HF VTTC IV - GU5B

Mierne šialené pokusné zapojenie vysoko prúdového VTTC, resp. vysoko frekvenčného VTTC napájaného 4kVA transformátorom z radaru pri použití elektrónky GU-5B. Plazmový plameň dosahuje výšky až 40cm !

      High Frequency VTTC alebo vysokofrekvenčné VTTC (niekde uvádzané tiež, ako RF VTTC/RF flame/VF flame) je veľmi podobné klasickému VTTC s tým rozdielom, že oscilátor kmitá na vysokých frekvenciách zvyčajne medzi 10-30MHz a vytvára nie klasické výboje, ale doslova „plazmový plameň“. Pracuje s menším napätím a veľkým prúdom. Na oscilátor stačí aj jedna malá niekoľko závitová cievka s odbočkami pre napájací VN zdroj, anódu elektrónky a na spodku cievky odbočka pre mriežku g1. Práve pre vysokú frekvenciu nad asi 10MHz, čo je zhruba približná hranica + vzhľadom na výkon, kedy tečú do vzduchu už natoľko veľmi veľké kapacitné prúdy, že vytvárajú výboje už nie klasické fialové na ktoré sme zvyknutý pri bežných VTTC, ale mohutnú žltú plazmu o veľmi vysokej teplote. Tiež vďaka takto vysokej frekvencií, výboj nemá problém sršať do vzduchu aj pri oveľa menšom napätí. Pri týchto vysokých frekvenciách a dostatočnom výkone už dokonca postačuje úplne aj napätie samotného VN napájacieho zdroja pre výboj do vzduchu, aj napríklad priamo z anódy elektrónky. Cievka oscilátora je zapojená ako autotransformátor, zvyšujúca cievka. Takže na výstupe je len o niečo vyššie napätie, ako je napätie na VN zdroji a anóde elektrónky. Taktiež v závislosti od výkonu HF VTTC bude závisieť tvar výboja a či to bude plameň. S filtrovaným napájaním aj pri menšom výkone docielime malý, no pekný plazmový plameň (pozri moje predošlé menšie HF VTTC). Ak však pri malom výkone použijeme 100Hz napájanie bez filtrácie alebo násobič (50Hz pulzy), už to veľmi plameň nebude a môžu sa začať objavovať a prevládať viac klasické krútené výboje. Ak je výkon dostatočne veľký prípadne v spojení s ešte vyššou frekvenciou, tak aj pri 50Hz pulzoch z násobiča to bude stále plazmový plameň, pravdaže už iného charakteru, no stále to bude „plameň“. Dole v článku tiež pekne vidieť na fotkách, ako mi už začínali vyskakovať aj viac klasické výboje do strán z cievky ak som už klesol na 10MHz a napájal som VF plazmový plameň 50Hz pulzmi z násobiča. Skúsil som rôzne varianty napájania, tak krásne vidieť na fotkách a videách, kedy a ako sa to správa.

      Takýto HF VTTC plazmový plameň spôsobuje veľké rušenie v okolí oscilátora a môže sa prenášať rušenie aj po 230V sieti. V okruhu niekoľko metrov bude rušiť elektroniku, mobil, PC (stačí odpojiť klávesnicu, myš, prípadne ďalšie zariadenia cez USB), rádio, televízor, wifi router... Nie je to úplne stabilný oscilátor, takže spôsobuje širokopásmové rušenie plus na harmonických. Vytvorená VF zem (kus plechu na fotkách) v ceste na kolík PE by mala čiastočne pohltiť rušenie od oscilátora. Spodok oscilátora a katódu elektrónky je nutné uzemniť na PE a zároveň cez blokovací kondenzátor 4n7 12kV KVI-3 sa zemní na zem rezonančná cievka – preto v ceste ešte ta VF zem. Avšak 98-99% výkonu sa nevyžiari, ale pohltí a spotrebuje na plazme výboja. Ja prevádzkujem tento HF VTTC na stole hneď vedľa osciloskopov, meracích prístrojov, zdrojov a PC. No vzhľadom na ešte TN-C sieť a chýbajúci PE vodič som si natiahol kábel od svetla a uzemňujem HF VTTC na PEN svetelného okruhu, nech to pre istotu nejde do rovnakej zásuvky na rovnaký PEN s meracími prístrojmi a PC, ktorý mám vždy zapnutý aj pri zapínaní TC. Jeden večer sa mi s tým podarilo zrušiť (nie zničiť, ani poškodiť) v celom dome elektroniku a o poschodie nižšie zmätkoval PC, vypadol internet cez wifi, celý router spadol, vypadol TV signál... :]. No susedia sa báť nemusia, pre nich je to už ďaleko. Bol to nejaký chybný stav oscilátora, buď to nejako divne kmitalo alebo vypadávali oscilácie. Vo finále to mám vyladené na 40cm vysoký plazmový plameň a jediné, čo mi v dome ruší je môj PC hneď 2 metre vedľa HF VTTC – stačí mi odpojiť klávesnicu z USB, myš nie je problém a nesmiem mať pripojený mobil cez USB. Použil som elektrónku GU-5B [datasheet1, datasheet2], čo je 2,5kW trióda.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

