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.