tiistai 28. heinäkuuta 2015

Tesla@home, osa I

Purimme nuoremman pojan kanssa juhannuksen jälkeen yhden mikrouunin. Mikrouunin keskeinen komponentti on magnetroni (kuvassa ylhäällä, jossa lukee "Panasonic"), joka on tietynlainen elektroniputki. Se synnyttää mikroaaltoja, ja tarvitsee toimiakseen korkeajännitteen. Korkeajännitteen synnyttämiseksi mikrouuneissa on aina muuntaja (kuvassa alhaalla), joka muuntaa verkkojännitteen (230V nimellisjännite, 50Hz taajuus) noin 2.3 - 2.5kV nimellisjännitteeksi, joka sitten syötetään magnetronille. Magnetronilla on napaisuus, eli sen käyttöjännite pitäisi olla tasavirtaa. Tämä saadaan aikaan diodin (ei kuvassa) ja kondensaattorin (oikealla alhaalla irroitettuna) avulla. Piiri käytännössä tuplaa jännitteen joka toisella syöttöjännitteen jaksolla: toisella puolikkaalla kondensaattori latautuu ja magnetronin yli ei ole jännitettä, toisella puolikkaalla ladattu kondensaattori on sarjassa magnetronin kanssa ja jännite on kaksinkertainen.

Teimme muuntajalla ensin yksinkertaisen Jacob's ladderin. Kyseessä on siis kaksi elektrodia, yleensä ohutta metallitankoa, jotka nousevat vierekkäin ylöspäin ja erkaantuvat samalla; tankojen välissä on alhaalla melko pieni rako, ja rako levenee ylöspäin. Kun alaosaan saadaan aikaan valokaari, tämä nousee ylöspäin ja pitenee. Ilmiö johtuu yksinkertaisesti siitä, että valokaari kuumentaa ilmaa ja muuttaa siitä osan plasmaksi. Tämä kuuma ilma pyrkii nousemaan, ja koska sähkö pyrkii kulkemaan sieltä, mistä se helpoimmin pääsee, purkaus nousee ylöspäin. Ohessa video wikipediasta. Tein oman videonkin, mutta valitettavasti en pysty sitä tässä jakamaan.

Koska isot pojat eivät tyydy pikkupoikien leikkeihin, päätin rakentaa Teslakäämin. Teslakäämissä korkeajännite toimii syöttöjännitteenä systeemille, jossa on ensiönä LC-värähtelijä, eli kelan ja kondensaattorin muodostama piiri. Toisiona on suurehko heliksin muotoinen kela (eli sylinteri, jonka ympärille on kiedottu lankaa niin, että lankaa on vain yhdessä kerroksessa ja se kulkee tasaisesti sylinterin päästä päähän). Toision kelan toinen pää on kytketty maahan, ja toisessa päässä on jokin sopiva varausta pitävä elektrodi, yleensä donitsin muotoinen (ko. muoto on edullinen tietyistä syistä joihin en tässä nyt mene). Elektrodin ja maan välille muodostuu pieni kapasitanssi, jolloin myös toisio on värähtelijä.

Värähtelijät on Teslakäämissä kytketty toisiinsa siten, että toision kela on ensiön kelan sisällä, kuten kuvissa yleensä näkyy. Ideana on, että värähtelijöiden ominaistaajuudet ovat samat, jolloin syntyy resonanssi. Ensiön värähtelijää syötetään korkeajännitteellä siten, että piiri on ensin auki ja syöttöjännite lataa kondensaattoria. Kun jännite nousee riittävän korkeaksi, eli kun kondensaattori on latautunut, piiri sulkeutuu ja värähtelijä värähtelee vaimenevasti ominaistaajuudellaan. Piiri avautuu ja kondensaattori ladataan uudelleen.

Klassinen ratkaisu kytkennälle on kipinäväli. Siinä siis LC-piiri on "auki"-tilassaan sarjassa suoraan syöttöjännitteelle. Syöttöjännitteen lähtöjen välissä on kipinäväli, jossa tapahtuu purkaus, kun kondensaattorin jännite kasvaa riittävän isoksi, ja tämä sulkee piirin. Valitettavasti se myös samalla oikosulkee muuntajan, ja tämä johtaa hetkittäin melko suuriin virtoihin muuntajassa. Omassa ensimmäisessä vedoksessani esimerkiksi sain muuntajan melko kuumaksi. Onneksi se ei kuitenkaan kärähtänyt.

Ongelmaksi tulee resonanssin saavuttaminen. Teoriassa kummankin piirin taajuudet voidaan laskea; tarvitsee vain tuntea kelojen dimensiot (pituus, paksuus, jne) ja kapasitanssit, ja tästä saadaan ominaisvärähtelytaajuus. Ongelmana on, että pääsääntöisesti mitä pienempi toision kela on, sitä korkeampi on sen taajuus. Ensiölle pitäisi siis saada vastaava taajuus. Tämä tarkoittaa pientä kapasitanssia ja pientä induktanssia kelalla. Esimerkiksi mikron oma kondensaattori on auttamattomasti liian suuri. Tein ensivedoksen kyseisellä kondensaattorilla ja vessapaperirullasta tehdyllä toisiolla, mutta toisiolta tuli vain muutaman millimetrin mittainen kipinä.

