К сожалению, не получилось встроить видео с презентацией. Если что, то вот оно .
OneTesla - это небольшая катушка Тесла, подключаемая через порт MIDI и играющая музыку электрическими разрядами. Само устройство, которое в высоту около 25 сантиметров, может выдавать молнии длиной до полуметра. Этот агрегат может устроить неплохое шоу и удивить ваших друзей музыкальной плазмой. Все спецификации устройства открыты и доступны вместе с инструкцией по сборке на сайте проекта .
Как она играет музыку?
Человеческое ухо воспринимает звуковые волны где-то от 20 герц до 20 килогерц, в то время, как устройство резонирует с частотой 230 кГц, что значительно превышает максимальную частоту звука, слышимую человеком. Но можно включать и выключать разряды именно с той частотой, с которой слышен нужный нам звук.Краткие технические характеристики
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Первичная катушка | 6 витков, радиус 88.9мм, 1.6мм провод (14 AWG) |
| Вторичная катушка | 65мм х 254мм, 0.127мм провод (36 AWG), 1800 витков |
| Конденсатор | CDE 940C30S68K, 0.068μF@3000V |
| Тороид | 200мм х 50мм, покрыт фольгой |
| Резонансная частота | ~230 КГц |
| Инвертор | Полумост на базе IGBT транзисторов FGA60N65SMD, 340 вольт |
| Длительность импульса | 50 мкс при 1 КГц, 150 мкс при 50 Гц) |
| Максимальная длина разряда | 58 см |
| МК платы-прерывателя | ATmega328P-PU |
Немного о принципе работы
Полёт шмеля в исполнении OneTesla
Я писал ранее про способы использования для извлечения музыки и звуков, и две основные разновидности способа модуляции плазменного разряда (для импульсных катушек и для непрерывных соответственно): монофонический частотный и полноспектровый амплитудный. Музыкальные катушки Тесла, сделанные по первому принципу (в основном это ), принимают на вход MIDI-сигнал, и издают трещащие пронзительные звуки, напоминающие мелодии со старых мобильников; звуковые трансформаторы Тесла второго типа работают как ионофоны , т. е. просто усиливают поступающий на вход сигнал с плеера или другого источника звука, как это делает любой звуковой усилитель, с той лишь разницей, что источником звука здесь является разогретая плазма разряда.
На данный момент известно два принципиально различных способа сделать такую звуковую катушку Тесла на транзисторах. Это использование buck-преобразователя в питании силовой части схемы (амплитудная модуляция) и классического автогенератора, или же использование резонансного драйвера полумоста (LLC) (частотно-амплитудная модуляция), вместе с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ, PLL). На баке сделана моя первая звуковая катушка, которая подробно описана во второй половине данной статьи. У неё есть ряд недостатков: низкая громкость звука, высокий уровень помех в звуке, большая CW-составляющая в разряде (грубо говоря, только малая часть объёма плазмы меняет свой размер в такт звуковой частоте). Их лишена вторая упомянутая топология, которая, насколько мне известно, ранее практически не применялась при построении звуковых катушек.
Амплитудный сигнал с плеера, поступающий на вход драйвера, преобразуется в, назовём это так, отклонения реальной частоты драйвера от некоторой частоты X, которая совпадает в случае максимальной выставленной громкости с резонансной частотой катушки, поскольку берётся ФАПЧой через антенну со вторички. Если с плеера поступает сигнал, скажем, в 500 герц, с амплитудой от 0 до максимума плеера (или до ограничения, установленного, как в этой катушке, двумя диодами Шоттки (+-300 милливольт), чтобы не сжечь вход драйвера возможными наводками на звуковой кабель), то 500 раз в секунду происходит отстройка частоты от заданной ФАПЧ средней до некоторой граничной. Честно скажу, не знаю, какова эта граничная частота в данном случае, но, скорее всего, 10% от резонансной достаточно для полного пропадания стримера.
При регулировке же громкости в драйвере происходит смещение частоты X от резонанса так, чтобы максимальная громкость от стримера регулировалась пропорционально задаваемой на плеере. Резонансная частота такого музыкального трансформатора Тесла выполняет функцию несущей частоты дискретизации. 160 кГц как в этой конкретной катушке Тесла, вполне достаточно для воспроизведения любой звуковой частоты в музыке (до 10 кгц).
ФАПЧ в такой топологии выполняет функцию поддержания резонансной частоты, относительно которой смещает свой выход драйвер. Без неё не будет автогенерации, и при поднесении руки, плазмашара, да даже просто при перемещении катушки в другое помещение она выйдет из рабочего режима, с непредвиденными последствиями.
