Generator wysokiego napięcia na cewce zapłonowej - 50kV - budowa, opis działania

Witam.

Słowem wstępu:
Chciałbym zaprezentować mój generator wysokiego napięcia na bazie cewki zapłonowej od Fiata.
Układ ten wyróżnia się tym od innych, że generuje bardzo wysokie napięcia, rzędu 50 tysięcy volt. Wyładowania są głośne i spektakularne. Dlatego też wszystkim początkującym, niepełnoletnim, roztargnionym oraz pracującym w pobliżu sprzętu elektronicznego typu komputer odradzam naśladowanie moich eksperymentów.


Zasady bezpieczeństwa w pigułce:
- zabawy z wysokim napięciem nie są przeznaczone dla niedoświadczonych oraz niepełnoletnich elektroników
- nie należy dotykać uruchomionych układów WN (zarówno wyjścia WN, jak i części niskonapięciowej!)
- wszelkie układy WN powinny być uruchamiana z dala od sprzętu elektronicznego ponieważ mogą go uszkodzić. Proszę uważać na telefony, aparaty, laptopy itp.
- w trakcie prac należy też przestrzegać wszystkich zasad BHP
Nie biorę odpowiedzialności za ewentualne szkody i problemy spowodowane zabawami z WN inspirowanymi moim tematem.

Zasada działania:
Niestety, cewka zapłonowa nie może pracować jak zwykły transformator po wysterowaniu zwykłym prądem przemiennym, ale wymaga odpowiedniego przebiegu, do uzyskania którego potrzebny jest elektroniczny sterownik (w tym przypadku układ z NE555). Idea działania polega na tym, że cewka magazynuje energię w polu magnetycznym, a potem gwałtownie ją uwalnia w formie piku napięcia. W przypadku sterowania, nie implikuje to wysokiej częstotliwości pracy, ale coś całkiem innego. Chodzi o to, aby układ elektroniczny pozwolił najpierw przez pewien czas przepływać prądowi przez cewkę (w tym czasie następuje magazynowanie energii w polu magnetycznym), a następnie bardzo gwałtownie odcinał jego dopływ - w tym momencie zmagazynowana energia uwalnia się indukując wysokie napięcie.

Schemat:
Układ opiera się o generator przebiegu prostokątnego o małym wypełnieniu oparty na NE555, podłączony do wzmacniacza sygnału oraz pojedynczego tranzystora kluczującego. Strona NE555 zasilana jest z 12V, natomiast wyższe napięcie idzie na tranzystor. Nie mam możliwości podania dokładnego schematu mojej przetwornicy w tej chwili, ale mogę napisać, że sprawdzałem różne tranzystory i najlepiej radziły sobie BU208 z układu odchylania WN z telewizora oraz mosfety IRFP460/IRFP260 bardzo znane twórcom półprzewodnikowych cewek tesli.
Oto kilka schematów, na których bazowałem swój układ:



Listę uwag i wniosków dotyczących konstrukcji tego generatora:
- przede wszystkim: BEZPIECZEŃSTWO! Generowane napięcia tu są niebezpieczne, zarówno dla ludzi jak i dla sprzętu elektronicznego wokół.
- NE555 można zasilić z 5V, ale zdecydowanie lepiej jest skorzystać ze stabilizowanego 12V, bo wtedy nie ma problemu z prądem/napięciem otwarcia tranzystora kluczującego (w zależności, czy to MOSFET by zwykły NPN)
- możliwe, że nawet przy zasilaniu NE555 z 12V, jego sygnał nie otworzy w pełni tranzystora, wtedy trzeba zastosować wzmocnienie, np. jak na tym schemacie z BC*
- timer 555 powinno być w wersji bipolarnej, tzn. NE555. Wersje CMOS są o wiele bardziej podatne na zewnętrzne czynniki i w tego typu zastosowań są niezwykle zawodne (dla porównania: w ciągu kilku godzin uszkodziłem z 5 tych timerów w wersji CMOS, natomiast w ciągu kilku lat zwykłe NE555 spaliły mi się może ze dwa).
- tranzystor nagrzewa się bardzo szybko i należy koniecznie umieścić go na radiatorze (od początku, nawet przy robieniu prototypu!)
- w celu dodatkowej ochrony tranzystora można umiescić między jego drenem a źródłem szybką diodę (aczkolwiek większość tranzystorów ma już takie diody wbudowane, patrz datasheet) tak jak na jednym z zamieszczonych wcześniej schematów.