Tein isomman toision, mutta sekin on vielä sangen aneeminen. Kondensaattoreiden kohdalla tuli vähän miettimistä. Konkkien pitää kestää reilusti korkeampia jännitteitä kuin se 2.3kV. Kokeilin 3kV keraamisia 2.2nF konkkia, mutta sain vasta jälkikäteen tietää että niiden käyttäytyminen korkealla taajuudella ja isoilla jännitteillä on ns. aunarista. Näinollen päätin tehdä kondensaattorit itse. Puolen litran limsapullon ympärille kääritään alumiinifoliota, se täytetään suolaliukosella ja korkin läpi suolaliuokseen työnnetään elektrodi. Alumiinifolio toimii toisena levynä, suolavesi toisena ja pullon muovi eristeenä. Jännitteenkeston pitäisi olla useita kilovoltteja. Laittamalla kaksi tällaista pulloa rinnan, sain kapasitanssiksi 5.3nF.

Seuraavana projektina on mitata toision resonanssitaajuus oskilloskoopin avulla. Palaan tähän toisessa kirjoituksessa, johon laitan myös lisää kuvia.


8 kommenttia:

Tapio Peltonen kirjoitti...

Hahaa, hieno projekti. Kiva nähdä, ettei tällainen askartelu ole täysin kadonnutta kansanperinnettä.

Mikroaaltouunin verkkomuuntajasta (leikkaamalla ja naputtelemalla ja kiroilemalla toisiokäämin pois ja käämimällä uudelleen pari kierrosta PAKSUA kuparikaapelia, tyyliin auton apukäynnistyskaapelia) saa muuten näppärän pistehitsauslaitteen. Jännitettä pari volttia, ampeereja julmasti.

Jarmo Puntanen kirjoitti...

TV:eiden ja kuvaputkimonitoreiden suurjänniteosasta löydät muovipohjaisia 1-2kV kondensaattoreita (0.1-2 nF) aina noin kourallisen per laite. Ne on myös suunniteltu pulssikäyttöön.

Tiedemies kirjoitti...

Jarmo, tiedän tämän; tässä on yksi ongelma kuitenkin, ja se on se, että uudemmissa monitoreissa kaikki korkeajännitekomponentit on sullottu sinetöityyn muoviboksiin, jota on todella vaikea avata, melkeimpä mahdotonta.

Jarmo Puntanen kirjoitti...

Näin ei ole, säteen vaakapoikkeutuspiireissä on runsaasti aivan tavallisia kondensaattoreita, usko pois. Ne liittyvät vaakapoikkeutuksen geometrian korjauspiireihin.

Tuo mainitsemasi muoviboksi on ns kaskadi, diodien ja kondensaattoreiden tikapuukytkentä, joka moninkertaistaa vaakapoikkeutuspiirissa kulkevat säteenohjauksen paluupulssit kuvaputken tarvitsemaksi 20 kV anodijännitteeksi. Samasta kaskadista otetaan kuvaputken fokusjännite. Uudemmissa laitteissa kaskadi ja juovapäätemuuntaja ovat samassa paketissa. On olemassa myös TV-rakenne (IPSALO), jossa samassa kasassa on vielä laitteen oma virtalähdekin.

Tiedemies kirjoitti...

Poikkeutuspiirien konkat eivät ole kovin järeitä jännitteenkestoltaan. Purin yhden nokialaisen, ja siellä noissa poikkeutuspiirillä olevat konkat ovat max 1kV, useimmat 400V.

Tiedemies kirjoitti...

Mutta hei, otin tuon juovamuuntajan erikseen ja näyttää siltä että siitäkin voi rakentaa kaikenlaista pientä kivaa. Saan lisäksi vielä kolmannen mikrouunin muuntajan lähiaikoina, joten ajattelin että rakennan ehkä useammankin teslakäämin jossain vaiheessa. Tosiaan näyttäisi siltä, että noissa on joissain hiukan erilaiset pinnitykset, eli pitää selvittää mistä nappuloista menee syöttöjännite ja missä on ulostulon maa. Valitettavasti se mötikkä oli sellaisessa kohdassa että oli hankalaa päätellä piirilevyltä mikä niistä on maa ja mistä tullaan sisään, joten täytynee mittailla vähän.

Mitään isoja tehojahan noista ei saa, mutta 20kV tasajännitteellä saa jo jotain hauskaa varmasti tehtyä.


Jarmo Puntanen kirjoitti...

Joo sen juovamuuntajan luonnollinen olotila on monitoreissa noin 80-120 volttia (säädetty yleensä hakkurilla kovakoon mukaan, muuntajassa runsaasti väliulosottoja diodeineen ja lyytteineen apujännitteitä varten) ja ohjaus pulssimuotoisena 15-50 kHz (kuvakoon ja tarkkuuden mukaan). Ohjaus tapahtuu erityisellä korkeajännitetransistorilla (euroopp. merkintatavassa BU-alkuisia), jossa on mukana suojadiodi. Ellei homma ole trimmattu juuri oikein, transistori lähtee kuin pyy kuusesta. Helpointa lie sahata suoraan alkup levyltä irti mitä tarvitsee ja pitää myös itse poikkeutuskela "tyhjänä" kiinni piirissä.

Esim. Bebekillä on myynnissä runsaasti tuotannosta ylijäänyttä korkeäjännitekondensaattoria. Niitä voi kytkeä sarjaan ja kaksinkertaistaa jännitteenkeston, tosin kapasiteetti luonnollisesti puolittuu.



Ari kirjoitti...

Hieno projekti. Vielä kun itsekin jaksaisi jotain tommoista värkätä.