezrdzeniowy transformator tesli został wykonany z użyciem dwóch fragmentów
plastikowych rurek, jedna stanowi karkas uzwojenia pierwotnego, druga zaś karkas uzwojenia
wtórnego. Uzwojenie pierwotne zostało nawinięte przewodem w izolacji PCV i jest to około
7 zwojów, wtórne liczy sobie około 600 zwojów nawiniętych drutem DNE o średnicy
0,15mm. Ponieważ w pobliżu cewki tesli natężenie pola elektromagnetycznego jest bardzo
duże konieczne okazało się dokładne ekranowanie części elektronicznej, w tym celu
wykonany został ekran z laminatu pokrytego miedzią całkowicie „izolujący” elektronikę
modulatora od reszty głośnika.