2011-08-01 13:00:29
高壓DIY之中，必不可少的設備是一個(gè)高壓發(fā)生器，有了它你可以玩出各種各樣的花樣。我在這里制作的是一個(gè)可調高壓發(fā)生器，并且為你示范用它來(lái)做超酷的等離子蝕刻和絢麗的電弧球。更多高壓小玩意，還有待你來(lái)自行開(kāi)發(fā)。
雙向電梯
1 電路原理2 材料準備3 焊接電路4 調試高壓發(fā)生器5 等離子蝕刻6 電弧球7 總結1 電路原理高壓DIY之中，必不可少的器材是一個(gè)高壓發(fā)生器，依靠它可以玩出各種各樣的花樣。在淘寶上可以買(mǎi)到各種各樣的高壓模塊，小到電蚊拍，負離子發(fā)生器，大到電網(wǎng)捕獸機。但是對于我等DIYer來(lái)講，有什么比一個(gè)自行量身定做的可調高壓發(fā)生器更適合呢？
電路來(lái)源 ，在原圖基礎上稍有調整。
上圖是一個(gè)簡(jiǎn)易高壓發(fā)生器，使用一塊固定頻率脈寬調制電路TL494產(chǎn)生方波信號控制MOS管Q1，Q1上的交變電流在通過(guò)串聯(lián)的黑白電視機高壓包T的時(shí)候升壓到2k~10kV，升壓后經(jīng)高壓包次級串聯(lián)的高壓整流二極管半波整流，輸出帶直流分量的高頻高壓（或者說(shuō)帶高頻紋波的直流高壓也行，兩者是一回事）。
作為專(zhuān)業(yè)的電源芯片（可以在一些電腦ATX電源里找到這枚上世紀80年代Ti推出的經(jīng)典開(kāi)關(guān)電源主控芯片），TL494具有豐富的功能，但這里只用了其中的一小部分。升壓電路使用了最為簡(jiǎn)單的不帶磁復位的單管正激拓撲，并且沒(méi)有采樣反饋部分，事實(shí)上這里的TL494只相當于一個(gè)頻率和占空比可變的方波發(fā)生器，因此也可以用其他的方波振蕩電路，比如555集成電路或運放或晶體管構成的多諧振蕩器代替。
這個(gè)電路的幾個(gè)重點(diǎn)參數（它們對之后的調試很有用）如下：輸出方波的頻率由TL494的5腳對地電容和6腳對地電阻決定，fosc=1.1/（R1+RP2）?C2。方波占空比由RP1上的分壓決定，可以在0%~100%之間調節，進(jìn)而調節變壓器的電流和輸出電壓。
TL494的工作方式細節想進(jìn)一步改進(jìn)該電路的話(huà)，
更多可用的正激電源拓撲2 材料準備需要的電子器材：
○ 16腳DIP插座x1
○ TL494芯片 x1
○ 4700uF，16V電容 x1
○ 100nF瓷片電容x1
○ 10nF 瓷片電容x1
○ 50k電位器x1
○ 10k電位器x1
○ 1.5k電阻 x1
○ 10歐電阻 x1
○ IRF540 MOS管+散熱片 x1
○ IN5819二極管 x1
○ 8腳黑白電視機高壓包 x1
淘寶鏈接○ 萬(wàn)能電路板（洞洞板）x1
○ 導線(xiàn)若干
其他設備：
● 電烙鐵
● 焊錫/松香
● 12V/2A電源
● 萬(wàn)用表
● 示波器（最好有）
● 熱風(fēng)槍?zhuān)ㄈ绻氵x用了貼片元件）
● 調節電位器用的小螺絲刀
大部分元件的寬容度很高，并不要求參數很準確，比如說(shuō)1.6k或1.8k的電阻都可以用來(lái)代替R1。一些有特殊要求的器件如下：
● 電位器：普通的電位器就能用，但如果想精確調整的話(huà)，推薦使用多圈可調電位器。為了調節方便，還需要一把小螺絲刀。
● MOS管：這里用的是IRF540。用其他MOS管替代的話(huà)，要求Vdss在80V以上，Vth的最小值在2V~4V，導通電阻盡可能?。↖RF540是0.077歐），同時(shí)做好散熱片配備。特別要說(shuō)的一點(diǎn)是，一些高性能的MOS（比如主板上的供電MOS）由于Vth的最小值過(guò)低（它們能在很低的柵壓下導通，在大部分情況下這是優(yōu)點(diǎn)），用在這個(gè)電路上容易誤觸發(fā)導致占空比調節困難（RP1稍一調整電流就急劇上升），所以使用替代器件時(shí)一定要注意參數。
