Плазменный световой меч – ЧАСТЬ 1
Данная глава рассказывает, как создать инновационный продукт, который обеспечивает необычную специфическую демонстрацию световых эффектов. Он выполнен в виде светового меча из фильма «Звездные войны» (рис. 21.1) и использует недавно запатентованное явление с «движущейся плазмой» (наш патент #5,089,745). Управление этим эффектом достигается просто, когда вы берете в руки рукоятку меча. Никакой переключатель не используется. Возбужденная плазма (электрически возбужденный газ, дающий видимый свет) движется по мечу, освещая его по всей длине по мере движения. Эффект значительно усиливается в темноте и, если пользователь правильно им управляет, производит впечатляющее действие: луч света управляемой длины выходит из трубки-рукоятки устройства и продолжается в пространстве. Визуальный эффект демонстрации особенно силен в условиях слабого освещения.
Рис. 21.1. Световой меч
Рассчитывайте потратить от 25 до 35 долларов на этот устрашающий и заманчивый демонстрационный проект. Ниже даны подробные инструкции по его выполнению; все специфические детали, печатную плату (РСВ) и плазменную трубку можно приобрести через сайт www.amasingl .com. Спецификация устройства приведена в табл. 21.1.
Таблице 21.1. Спецификация для плазменного лазерного меча
Резистор 5,6 МОм, 0,25 Вт (зеленый-синий-зеленый)
Резистор 1 Юм, 0,25 Вт (коричневый-черный-красный)
Резистор 2,2 кОм, 0,25 Вт (красный-красный-красный)
Резистор 4,7 кОм, 0,25 Вт (желтый-пурпурный-красный)
Резистор330Ом, 0,25 Вт (оранжевый-оранжевый-коричневый)
Пластиковый 1и ♦ 10 мкФ, 25 В
Пластиковый кпн> т: ^ 0,022 мкФ, 250 В
Металл-полипропиленовый «соидемсоторО,! мкФ, 400 В
Транзистор р-п-ртипа PN2907GP
Транзистор п-р-п типа PN2222GP
ФЦ шй тпононольтный л
Соединитель (коннектор) с зажимами для батарей
Печатная плата РСВ
Скоба теплоотасда и винты #6*4 дюйма
7,5 см монтажного проегуу* для соединения с контактами Т1
30 см витого провода в виниловой изоляции #24
Лексановые прокладки 3,81 (внешний диаметр)х2, 54 (отверстие)хО, 16 см
Лексановая или аналогичная прозрачная или цветная пластиковая трубка75×2,54(внешний диаметр)х0,16 см
Гибкие прозрачные виниловые прокладки 2,22х0,95(отверстие)х0,32 см
Пластиковая крышка 2,54 см
Пгастию * тя крышка 4,13 см с отверстием 2,54 см
Черная пластиковая крышка 4,13 см
Полоски адгезивной металлической ленты с возможностью пайки 5,08×0,64см
Черная пластиковая рукоятка 28×4,13 см
Специально изготовленная плазменная трубка 66 см диаметром 1 см
Теоретические основы роботы схемы
Система использует высокочастотный плазменный источник питания высокого напряжения, который требует только один электрод или внешний емкостной электрод для подачи питания на вход трубки демонстрации плазменного разряда (рис. 21.2). Внешний емкостной эффект значительно уменьшает стоимость изготовления этой плазменной трубки, поскольку не требуется внутреннего электрода или уплотнения перехода «стекло – металл». Также исключаются все заземления или электрические обратные провода, необходимые в обычных системах.
Плазменный разряд после запуска продолжается в пространство без какого- либо видимого обратного соединения. В действительности высокочастотные токи протекают через емкостной импеданс плазменной трубки и пространство вокруг нее, где стеклянный корпус служит разделяющим их диэлектриком. Пользователь, касаясь рукой управляющих клавиш, образует другую пластину этого виртуального конденсатора.
Схема генератора, вырабатывающего высокое напряжение, состоит из транзистора Q3, подключенного по схеме генератора Хартли. Положительная обратная связь (ПОС) для образования режима генерации обеспечивается подключением в цепь коллектора первичной обмотки трансформатора PR1 и цепь базы
Рис. 21.2. Принципиальная схема плазменного светового меча
обмотки FR, причем обмотки подключены встречно, что обеспечивает работу обмоток в противофазе и выполнение условий ПОС.
