|
|
|
|
|
| Теги статьи: |
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:
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
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.