Собственно, это всё. Основная сложность здесь — разработка драйвера и настройка PLL: она требует одновременной регулировки сразу двух параметров: положения и размера антеннки вместе с подкручиванием переменного резистора. Антеннка требуется совсем небольшая, около 5-8 см.
В качестве постоянно упоминающегося здесь LLC-драйвера выступает IRS27951, весьма неплохо пригодная для изготовления простых полумостов, а также для подобных экзотических применений. На её основе на данный момент сделана куча мелких полумостов для питания всего подряд, питальник для электролизёрной горелки, с обратной связью по датчику давления для поддержания постоянного давления на выходе вне зависимости от диаметра сопла горелки, на ней же сооружена мини-индукционная печь для прогрева электродов неоновых трубок, и теперь вот и катушка Тесла с музыкой. Следует аккуратно выбирать рабочую резонансную частоту: выше 200 кГц эта микросхема уже практически не работает.
ФАПЧ стандартная: CD4046. Старая, известная своей капризностью и трудностью в настройке микросхема. Но здесь от неё используется только часть, а именно фазовый компаратор, используемый для поддержания автогенерации.
Параметры обмоток ничем особо не выделяются: вторичная 16х25 см проводом 0.35, первичная — 8 витков толстой медью, ниже начала вторичной обмотки, чтобы уменьшить коэффициент связи и ток контура. Полумост сооружён на IRGP50B60, управление через GDT. Тороид мучительно спаян из алюминиевой присадки для аргонового сварочника — зато прочный и жёсткий.
Катушка выдаёт разряды длиной от 5 до 20-25 см (в зависимости от мощности звукового сигнала), в псевдоимпульсном режиме. То есть, выглядят они как импульсные, и так же больно щиплются, но на деле это CW. Катушка создаёт крайне мощное поле вокруг себя — лампы загораются на расстоянии до двух и более метров. Громкость музыки поразительная, в несколько раз выше, чем у старого варианта на buck-конвертере.
Для дополнительного пафоса сделал для катушки подсвечиваемый шильдик из фольгированного текстолита. Получилось, на мой взгляд, довольно неплохо.
На данный момент катушка приобретена и находится в использовании театром «ТиПо» , занимающимся организацией и проведением детских праздников. На видеозаписи можно посмотреть профессионально сделанное промо с её использованием!
При использовании в качестве терминала длинной изогнутой стальной проволоки, за счёт ионного ветра она начинает забавно дёргаться. Иногда в такт музыке.
Ниже находится старая статья про музыкальный трансформатор Тесла на buck-конвертере, добавленная сюда для полноты картины и описания сути музыкальных катушек Тесла.
Огромное преимущество транзисторных трансформаторов Тесла, выгодно отличающее их от искровых: их достаточно легко можно заставить петь, т.е. издавать звуки плазмой их разряда (ламповые тоже способны на это, но усилий требуется значительно больше, и удачных прецедентов сборки маловато). Сам принцип аудиомодуляции плазмы известен довольно давно; в СССР даже были концертного типа установки, модулировавшие факельный разряд звуком, устанавливавшиеся иногда (как мне рассказывали) в летних кинотеатрах. Есть даже современные профессиональные аудиосистемы, использующие электрическую дугу для издавания звука (ионофоны, плазмафоны и т. п.). Поскольку разряд катушки Тесла — такая же высоковольтная плазма, как и в факельниках или ионофонах, его можно промодулировать звуковой частотой, получив на выходе помимо электрического разряда ещё и звук.
Основных способов модуляции два: частотная и амплитудная. Частотная модуляция основывается на изменении частоты прерываний в интерраптере, при управлении с микроконтроллера, совместимого с или аналогичным форматом, или с компьютера. Основное её преимущество в возможности использования с импульсными катушками — ISSTC и — и получении огромных поющих молний с больших установок, в то время как прочие способы для этого непригодны. Силовая часть катушки Тесла включается и выключается несколько сотен раз в секунду, соответственно, плазменный канал молнии то появляется, то исчезает, и нагретый воздух создаёт звуковую волну при его появлении. Но вместо генерирования прямоугольного сигнала для управления транзисторами при помощи таймера 555, как это обычно делают, этот сигнал выдаётся микроконтроллером (или логикой, если не лень её распаивать), а на вход контроллера при этом поступает последовательность нот с определённой частотой, формирующая мелодию. Минусы метода — монофоничность, как у рингтонов старых мобильников (дифоничность в случае парной катушки Тесла) и некоторая сложность при программировании конверсии цифрового сигнала в формате MIDI в набор частот. Скоро будет доделан до законченного вида прерыватель для DRSSTC, который будет способен играть музыку этим способом.