1енератор получает питание от батарей В1 и В2. Ток базы транзистора Q3 ограничивается резистором R4, база смещается в область проводимости резистором R3. Конденсатор СЗ фильтрует низкочастотные помехи частотой около 100 Гц. Частота генератора на Q3 определяется резонансом параллельного контура, образованного индуктивностью первичной обмотки PR1 и емкостью накопительного конденсатора С4. Она составляет 110 кГц (соответственно период повторения равен 9 мкс (см. рис. 21.2)).
Выход Q3 контролируется с помощью изменения проводимости транзистора Q2 смещением его базы пилообразным сигналом транзистора Ql. С2 фильтрует все высокочастотные сигналы переключения на общую линию схемы. Это решение обеспечивает правильное соответствие между возбужденной и невозбужденной плазмой, обеспечивая размер плазмы при демонстрации.
Ток через Q1 и, следовательно, питание Q3 контролируются стабилизатором напряжения Q1-Q2. Транзистор Q1 работает, когда через резистор R2 течет базовый ток. Это происходит, если пальцы пользователя одновременно касаются двух внешних клавиш, смещая Q1 в точку, зависящую от сопротивления контакта, замыкаемого пользователем. Под действием сенсорного (от касания) эффекта вырабатывается пилообразный переменный сигнал, который управляет током через транзистор Q2, контролируя таким образом выходные параметры Q3 – его напряжение и частоту. Поскольку вся энергия управляется за счет контакта с пальцами пользователя, конденсатор С1 пропускает все внешние сигналы, которые могут вызвать преждевременный запуск, a R1 контролирует диапазон чувствительности необходимого сопротивления контакта для полного запуска, а также линейность пилы.
Устройство можно выполнить в виде двух секций: демонстрационного блока и блока питания. При повреждении или поломке трубки плазменного разряда их легко разделить. Мы должны также учесть возможность использования трубок с другими газами, дающими различные цветовые эффекты.
Демонстрационная секция устройства может состоять из неоновой или иной газовой трубки длиной 30-90 см с малым диаметром. Для демонстрационной трубки необходим только один электрод, что исключает лишние затраты. Эта внутренняя газовая трубка помещается внутри прозрачной или цветной пластиковой трубки, которая служит ее механической защитой и обеспечивает усиление визуального эффекта за счет своих диффузионных, отражательных и дифракционных оптических свойств.
Порядок изготовления устройство
На рис. 21.3 показана разводка дорожек печатной платы для тех, кто хочет изготовить собственную печатную плату РСВ. При изготовлении устройства выполните следующие этапы:
1. Разложите и идентифицируйте все компоненты, детали конструкций и сверьте их со спецификацией. Учтите, что некоторые компоненты могут иметь отличные от указанных в спецификации номиналы. Это допустимо, поскольку все компоненты имеют допуск 10-20%, если не указано иначе.
Рис. 21.3. Разводка печатной платы РСВ с печатными дорожками и контактными площадками
2. Идентифицируйте между собой выводы на основании трансформатора Т1 и на плате, как показано на рис. 21.4.
3. Вставьте компоненты в печатную плату PCBF5 (см. рис. 21.4). Имейте в виду, что у вас должно оставаться по меньшей мере 0,32-0,64 см выводов между компонентами и поверхностью платы. Также обратите внимание
Рис. 21.4. Размещение компонентов на плате
на полярность С2 и правильное расположение выводов транзисторов Q1 и Q3. Выполните паяные соединения и отрежьте лишние провода. Подключите трансформатор Т1 с использованием коротких отрезков монтажного провода и прикрепите его к плате с помощью клейкой ленты. Затем присоедините выводы для батарей В1 и В2. Натяжение с этих проводов снимается, когда они проходят через отверстия на сторону травления платы. Припаяйте провода 28 см для контактных клавиш, расположенных на корпусе трубки. Их можно будет укоротить позднее. Проверьте точность сборки, качество пайки и т.д.
4. Возьмите неоновую трубку NE26 длиной 30-90 см, как показано на рис. 21.5. Обратите внимание, что трубка показана только с одним внутренним электродом. Внешний электрод состоит из куска металлической ленты, намотанной на трубку, и также участвует в работе. Конструкция с внутренним электродом работает немного лучше, поскольку внутренний импеданс здесь становится только активным (резистивным).
