Каждый, кто хотя бы раз собирал конструкцию, известную как ламповая катушка Тесла (англ. Vacuum Tube Tesla Coil - или сокращённо VTTC) задавался вопросом, а как же выбираются номиналы тех или иных компонентов схемы для обеспечения наиболее эффективной работы устройства. В данной статье я постараюсь описать назначение и рассказать о методах подбора и/или расчёта отдельных узлов VTTC.
Рассмотрим для начала типичную схему VTTC, ставшей уже классической. Она представляет собой LC-автогенератор с трансформаторной обратной связью, в общем случае, собранный на триоде VL1. Питание генератора осуществляется от анодного трансформатора Т1 с так называемым шифтером, собранным на конденсаторе С1 и диодном столбе VD1. Как же работает шифтер и зачем он нужен? На вторичной обмотке трансформатора Т1 напряжение, также как и в сети, имеет форму синуса. Шифтер же смещает (сдвигает, от shift - cдвигать) выпрямленное и удвоенное относительно изначального, напряжение. При подключении к блоку питания лампового генератора, форма напряжения на контактах диода VD1 приобретает форму положительных полупериодов. При этом его размах в случае идеального источника напряжения имеет значение Uвых= UII*1.41*2. Именно такой форме питающего напряжения cобранные по классической схеме VTTC обязаны своей меч-образной форме разрядов. Всё дело в том, что в этом случае время генерации близко ко времени полупериода, которое при частоте питающей сети в 50-60Гц достаточно велико для формирования достаточно мощного искрового канала, но при этом скорость нарастания напряжения невысока. Из-за этого ламповые катушки Тесла в большинстве случаев достаточно тихие в работе (аналогично QCW-режиму у транзисторных).
Теперь рассмотрим более подробно непосредственно схему генератора. В общем случае она собирается на мощном генераторном триоде. Также возможно использование и тетродов/пентодов, как в триодном включении, так и в тетродном/пентодном. Триод же является наиболее простой лампой и наиболее прост для рассмотрения. Список применяемых ламп достаточно широк и я не буду его приводить здесь. Достаточно лишь упямонуть, что катушки изготавливаются на лампах с мощностью рассеяния анода от десятков ватт до многих Квт.
Первичный колебательный контур С3-I трансформатора T3 включен в анодную цепь лампы. Катушка обратной связи II вместе с последовательно соединённым гридликом С5 R2 (служащим для задания смещения) - в сеточную цепь. Катушка III - собственно и есть катушка Тесла, или же резонатор, на котором и возбуждается высокое напряжение при высокой частоте. Конденсатор С2 - блокировочный, служит для создания цепи протекания ВЧ тока. А установленный в катод лампы конденсатор С4 обеспечивает соединение обоих концов катода с общим проводом по высокой частоте.
Это всё конечно хорошо, мы все знаем, для чего нужны все эти детали. Каков же метод их подбора? И здесь надо остановиться подробнее. Начнём с самого начала, а именно, с блока питания. В общем случае, в роли анодного трансформатора выступает так называемый МОТ (англ. Microwave Oven Transformer - трансформатор микроволновой печи). Его изначальное назначение - питание магнетрона микроволновой печи. Небольшой по массе и габаритам, он обычно имеет напряжение вторичной обмотки около 2Кв при токе до 0,5А. Увы, из малых габаритов и массы следует его основной недостаток - огромный ток холостого хода и высокий нагрев даже без нагрузки. Фактически, его невозможно использовать без активного воздушного охлаждения. К тому же, его изоляция зачастую не расчитана на гуляющие в цепи питания ВЧ-токи, которые легко могут привести к пробою на сердечник и выходу из строя. Ремонту после этого трансформатор поддаётся с трудом, а чаще теряется безвозвратно, т.к. сердечник, как правило, неразборный.
Альтернативным вариантом является использование так называемого совМОТа. СовМОТ - трансформатор питания магнетрона советских микроволновых печей, имеет гораздо большую габаритную мощность железа, что даже при довёдённой до адекватных чисел индукции, делает его намного мощнее импортных (китайских) МОТов. В покое практически не греется, может кратковременно выдать больший ток. Напряжение на вторичной обмотке - от 2 до 3,6кВ.
Ну и конечно, возможно использование любых подходящих по напряжению и току промышленных и самодельных трансформаторов. В случае самодельного трансформатора главное уделить внимание изоляции вторичной обмотки.
Конденсатор С1 должен иметь максимальное рабочее напряжение не меньше напряжения на выходе шифтера (в идеале). Подходят конденсаторы К41 и К75 на 5Кв. Ёмкость - от 2 до 6мкф.
Диодный столб VD1 лучше взять с запасом как по обратному напряжению, так и по току. Не рекомендуется использование стоящих в импортных микроволновках диодов, т.к. в схеме VTTC они, как правило, выходят из строя. Альтернативный вариант - советский высоковольтный диодный столб КЦ201Е, имеющий 15кВ обратного напряжения при 0,5А тока. Наилучший вариант - самодельный составной диод из 2-3А ультрафастов, зашунтированных выравнивающими резисторами.
Блокировочный конденсатор С2 в теории можно ставить используя метод "чем больше, тем лучше". В реальности же, как правило, достаточно номинала, полностью аналогичного контурному конденсатору С3. Последний выбирается исходя из индуктивности первичной обмотки трансформатора Тесла (обмотка I Т3). Расчитать её можнов любой тесла-считалке (резонансная частота будет одинакова во всех схемах, что ламповых, что транзисторных). Следует упомянуть лишь тот факт, что оптимальное число витков в VTTC не может быть любым и обычно составляет 35-45 витков провода. Возможны вариации как в большую, так и в меньшую сторону, но использование, скажем, 5 витков - категорически неприемлемо. Связано это с тем, что контур должен являться оптимальной нагрузкой для активного элемента, а электронная лампа, как правило, имеет достаточно большое внутреннее сопротивление (отсюда и высокие напряжения для питания анода). Если всё расчитано правильно (плюс-минус эмпирический подбор витков первички или ёмкости контурного капа уже по месту), то разряд будет иметь наибольшую длину, а потребление будет минимально.
Выбор кол-ва витков катушки обратной связи обычно осуществляется эмпирически ещё на стадии отладки. Тоже самое касается и гридлика С5 R2, но на нём стоит остановиться подробнее. Дело в том, что подбор элементов гридлика лучше всего проводить уже после окончательной настройки контура в резонанс. Изменением сначала сопротивления R2, добиваются максимальной длины разряда без перегрева анода лампы, дальше уменьшают ёмкость С5 (её излишний номинал приводит к нагреву без увеличения длины стримера). Необходимо соблюдать фазировку обмотки ОС для обеспечения стабильной генерации.
Номинал конденсатора С4 в катоде обычно выбирают в пределах от 0,01 до 0,1мкф, его напряжение может быть небольшим, важно, чтобы он был расчитан для работы на ВЧ. Подойдут конденсаторы КСО или подобные. Возможно применение КВИ-3.
Симистор VS1 служит для прерывания по катоду. Работу прерывателя я рассмотрю позже.