● 高壓包：使用黑白電視機的8腳高壓包。如果只是產(chǎn)生高壓玩玩，可以直接用原有的初級線(xiàn)圈。但是直接在磁棒上重繞初級線(xiàn)圈來(lái)提高輸出電壓也是流行的玩法之一。
● 彩電的高壓包不適于這一電路，因為它們的初級設計電壓是220V，需要根據匝數對它們進(jìn)行改裝才好用。但是它們的輸出電壓比黑白電視機高不少，在制作20-40kV輸出的高壓產(chǎn)生器時(shí)少不了它們。
3 焊接電路焊接電路依照電路圖即可，難度不大。出于安全起見(jiàn)最好把高壓包和低壓部分分開(kāi)，調試完成后再組裝到一起。
一些需要注意的小地方：
給MOS安上足夠大的散熱片并留出散熱片的空間。我有點(diǎn)后悔散熱片用小了，結果調試的時(shí)候由于發(fā)熱不敢加大MOS電流。
背面通過(guò)大電流的走線(xiàn)不能用小股銅線(xiàn)飛線(xiàn)，我用了大量的錫在萬(wàn)能板上堆出電源線(xiàn)和地線(xiàn)。
高壓包的腳位：4腳是次級線(xiàn)圈的地線(xiàn)，2，5，6，7，8腳則是初級線(xiàn)圈。推薦選用5腳和8腳通入交流信號，但在這些腳中任選兩個(gè)都會(huì )在次級感應出高壓，可以根據實(shí)際電路中的表現選擇。當然，直接在磁棒上用導線(xiàn)自繞初級線(xiàn)圈也是可以的。
感興趣的話(huà)，這里有
高壓包引腳圖4 調試高壓發(fā)生器警告：調試的時(shí)候有高壓觸電危險，請千萬(wàn)小心
首先調試低壓部分，先不插上芯片，接上電源以后用萬(wàn)用表測試芯片插座上的供電電壓和電路各點(diǎn)電位，確認正常以后斷開(kāi)電源接上芯片。
示波器這時(shí)候可以派上用場(chǎng)了，測量MOS管的柵極電壓，一切正常的話(huà)就能像我這樣在屏幕上看到方波波形——148.8KHz，12.4V峰峰值，一切正常。
接下來(lái)調節方波的頻率和占空比，記得之前說(shuō)過(guò)的么？電位器RP1調節占空比，RP2調節頻率。把振蕩頻率調到120KHz左右，占空比約10%，然后進(jìn)行下一步。斷開(kāi)電源，接上高壓包 （千萬(wàn)不要在帶電的時(shí)候干活） 。
這時(shí)候如果有一個(gè)能顯示實(shí)時(shí)電流的實(shí)驗電源會(huì )很好用，沒(méi)有的話(huà)就需要時(shí)刻注意散熱片溫度避免MOS過(guò)熱燒毀了。。。。把高壓輸出線(xiàn)擺到不會(huì )影響工作的地方，打開(kāi)電源輸出，注意這時(shí)候的電流值。如果過(guò)大的話(huà)，馬上關(guān)掉電源，調節RP1減小方波占空比，然后再試。我最后把電流調節到了約600mA，如果需要更高的輸出電壓可以在散熱片允許的范圍里提高M(jìn)OS管電流。
然后小心翼翼的拿起高壓包的輸出線(xiàn)（可以看到這是厚絕緣層的特制高壓線(xiàn)，拿幾cm以后的絕緣層，千萬(wàn)不要碰到輸出線(xiàn)頭….），將線(xiàn)頭靠近高壓包4腳的引出線(xiàn)，看到藍紫色的美麗電弧了么？
5 等離子蝕刻當高壓電極接近，極間電場(chǎng)接近空氣的擊穿強度時(shí)，就會(huì )擊穿空氣，產(chǎn)生明亮的電弧?？諝庵须娀》烹姰a(chǎn)生的等離子體為熱等離子體，電子溫度與氣體溫度大致相等，可達103~105K。運用它的局部高溫和高化學(xué)活性，可以用在燒蝕材料，熔煉金屬，表面處理等方面。把上一步中得到的藍紫色電弧引向白紙，可以看到紙張表面碳化，電弧瞬間燒出了一個(gè)小洞。
