Я писал ранее про способы использования трансформатора Тесла 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 DRSSTC), 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 MIDI или аналогичным форматом, или с компьютера. Основное её преимущество в возможности использования с импульсными катушками — ISSTC и DRSSTC — 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. Сейчас частота с тороидом составляет около 250 кГц, при токе по первичной обмотке около 20-25А. Нагрев никуда не делся, но зато хотя бы снизился до приемлемых уровней. Размеры резонатора — 16х20 см, проводом 0.33 мм, в первичной обмотке 6 полных витков провода 10 мм^2.

Звук катушки громкий (ватт на 10 по ощущениям), но весьма «грязный», замусоренный холостым шипением. Предположительно, это происходит из-за глючащего от наводок оптрона в баке. Отлаживать не особо хочется, слишком уж долго собиралась эта конструкция в свой более или менее законченный вид.

Разряд необычайно горячий — стальная проволока, будучи поставленной на терминал, горит, как бенгальский огонь, а вольфрам моментально начинает испаряться с голубовато-сизым дымом и бело-жёлтым свечением. Создаваемое катушкой поле так сильно, что можно получить весьма чувствительные ожоги, просто случайно коснувшись какого-то металлического предмета, стоя рядом с ней — возникает дуга между кожей и этим предметом.

Впрочем, фотографии здесь не очень интересны — видеозаписи куда лучше передают её работу.

Последнее видео особо интересно: там фигурирует большая неоновая спираль, недавно мною отпаянная и чрезвычайно красиво ведущая себя в тандеме с Музыкатушкой.

Для дочитавших до этого места подарок: полная схема buck-конвертера. Можно копировать.

Метки отсутствуют.