Пример тестового музыкального трансформатора Тесла , который использует этот способ аудиомодуляции, звучит примерно так:
Реализация амплитудной аудиомодуляции катушки Тесла может быть сделана несколькими принципиально различными способами. Известные мне таковы:
1) Модуляция амплитуды напряжения. На вход инвертора — полумоста или моста — подаётся не полное рабочее напряжение, а некий процент от питающего. Реализуется это обычно при помощи т.н. buck-конвертера: топологии преобразователя из ключа (полевого транзистора или IGBT) и диода (или двух ключей для синхронного бака), и сглаживающего дросселя. Ключ управляется по затвору ШИМ-генератором (например, TL494 или аналогичным), через драйвер и опторазвязку. ШИМ-генератор же получает на вход амплитудно модулированный звуковой сигнал с плеера или другого источника звука. Получается этакое двойное преобразование: АМ -> ШИМ -> АМ. Несколько неэффективно и вносит искажение в звучание, но в целом наиболее просто.
2) Модуляция фазы и частоты. Реализуется обычно на основе ФАПЧ (CD4046 и родственников). Получая на вход амплитудный сигнал, мы в соответствии с ним сильнее или слабее мешаем ФАПЧ подстраиваться в рабочую частоту катушки (предельная частота звука — ок. 1/100 несущей частоты катушки) — уходим от резонанса. Этот метод требует использования топологии ФАПЧ при построении катушки, которая несколько сложнее простого автогенератора. Но в общем случае такой способ должен давать более чистый звук.
3) PDM (pulse density modulation), DDS и другие нестандартные методики. Основаны в основном на хитрых аналого-цифровых преобразованиях (пропуск импульсов, например, как в PDM, представляет именно такое преобразование), использовании специальных дорогостоящих микросхем (DDS) и в целом немалого знания искусства схемотехники. Но, по отзывам и записям, они позволяют получить наиболее чистый амплитудно модулированный звук.
Ниже представлена моя амплитудно аудиомодулированная SSTC (Музыкатушка, так я её называю) на полумосте из всё тех же HGTG20N60A4D и с управлением звуком через buck-конвертер и ШИМ. Она сделана более чем топорно и неаккуратно, в основном из-за того, что собиралась несколько месяцев — то не было корпуса, то горели компоненты из-за неправильного включения (я подавал питание на силовую одновременно с драйвером, и, скорее всего, драйвер запускался и работал несколько периодов неправильно, что оказывалось достаточным для выгорания силовой. Проблема решилась установкой реле, включающим силовую часть только после того, как заработает драйвер),
Вдобавок ко всему у меня отсутствовали подходящие драйверы (UCC27425), так что пришлось использовать UCC27324 и изобретать во-первых, инверсию сигнала и деление его на два канала, и, во вторых, запуск автогенерации ввиду отсутствия у неё ENABLE-входа. Всё это, впрочем, не мешает Музыкатушке неплохо работать. Это первая моя мощная катушка Тесла, постоянно работающая в CW-режиме (качеры не в счёт). Разряд имеет длину всего лишь около 10-15 см при потреблении в полтора киловатта. Такой режим непрерывной работы сильно разогревает как транзисторы, так и первичную со вторичной обмотки: первоначальный вариант первички и вторички быстро нагревался чуть ли не до сотни градусов и выше, угрожая расплавить каркас; пришлось отказаться от компактности в пользу надёжности и стабильности.
В этом видео уроке канала youtube “Alpha Mods” будем собирать маленький поющий качер из покупного китайского комплекта, продается в этом китайском магазине .
Схема музыкального качера Тесла
В пакетике есть все необходимые детали. Вторичная катушка, металлический шар для разряда, блок питания. Сборку начнём с маленьких компонентов. Именно с резисторов. 3, что в месте, на 22 килоом. R5, r3 и r2. На плате всё указано, так что просто оставляем и запиваем. Аналогичным образом паяем и другие резисторы. Далее в ход пошли конденсаторы. Припаиваем их тоже. Затем светодиоды, 1 синий, 2 красный. Под конец мосфет и охлаждение. Чтобы легко заменить транзисторы, мастер использовал dip панель. Но с ней транзистор встает чуть выше, отверстия на кулере не совпадают. Дорабатываем. Далее припаиваем выключатель.
Тут мастер нечаянно припаял 2 контакта выключателя между собой. Если вы когда-либо столкнетесь с такой проблемой, необходимо либо сильно дунуть, или купить инструмент. Этот отсос продается в китайском магазине. Стоит он меньше 4 доллара. Нагреваем контакты паяльником, нажимаем кнопку на оловоотсос, контакт обновился. Наконец-то припаиваем первичную катушку и вторичную. Запускаем блок питания.