更進(jìn)一步的電弧展示在一個(gè)水蜜桃上（蘋(píng)果梨之類(lèi)帶一定水分的水果都行）進(jìn)行，將水蜜桃與次級線(xiàn)圈的地線(xiàn)相連，接著(zhù)就可以用高壓輸出線(xiàn)的尖端對桃子放電，產(chǎn)生的電弧燒蝕碳化果皮，在上面形成黑色的焦痕。由于電弧的高溫，被碳化的只有表層，里面仍然是水靈靈的果肉，普通的火焰可做不到這一點(diǎn)。工作時(shí)的電弧實(shí)際呈黃色，這是因為果皮中的部分成分受熱氣化混入等離子體的緣故。只要材料有一定的導電性（例如瓜果肉菜，被打濕的皮革），就可以用這種方法在上面刻字。
順便，在這里可以體會(huì )一下前面為什么一直要求注意安全：雖然這個(gè)高壓發(fā)生器功率不大，危險性相對而言不是很高，但要在不小心觸電時(shí)在皮膚上留下焦黑的痕跡和彌漫的烤肉氣味還是沒(méi)有問(wèn)題的……
6 電弧球淘寶上出售的成品電弧球
圖片來(lái)源或許你在網(wǎng)上或者科技館見(jiàn)到過(guò)圖上這樣的電弧球，球里漂亮的極光翩翩起舞，當把手指放到上面時(shí)還會(huì )出現一條隨著(zhù)手指尖端移動(dòng)的絢麗電弧。歸根結底這也是等離子體的功勞，玻璃球中的低壓氣體在高電壓下輝光放電（注意，和之前空氣中電弧的弧光放電不同）會(huì )隨氣體不同產(chǎn)生美麗的光芒，實(shí)際上這也就是霓虹燈的發(fā)光原理。在電弧球中有一個(gè)高壓發(fā)生器，高頻高壓的電極一端通到玻璃球內的球形電極，另一端接地。當手指接觸玻璃球時(shí)，電流從玻璃球內電極-氣體-玻璃球殼-人體-大地形成回路，于是就產(chǎn)生了隨手指移動(dòng)的漂亮放電電弧。由于球殼與人體間的電容很小，通過(guò)的交變電流也極小，因此對人沒(méi)有危險。
通過(guò)以上的原理分析，很容易發(fā)現在已經(jīng)有了高壓發(fā)生器的前提下，只需要一個(gè)充填了稀薄氣體的帶電極玻璃球就可以自制電弧球。一個(gè)很好的器材是老式的透明電燈泡，以前國內生產(chǎn)的40w以下電燈泡通常抽真空（并且限于技術(shù)真空度還略差。）用來(lái)做這個(gè)再好不過(guò)?？上У氖乾F在的燈泡多數充填氮氣和氬氣，買(mǎi)到的菲利普燈泡在高壓下并不能放電……
但是我在意想不到的地方找到了一個(gè)替代品，就是日光燈啟輝器中的玻璃泡。泡中充填了少量氬氣，高壓放電時(shí)發(fā)出藍色光，非常漂亮。唯一的問(wèn)題就是玻璃泡的體積太小，玩起來(lái)不小心的話(huà)很容易觸電，想和正牌的電弧球一樣做成擺設是不可能了……
某位筒子向我推薦了發(fā)橘紅色光的充氣穩壓電子管WY-3P，我手頭沒(méi)有所以沒(méi)法實(shí)驗，有這玩意的筒子感興趣的話(huà)可以自行玩玩XD。
7 總結在這個(gè)電路的基礎上，還有很多可以改進(jìn)的地方。
改進(jìn)電路拓撲可以大大提高工作效率，加入反饋電路和輸出濾波電容則可以得到帶穩壓的可調高壓電源。最為令人興奮的想法還是在磁棒上重繞初級線(xiàn)圈，這樣可以在高壓包上獲得15kV級別的電壓，這樣可以獲得更為壯觀(guān)的等離子電弧，同時(shí)還可以為我計劃中的靜電飄升機提供備選電源。
同時(shí)，調整占空比可以控制電弧放電的電流大?。ㄒ彩请娀‘a(chǎn)生熱量的多少），占空比的快速變化足以引發(fā)電弧周?chē)諝獾目焖贌崦浝淇s，從而發(fā)出聲音：這是等離子揚聲器的原理，由于只有極小質(zhì)量的空氣振動(dòng)，從而具有極好的高頻響應。理論上說(shuō)在拉出穩定電弧的情況下，在TL494的4腳加載音頻信號就可以獲得調制的電弧發(fā)聲（
實(shí)例 ），但在實(shí)驗時(shí)這個(gè)自制高壓發(fā)生器發(fā)出的聲音音量極小，推測可能是高壓發(fā)生器的功率不夠，原來(lái)的電弧電流太小的緣故。要改進(jìn)這一點(diǎn)不僅需要改裝高壓包，還需要更換散熱片和MOS管，工作量稍微大了些?，F在它被排在我的計劃隊列里，等到有好消息的時(shí)候我會(huì )再來(lái)的。