Имейте в виду, что для большинства любителей сборка трубки является практически невыполнимой задачей и ее, возможно, проще приобрести по номеру в спецификации. Припаяйте трубку к сборочной плате (см. рис. 21.5) и закрепите с помощью силиконового каучука RTV. Вставьте кусок виниловой трубки между трубкой и печатной платой для защиты трубки от возможного повреждения вследствие удара о печатную плату.
5. Подключите две батареи 9 В или преобразователь напряжения 9 В. Батареи подключаются параллельно для подачи большего тока и, следовательно, большего ресурса работы без замены.
Рис. 21.5. Вид рукоятки в рентгеновских лучах
6. Вы можете проверить схему, подключив амперметр последовательно с батареями, сейчас он должен показывать 0. Изменяйте диапазон амперметра шагами по 50 мкА. Он должен по-прежнему показывать 0. Имейте в виду, что если ток в этом тесте постепенно расходует батарею, то это означает, что происходит утечка через транзистор или имеет место ошибка в соединениях.
7. Установите диапазон амперметра 300-400 мА и при необходимости измените полярность. Установите контакт между (+) и (-) проводами клавиш. Неоновая трубка полностью загорится, и амперметр покажет ток 300 мА Пожалуйста, обратите внимание на тестовые точки (см. рис. 21.2), если вы испытываете сложности при настройке. Объяснения даны в разделе, касающемся дополнительных тестовых точек.
8. Попробуйте установить контакт между этими точками с помощью сопротивления вашего пальца и убедитесь в частичном включении неоновой трубки. Увлажните палец, если кожа сухая. Это подтверждает правильную работу электроники.
При сухих руках может возникнуть необходимость сильнее сжимать рукоятку, в то время как влажные руки обеспечивают полный запуск плазмы при легком касании.
Порядок сборки устройство
При сборке устройства выполните следующие действия:
1. Отрежьте пластиковую трубку 75 см с внешним диаметром 2,54 см для корпуса, как показано на рис. 21.6. Подровняйте внешние края и очистите их от заусенцев. Красная прозрачная трубка значительно усилит зрительный эффект при использовании красного неонового газа.
2. Изготовьте четыре кольцевых прокладки из куска прозрачного гибкого винила 0,16 см (см. рис. 21.6). Эти прокладки располагают неоновую трубку NE26 по центру пластикового корпуса и обеспечивают частичную защиту устройства при неосторожном обращении. Центральные отверстия кольцевых прокладок должны обеспечивать плотное прилегание к поверхности неоновой трубки, а внешний диаметр обеспечивать плотный контакт с трубкой корпуса. Кольцевые прокладки должны быть размещены на демонстрационной трубке NE26, как показано на рисунке. Для этих деталей можно использовать и другие материалы.
3. Изготовьте три кольцевых адаптера (см. рис. 21.6). Внешний диаметр должен обеспечивать их плотное размещение внутри рукоятки НА1. Отверстие 2,54 см должно располагаться точно в центре адаптеров и плотно охватывать трубку корпуса. Адаптеры располагаются и приклеиваются к корпусу (см. рис. 21.5).
4. Изготовьте крышку САР2 с отверстием в центре 2,54 см и поместите ее на сборку корпуса трубки (см. рис. 21.5). В надетом состоянии открытая сторона крышки должна располагаться достаточно близко к переднему кольцевому адаптеру.
Рис. 21.6. Сборка демонстрационной трубки, корпуса и прокладок
В данном проекте используется лезвие меча из трубки 60 см. Вы можете использовать трубку длиной до 90 см, но при этом необходимо увеличить корпус на дополнительные 30 см и добавить 2 прокладки. Все остальные компоненты поддерживают такой вариант «лезвия меча». Все варианты «лезвий меча» можно приобрести через сайт www.amasingl .com.
5. Изготовьте рукоятку НА1 из плотного поливинилхлорида (ПВХ или аналогичного материала) 4,13×0,16 см и длиной 25,4 см. Просверлите два небольших отверстия диаметром 0,16 см, как показано на рис. 21.5, для выводов управляющих клавиш. Их положение не критично и вы можете расположить их по своему усмотрению.