K výboju ani iným častiam zariadenia sa nepribližovať a nedotýkať !! Nie je tu klasicky oddelená sekundárna cievka – rezonančná cievka, jej výstup je priamo spojený s výstupom VN zdroja !! Akýkoľvek dotyk živých častí a preskok výboja z cievky do ruky je smrteľný !! Vysoké napätie VN zdroja a najmä v rezonančnom okruhu preskakuje na značné vzdialenosti ! Toto nie je klasické zapojenie VTTC so sekundárnou cievkou, kde je možné dať ruku do výboja !! Zariadenie spôsobuje širokopásmové rušenie do okolia, v okruhu niekoľkých metrov spoľahlivo zaruší mobil, PC, wifi a inú elektroniku. Rušenie sa môže šíriť po sieti k inej elektronike !

      Teraz jednotlivé varianty zapojenia a výsledky...

1. verzia – CW napájanie 13,5MHz

      Prvé pokusné zapojenie bolo s mostíkovým usmernením VN transformátora a filtráciou 9u2. Ako filtrácia použitý veľký krabicový TESLA olejový kondenzátor 8u s odmeranou kapacitou 9u2. Mostíkový usmerňovač je vyskladaný s celkového počtu 60ks diód 1N5408 pre 15kVp 3A. V tomto zapojení s filtráciou je a aj bude plazmový plameň stále najmenší, ale zároveň tichý s hustou plazmou. Pri malom výkone HF VTTC, slabom napájacom VN zdroji, napájaní zo siete, pri slabej elektrónke atď. je to v podstate nutnosť – mostíkovo usmerniť a vyfiltrovať napájanie pre dosiahnutie čistého plazmového plameňa. Tu prichádza tiež problém pri použití najbežnejšieho a najdostupnejšieho VN zdroja – MOTu. Jadro MOTu je nutné uzemniť a tu nastáva problém s mostíkovým usmerňovačom, jediná možnosť je nájsť si vhodný MOT, ktorému je možné odzemniť jadro alebo použiť MOT s plastovou izoláciou, ktorý ma obe konce VN vinutia vyvedené hore na plaste cez fastony. Takýto MOT s plastovou izoláciou som použil na predošlom HF VTTC III s GK-71. U tohto zapojenia som už nepoužíval žiadne MOTy, ale veľký dvojpólovo izolovaný transformátor z radaru na približne 4kVAC o výkone 4kVA. Keďže už samotný transformátor je dvojpólovo izolovaný úplne tu odpadá problém s mostíkovým usmernením. Výkon som reguloval cez autotransformátor maximálne do 180V na vstupe pre VN transformátor. Pri tomto zapojení myslím, že som ani nešiel až k 180V vzhľadom na veľký príkon zo siete. Len asi nejako do 100-140V. Neskoršie vyradenie filtrácie znížilo príkon a mohol som ísť ešte vyššie s napätím.