Из-за маленького потребления тока можно сделать USB качер.
Теперь берем адаптер из комплекта на 12 вольт, 2 ампер. Подключаем схему к нему. Конструктор готов. Но давайте сделаем из него музыкальный качер.
Добавляем пару деталей. И появляется миниджек 3,5. Берём смартфон, качаем приложение генерации импульсов и вот вам модуляция. Точно также можно подключить и музыку. Кто-то скажет: ничего не слышно! Но это играет Стример на качере. Теперь берем шприц, в носик закручиваем саморез и создаем вакуум.
Трансформатор, увеличивающий напряжение и частоту во много раз, называется трансформатором Тесла. Энергосберегающие и люминесцентные лампы, кинескопы старых телевизоров, зарядка аккумуляторов на расстоянии и многое другое создано благодаря принципу работы этого устройства. Не будем исключать его использование в развлекательных целях, ведь «трансформатор Тесла» способен создавать красивые фиолетовые разряды – стримеры, напоминающие молнию (рис. 1). В процессе работы образуется электромагнитное поле, способное воздействовать на электронные приборы и даже на организм человека, а при разрядах в воздухе происходит химический процесс с выделением озона. Чтобы сделать трансформатор Тесла своими руками, необязательно иметь широкие познания в области электроники, достаточно следовать этой статье.
Составные части и принцип работы
Все трансформаторы Тесла ввиду похожего принципа работы состоят из одинаковых блоков:
- Источник питания.
- Первичный контур.
Источник питания обеспечивает первичный контур напряжением необходимой величины и типа. Первичный контур создаёт колебания высокой частоты, генерирующие во вторичном контуре резонансные колебания. В результате на вторичной обмотке образуется ток большого напряжения и частоты, который стремится создать электрическую цепь через воздух - образуется стример.
От выбора первичного контура зависит тип катушки Тесла, источник питания и размер стримера. Остановимся на полупроводником типе. Он отличается простой схемой с доступными деталями, и маленьким питающим напряжением.
Подбор материалов и деталей
Произведём поиск и подбор деталей к каждому вышеперечисленному узлу конструкции:
После намотки изолируем вторичную катушку краской, лаком или другим диэлектриком. Это предотвратит попадание в неё стримера.
Терминал – дополнительная ёмкость вторичного контура, подключённая последовательно. При малых стримерах в нем нет необходимости. Достаточно вывести конец катушки на 0,5–5 см вверх.
После того, как собрали все необходимые детали для катушки Тесла, приступаем к сборке конструкции своими руками.
Конструкция и сборка
Сборку делаем по простейшей схеме на рисунке 4.
Отдельно устанавливаем источник питания. Детали можно собрать навесным монтажом, главное исключить замыкание между контактами.
При подключении транзистора важно не перепутать контакты (рис. 5).
Для этого сверяемся со схемой. Плотно прикручиваем радиатор к корпусу транзистора.
Собирайте схему на диэлектрической подложке: кусок фанеры, пластиковый поднос, деревянная коробка и др. Отделяем схему от катушек диэлектрической пластиной или доской, с миниатюрным отверстием для проводов.
Закрепляем первичную обмотку так, чтобы предотвратить падение и касание со вторичной обмоткой. В центре первичной обмотки оставляем место для вторичной катушки, с учётом того, что оптимальное расстояние между ними 1 см. Каркас использовать необязательно – достаточно надёжного крепления.
Устанавливаем и закрепляем вторичную обмотку. Делаем необходимые соединения согласно схеме. Посмотреть на работу изготовленного трансформатора Тесла можно на видео представленном ниже.
Включение, проверка и регулировка
Перед включением уберите электронные устройства подальше от места испытания, чтобы исключить их поломку. Помните об электробезопасности! Для успешного запуска по порядку выполняем следующие пункты:
- Выставляем переменный резистор в среднее положение. При подаче питания, убеждаемся в отсутствии повреждений.
- Визуально проверяем наличие стримера. Если он отсутствует, подносим к вторичной катушке люминесцентную лампочку или лампу накаливания. Свечение лампы подтверждает работоспособность «трансформатора Тесла» и наличие электромагнитного поля.
- Если устройство не работает, в первую очередь меняем местами выводы первичной катушки, а уже потом проверяем транзистор на пробой.
- При первом включении следите за температурой транзистора, при необходимости подключите дополнительное охлаждение.
Отличительной особенностью мощного трансформатора Тесла являются большое напряжение, большие габариты устройства и способ получения резонансных колебаний. Немного расскажем о том, как работает и как сделать трансформатор Тесла искрового типа.