6. Вставьте сборку NE26 (см. рис. 21.6) с кольцевыми прокладками в корпус, как показано. Можно упростить это действие, если увлажнить внутренние стенки корпуса, дунув в него и быстро вставив трубку. Работайте в перчатках для предотвращения травмы в случае поломки трубки из стекла.
7. Вставьте указанную выше сборку в рукоятку НА1, при этом передний кольцевой адаптер входит в рукоятку примерно на 0,64 см (см. рис. 21.5). Вы можете приклеить его или оставить так для возможной последующей разборки. Наденьте крышку САР2, как показано. Имейте в виду, что это может потребовать определенных усилий, поскольку крышка надевается очень туго и ее не обязательно приклеивать.
8. Вооружившись терпением и используя свою изобретательность, пропустите провода управляющих клавиш через отверстия в НА1 (см. рис. 21.5). Наложите зачищенные концы на рукоятку с небольшими кусочками металлической ленты, как показано. Электрический контакт с металлическими контактами создается именно за счет этого наложения. Вырежьте панельки соответствующей формы.
9. Вставьте две новые щелочные или литиевые стандартные батареи 9 В, два зажима для батарей в рукоятку. Закрепите батареи с помощью пенорезины. Закройте конец рукоятки крышкой САРЗ. Проверьте устройство, касаясь пробников и наблюдая действие устройства. Убедитесь, что теплоотвод эффективен и сильно не нагревается.
10. Соберите все устройство, как показано на рис. 21.7, наденьте все крышки, приклейте ярлыки. А теперь развлекайтесь, и да пребудет с вами великая сила Маклауда Дункана. Побудьте немного ребенком и помашите световым мечом, но только осторожно – он стеклянный.
Рис. 21.7. Вид готового плазменного меча
Тестовые точки и предложения по поиску неисправностей
Ниже приводятся некоторые измерения, помогающие протестировать устройство:
• измерьте напряжение 9 В постоянного тока в точке ТРА и на линии СОМ. Если предыдущий тест не удается, проверьте соединения и правильность
расположения компонентов. Не перепутайте транзисторы Q1 и Q2, поскольку они разной мощности – Q2 более мощный, чем Q1;
• измерьте напряжение постоянного тока между точкой ТРВ и линией СОМ, оно будет равно О В;
• закоротите контакты пробника А и В и измерьте напряжение 8-9 В постоянного тока в точке ТРВ;
• если демонстрационная трубка на загорается, тщательно проверьте правильность соединений и расположения элементов.
Газовые трубки длиннее 75 см могут потребовать батареи питания 12 В для получения эффекта по всей длине трубки.
Электронная сборка и батареи удобно размещаются в рукоятках для фотовспышек производства Graphlex и Heiland. Обратитесь на предприятия-изготовители по поводу этих деталей, которые обычным путем нелегко найти.
Чертежи в этой главе показывают устройство, построенное на базе демонстрационной трубки 70 см. Система спроектирована для использования трубки любой длины до 90 см. Единственная модификация при этом – длина трубки внешнего корпуса и изменение количества кольцевых прокладок. Стандартные длины трубок – 30, 70 и 90 см.
Управляющие клавиши можно заменить переменным сопротивлением 1 мОм, совмещенным с переключателем для изменения длины разряда. R1 при этом должен иметь величину 46 кОм.
Устройство будет работать от двух щелочных батарей, соединенных параллельно для удвоения тока, время работы составляет около 5 ч при 50% включении устройства. Две литиевые батареи стоят дороже, но обеспечивают восемь часов работы. Предлагается использование никель-кадмиевых аккумуляторных батарей Varta#TR 7/8 на 9,8 В. Время работы двух батарей без зарядки составляет почти 1ч [16] .
Устройство на основе красной неоновой трубки длиной 90 см может потребовать питания 12 В, которые можно получить с помощью восьми элементов АА для полного включения устройства. Вы также можете использовать две ячейки AAA, последовательно соединенные с установленными двумя батареями 9 В. Соединения показаны выше (см. рис. 21.2). Этот подход обеспечивает соответствие с указанными рукоятками для фотовспышек. Тщательно проверяйте температуру корпуса теплоотвода для Q3. Теплоотвод не должен сильно греться, в противном случае выключите и проверьте устройство.
Источник