      Netreba zabúdať na veľmi podstatnú vec a to je meranie a sledovanie jednosmerného mriežkového prúdu do mriežky g1. Je nutné si vypočítať maximálny mriežkový prúd pre konkrétnu elektrónku a túto hodnotu neprekračovať (držať sa pod limitom výkonovej straty Pg1). Tiež pri vypadávaní oscilácií či nejakom zvláštnom kmitaní oscilátora môže sa prudko zvýšiť mriežkový prúd, nutné sledovať a prípadne rýchlo stiahnuť výkon nadol regulačným autotransformátorom. Tu nie je vhodný žiadny digitálny merák, nutné použiť nejaký malý ručičkový panelový merák.

      Pre rezonančnú cievku som použil holý odizolovaný drôt prierezu 1,5mm2 navinutý na kostričke tvaru X zo sklotextitu (FR-4), odleptané DPS a zlepené dokopy sekundovým lepidlom. Neskôr som vinul ďalšie cievky na rovnaký materiál a kostru, no už s holým drôtom prierezu 2,5mm2. Vhodný materiál je potom ešte keramika. Nejaké keramické valce, tyče a pod. Pri tejto cievke pre HF VTTC vôbec nie je jedno, aký materiál sa použije na kostru cievky, keďže tu ide už o dosť vysokú frekvenciu pri veľkom výkone v desiatkach MHz. Cuprextit (zvyčajne hnedá DPS), odpadové rúry pre klasické VTTC, silový vodič s izoláciou.. všetky takéto materiály len zvyšujú VF straty a nehovoriac o ich veľkom tepelnom ohreve. Najlepšie sú pravdaže cievky s medzerami a nie závit vedľa závitu. Existujú aj postriebrené drôty pre výkonové cievky, tie sú ideálne. Prepájacie vodiče v rezonančnom obvode od cievky k elektrónke by mali byť hrubšieho prierezu, ako samotná rezonančná cievka. Niektorý používajú dokonca aj medené pásoviny na prepojenia v rezonančnom okruhu.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

2. verzia – 100Hz napájanie 14,5MHz (23cm výboj)

      Netrvalo dlho a skúšal som to ďalej ladiť, no teraz som vyradil preč filtračný kondenzátor 9u2 a znova pomenil odbočky cievky. Vyradením filtračného kondenzátora sa tiež zlepšil účinník, klesol príkon a mohol som ešte vyššie vytočiť regulačný autotransformátor až na plné napätie 180V pre VN transformátor. Mierne som zmenil odbočky, zlepšil sa účinník vyradením filtrácie, získal som pulzy 100Hz s mostíkového usmerňovača a hneď sa to všetko odzrkadlilo na plazmovom plameni. Dosť slušne sa predĺžil plazmový plameň nahor, neviem koľko cm bol výboj predtým, no teraz je výška 23cm. Tiež frekvencia stúpla asi o 1MHz nahor z 13,5MHz na 14,5MHz.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

3. verzia – 50Hz napájanie z násobiča

      Pokračujeme ďalej, teraz namiesto mostíkového usmerňovača pridaný rovno jednocestný zdvojovač. Aj keď som si bol vedomý toho, že so zdvojovačom budú výboje najväčšie, chcel som si vyskúšať postupne rôzne varianty napájania plazmového plameňa, aby som videl, ako sa to správa, ako to vyzerá a pod. Tu je zasa výhoda ak musí mať VN transformátor napr. MOT uzemnený studený koniec sekundárneho vinutia. Plazmový plameň sa pravdaže znova predĺžil, opäť bolo nutné preladiť cievku a impedančne prispôsobiť na oveľa vyššie napätie, prispôsobiť a doladiť podľa príkonu zo siete, mriežkového prúdu a veľkosti plazmového plameňa. Vzhľadom na veľký výkon s elektrónkou GU-5B a dostatočne výkonný VN transformátor aj napriek 50Hz pulzom z násobiča (uvedomiť si, že pulz z násobiča trvá dlhší čas, ako len 50Hz pri jednocestne usmernenom VN transformátore), je to stále plazmový plameň aj keď už, ako je vidieť na fotkách, objavujú sa tu rôzne bočné klasické krútené fialové výboje. Čo je práve spôsobené násobičom a taktiež myslím, že mi tu vypadávali oscilácie a nejako zvláštne to kmitalo. Tiež na osciloskope bolo vidieť dosť zvláštny a zdeformovaný priebeh. Netrvalo dlho a prerazil som kompletne blokovací kondenzátor 4n7 12kV KVI-3, ktorý sa veľmi nezvykne prerážať a vydrží toho fakt veľa. Pri vypadávaní oscilácii tam môžu vznikať aj 20kV špičky. Kondenzátor prerazilo nielen po povrchu, ako je vidieť na fotkách, ale aj vnútorne kompletne prebilo. Teraz mám z neho prskavku pri zapnutí. Aspoň som stihol nafotiť dosť zaujímavé fotky. Príkon zo siete bol medzi 3,5 – 3,6kVA (okolo 180V 20A – VN transformátor nie je pre 230V). Výboje mi skákali aj rôzne do strán, dokonca zasiahli aj diódového hada v násobiči, čo je aj vidieť na videu.