Первичный контур работает на переменном напряжении. При включении, происходит заряд конденсатора. Как только конденсатор заряжается по максимуму, происходит пробой разрядника – устройства из двух проводников с искровым промежутком, наполненным воздухом или газом. После пробоя, образуется последовательная цепь из конденсатора и первичной катушки, называемая LC контуром. Именно этот контур создаёт высокочастотные колебания, которые создают во вторичной цепи резонансные колебания и огромное напряжение (рис. 6).
При наличии необходимых деталей, мощный трансформатор Тесла можно собрать своими руками даже в домашних условиях. Для этого достаточно внести изменения в маломощную схему:
- Увеличить диаметры катушек и сечение провода в 1,1 – 2,5 раза.
- Добавить терминал в форме тороида.
- Поменять источник постоянного напряжения на переменный с высоким повышающим коэффициентом, выдающим напряжение 3–5 кВ.
- Изменить первичный контур согласно схеме на рисунке 6.
- Добавить надёжное заземление.
Искровые трансформаторы Тесла могут достигать мощности до 4,5 кВт, следовательно, создавать стримеры больших размеров. Наилучший эффект получается при достижении одинаковых показателей частоты обоих контуров. Реализовать это можно расчётом деталей в специальных программах – vsTesla, inca и другие. Скачать одну из русскоязычных программ можно по ссылке: http://ntesla.at.ua/_fr/1/6977608.zip .
Не так давно на «Kickstarter» необходимую сумму для запуска собрал стартап «OneTesla» со своим изобретением под названием tinyTesla. Оно представляет собой набор деталей для создания маленькой катушки Тесла, которая продуцирует электрические разряды и воспроизводит MIDI-треки без колонок. Кроме того, команда проекта предлагает покупателям улучшить свои навыки в пайке по средствам сбора катушки. Продукт позиционируется как хороший способ узнать больше о физике и электронике.
«Вы говорили, мы слушали», - заявляет член команды «OneTesla». В прошлом компания уже имела опыт сбора средств с помощью краудфандинга. Это помогло ей получить обратную связь от пользователей для того, чтобы новый проект стал по-настоящему востребованным и удачным.
Катушка Тесла представляет собой резонансный трансформатор, который продуцирует высокое напряжение на высокой частоте. Данное устройство воспроизводит музыкальные звуки, нагревая воздух и создавая продольные волны, которые воспринимаются на слух в качестве мелодии. Не предусмотрено никакой мембраны, выталкивающей воздух назад и вперед, как в устройстве динамика или традиционного музыкального инструмента. Вы слышите само электричество.
Катушки управляются с помощью волоконно-оптической линии передачи через так называемый блок обработки сигналов прерываний, который преобразует музыку, воспроизводимую на вашем компьютере или музыкальном инструменте, в импульсы света. Прерыватель подключается к компьютеру через USB-порт и может управляться с помощью собственного программного обеспечения или силами других программ, подразумевающих воспроизведением MIDI-файлов. tinyTesla также можно подсоединить к электронному музыкальному инструменту тем же способом.
Вместе с tinyTesla компания анонсировала выход и «старшего брата» новинки под названием oneTeslaTS, в чей функционал помимо вышеуказанных возможностей входит расширенный набор MIDI-функций. Подключить к инструменту его можно с помощью кабеля, после чего он сможет протягивать ноты и осуществлять модуляцию звука.
Свою миссию команда «OneTesla», состоящая из пяти человек, видит в содействии практическому обучению, предоставляя наборы, которые разработаны с учетом простоты сборки и внешней привлекательности. Команда гордится тем, что подготовила подробнейшую документацию при активной поддержке сообщества на форуме. Акцент в своих разработках «OneTesla» делает также на безопасности прототипов. Благодаря особенностям конструкции дуги от катушки можно вытащить с помощью металлического предмета.
В продажу продукт должен поступить к концу года. Ориентировочная цена экземпляра - $150. Для обеспечения своевременной доставки заказанных комплектов «OneTesla» начала сотрудничество с местной компанией «AmTech». Основную опасность стартап видит в возможных задержках по вине поставщиков, поэтому на данный момент он налаживает связь с ними и пытается исключить подобную возможность. Потенциальный риск также скрывается в обеспечении целостности каждого комплекта. В прошлом у компании имелся неприятный опыт обращения к ней клиентов, не нашедших в упаковке всех необходимых предметов. Поэтому сейчас «OneTesla» обратилась к фирме, способной помочь в подготовке продукта к отправке, надеясь избежать рисков.