Diagnoza układu.
Oto kilka uwag dotyczących diagnozy i pierwszego uruchomienia układu:
- najpierw radzę osobno złożyć moduł z NE555 i w celu sprawdzenia samej częstotliwości albo skorzystać z oscyloskopu, albo do wyjścia sygnału podłączyć głośnik. Jeśli NE555 działa i generuje przebieg to powinno być "słychać" częstotliwość.
- jak już generator NE555 jest sprawdzony, to wtedy głośnik podłączamy zamiast cewki by sprawdzić kluczujący tranzystor. W tym układzie on jest najsłabszym ogniwem i łatwo go spalić. Na miejsce cewki podłączamy głośnik i zasilamy całość z 12V. Powinniśmy usłyszeć głośniejszy pisk. Jeśli go słyszymy, to wszystko powinno być w porządku, bo zarówno NE555 jak i tranzystor kluczujący jest sprawny.
- jeśli dalej nie otrzymujemy żadnych efektów, to albo częstotliwość jest nieodpowiednia, albo cewka jest uszkodzona
- rzeczy typu "jak sprawdzić tranzystor multimetrem" nie będę tutaj opisywać, ponieważ zakładam, że każdy podejmujący się budowy podobnego układu zna dobrze podstawy elektroniki


Galeria:

Najpierw wyładowania bezpośrednio pomiędzy wyjściami cewki (bez żadnych elektrod):


Teraz efekty z dwoma gwoździami dodanymi w roli elektrod:



Tutaj widzimy tzw. wyładowania koronowe (na górze, na końcówkach elektrod):

Dopiero po chwili te "ognie" zamieniają się w wyładowanie:



Przy zmianie wypełnienia/częstotliwości sygnału generowanego przez NE555 można uzyskać wyładowania przypominające łuk:


Teraz kilka zdjęć z żarówką:


Wyładowanie między przewodami od cewki. Jeden taki przewód ma rezystancję około 18kΩ:

Jak wyżej, z innym oświetleniem:


Testowane cewki zapłonowe.



Najlepsza okazała się i tak ta cewka:



Wewnętrzna budowa cewki.
Niestety (?), po jakimś czasie cewka uległa wewnętrznemu przebiciu, co pozwoliło mi na zbadanie jej od środka:
Cewka w trakcie otwierania (z pomocą piłki do metalu - proszę ciąć ostrożnie, cewka jest fabrycznie wypełniona olejem):


Tutaj widzimy nawinięte grubym drutem uzwojenie pierwotne (na nie podaje te 50V~ tranzystor kluczujący):


Uzwojenie wtórne (na nim generuje się impuls wysokiego napięcia):


Tyle oleju udało mi się z tej cewki odratować:

Uwagi: taki olej ze starych urządzeń może zawierać PCB (Polichlorowane bifenyle), które są szkodliwe, dlatego proszę uważać przy rozbieraniu cewek.

Wewnątrz była jeszcze taka blaszka:


Podsumowanie.
Projekt generatora wysokiego napięcia z cewki zapłonowej uważam za udany. Po wielokrotnych testach różnych konfiguracji i spaleniu kilku elementów (w tym cewki) udało mi się uzyskać efekty znacznie przewyższające moje oczekiwania. Mój generator można by wykorzystać do różnych pokazów i doświadczeń z wysokim napięciem, ale o tym już w innym temacie.

Pozwoliłem sobie zmienić kolor ważniejszych informacji, na czerwony.
CMS