• 
• 
• 
•  

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

4. verzia – 50Hz napájanie z násobiča 10MHz (30cm výboj)

      Našťastie som našiel doma ešte iný diskový keramický kondenzátor KVI-3 s hodnotami 1n 16kV, tak som tam dal tento. Na prvý pohľad vyzerá dosť malý, keď si vezmem, ako prebilo ten predošlý veľký disk. No tento zatiaľ drží úplne bez problémov, ale hlavne, už mi to normálne kmitá a nevypadávajú oscilácie, aj na osciloskope už vidím relatívne pekný sínus. Hneď sa to odzrkadlilo aj na charaktere a dĺžke výboja resp. plazmového plameňa. Teraz dosahujem výšku 30cm priamo z elektródy bez použitia soli, sódy a pod. Zmenil som blokovací kondenzátor, mierne sa zmenila poloha vodičov, cievky a hneď to už normálne kmitá a celé sa to inak správa. VF je niekedy pekná sviňa :]. Príkon zo siete do 3,6kVA. Oscilátor kmitá na 10MHz. Viac už len povedia fotky dole.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

Pridanie na hrot sódy bikarbóna

      Ak sa pridá na hrot elektródy sóda bikarbóna alebo soľ, tak sodík farbí plazmu do žlta. Tiež to má tendenciu mierne predĺžiť plazmu nahor do dĺžky. Uprednostňujem radšej sódu, ako soľ. Lepšie sa prilepí na mokrý hrot, ako kryštalická soľ.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

Výboj priamo z anódy elektrónky

      Ako som aj spomínal na začiatku článku. Pri takto veľkom výkone HF VTTC a ešte k tomu pri použití násobiča na napájanie, už sa dá zapáliť plazmový plameň dokonca aj priamo z anódy elektrónky. Ono vlastne pri ostrom drôte ani netreba nič zapaľovať a naskočí hneď výboj sám. Pravdaže neladil som obvod pre čo najdlhší výboj práve z anódy, tak ako to bolo vyladené, tak som to nechal a len zapichol drôt do anódy. Také menšie blbnutie a pár ďalších fotiek :].

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

5. verzia – nová menšia cievka 11MHz, výboj 40cm !!

      Ešte stále to nie je koniec a pokračujeme ďalej. Spravil som ďalšie dve pokusné cievky. Obe už vinuté s hrubším drôtom o priereze 2,5mm2 (predtým len 1,5mm2). Prvú úzku a vysokú (30z), druhú širokú a nízku (25z). Prvá úzka a vysoká s 30z pracovala úplne zle, výboj úplne malý, slabá účinnosť, malý výkon a meraný priebeh osciloskopom so sondou vo vzduchu bol tiež veľmi zaujímavý. Vzhľadom na kontinuálne budenie sa priebeh mal ustáliť na jednej stálej frekvencií v maxime, ale amplitúda medzi periódami kolísala a kolísala aj frekvencia. Nešlo to vyladiť, no potom som sa nato rovno vykašľal a skrátka spravil ďalšiu novú cievku. Teraz už širokú a nízku s ešte menším počtom závitov – 20z. Prvá pôvodná už spálená verzia cievky v ľavo na fotke má 35z. Tá úzka a vysoká bola fakt úplne zlá a nevhodná. Chce to nízke cievky s blízko závitmi pri sebe a široké. Tým sa dosiahne lepšej väzby, prenosu a účinnosti. Viď fotky dole cievok a priebehov meranými sondou vo vzduchu. Prvé dva priebehy sú s úzkou a vysokou cievkou, posledný priebeh je už ten správny s druhou širokou cievkou, ktorá už tam aj ostala.

• 
• 
• 
• 
• 
•  

      Cievka by už bola, teraz nastal problém so zvyšujúcim sa výkonom a ešte silnejším opaľovaním, tavením a stekaním elektródy. Skúšal som rôzne skrutky, medené elektródy, mosadzne elektródy o rôznych hrúbkach, no všetko sa buď okamžite tavilo, stekalo alebo ak držalo, tak veľmi silno a jasno svietilo, až sa do toho nedalo pozerať. Nakoniec som našiel predsa niečo vhodné a to hrubú uhlíkovú elektródu vybratú z veľkej 1,5V batérie. Pri tejto elektróde sa síce najhoršie zapaľuje výboj, no už keď sa stabilne zapáli a horí, tak uhlík sa netaví, nesteká a nesvieti. Ani z neho priveľmi neubúda, takže zatiaľ ostáva uhlík. Uhlíková elektróda je o rozmeroch 8x57mm.

      Prvé výsledky s novou cievkou, funguje znateľne lepšie. Lepšia účinnosť, výkon, prenos... pri rovnakom príkone 3,6kVA, ako predtým mám teraz ešte väčšie výboje už okolo 35cm a s podstatne väčším prúdom v plazme. Fotky a video s momentálnym nastavením a vyladením.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

Zmena napájania – teraz priamo na 400V

      Pokračujeme ďalej. Vzhľadom na dosť veľký príkon, mäkkú sieť a poklesy, prerobil som napájanie HF VTTC. Teraz idem na 2 fázy na 400V. Pripojenie na 400V sa opäť dosť odzrkadlilo na výkone a dĺžke plazmového plameňa. Teraz mám príkon 4kVA a dĺžka výboja ide až na 40cm ! Využil som veľký 5kVA oddeľovací transformátor 230/230V, ktorý som pripojil na 400V s cievkami do série. Napätie sa rozdelilo na 200V a 200V. Na jednu cievku som pripojil regulačný autotransformátor RA10 a získal som regulovateľné napätie od 0V do 200V resp. 0 – 230V (0-250V variak). Teraz mám regulovateľný zdroj 0 – 230V priamo z dvoch fáz na 400V, no čo si viac priať na tesláky ! :]. Dole aktuálna a už finálna schéma, potom fotky zapojenia a napájacích transformátorov.

• 
• 
• 
• 
•  

      Prvá várka fotiek, fotené s uhlíkovou elektródou (8x57mm). Výboj sa horšie zapaľuje, no už keď horí je stabilný a netaví koniec elektródy. Tiež sa nerozžeraví do červená, takže sa dá do toho pozerať. Sú tam zamiešané ku koncu aj fotky so sódou bikarbóna.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

      Ďalšia várka fotiek je s hrubou skrutkou, ako elektróda. Koniec sa silno rozžeraví do červená až biela, začne sa taviť, horieť a stekať dole. Sem tam odprskne kúsok kovu do strany. Raz mi tak dokonca ešte na predošlej cievke stiekla meď z 4mm medenej elektródy na cievku a vyskratovala závity. V tom momente nastal preskok výboja z anódy elektrónky dole do sieťky pred ventilátorom a spadol dole istič. Tak som oslobodzoval závity spod slzavej kvapky medi :]. Pri takejto kovovej elektróde je potom aj väčší smrad v miestnosti vďaka vznikajúcim plynom – nutné vetrať !

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

Na záver posledné finálne video 40cm plazmového plameňa z uhlíkovej elektródy

Posledné doplnenie videí z experimentov

      Ešte neskoršie doplnenie videí z experimentov pred rozobratím zariadenia. Demižón plnený argónom za bežného tlaku napojený na výstup cievky, veľká neónová výbojka z návestidla pre lietadla v blízkosti cievky a klasická plazmová guľa vedľa cievky. Plazmová guľa úplne zmenila farbu plazmy oproti originálu pri takto vysokej frekvencií.