魔幻水晶球的原理及制作 选修课程 6页

揭秘魔幻水晶球我们平时在饰品店见到的会发出奇异光的魔幻水晶球实际上是等离子球。等离子球又被称为电子魔球，辉光球，魔灯，闪电球，电离子魔幻球等。它是采用高新科技最新研制的高级灯饰工艺品。等离子体可以电离“气体”（即物质的第四态），形成带负电的空气离子。当负离子与空气中的病菌细胞结合后，病菌细胞会因结构的改变而死亡，另外负离子还可通过和漂浮在空气中带正电荷的烟雾灰尘结合，使其失去活性后自然沉淀，从而达到净化空气的目的。（原理相当于闪电）。这么神奇的水晶球，那现在就让我们一起走近它，揭开它的神秘面纱吧！一、等离子球的构造及工作原理等离子球外观为高强度透明玻璃球壳，球内充有稀薄的惰性气体，玻璃球中央有一个黑色球状电极。球的底座内有一块震荡电路板，此电路通过电高压包，（也即高压发生器，高频高压的电极一端通到玻璃球内的球形电极，另一端接地），将低压直流电（USB接口的输入电压通常为5~12V）转变为高压高频电压加在电极上。通电后，震荡电路在电极上产生高频高压电场，球内稀薄气体受到高频电场的电离作用会产生辐射状的辉光，绚丽多彩。当用手（人与大地相连）触及球时，电流从玻璃球内电极-气体-玻璃球壳-人体-大地形成回路，球周围的电场、电势分布不再均匀对称，于是就产生了随手指移动的漂亮放电电弧。而且由于球壳与人体间的电容很小，通过的交变电流也极小，因此对人没有危险。二、制作电弧的电路原理图 上图是一个简易高压发生器的电路原理图，使用一块固定频率脉宽调制电路TL494产生方波信号控制MOS管Q1，Q1上的交变电流在通过串联的黑白电视机高压包T的时候升压到2k~10kV，升压后经高压包次级串联的高压整流二极管半波整流，输出带直流分量的高频高压（或者说带高频纹波的直流高压也行，两者是一回事）。作为专业的电源芯片（可以在一些电脑ATX电源里找到这枚上世纪80年代Ti推出的经典开关电源主控芯片），TL494具有丰富的功能，但这里只用了其中的一小部分。升压电路使用了最为简单的不带磁复位的单管正激拓扑，并且没有采样反馈部分，事实上这里的TL494只相当于一个频率和占空比可变的方波发生器，因此也可以用其他的方波振荡电路，比如555集成电路或运放或晶体管构成的多谐振荡器代替。这个电路的几个重点参数（它们对之后的调试很有用）如下：1、输出方波的频率由TL494的5脚对地电容和6脚对地电阻决定，fosc=1.1/（R1+RP2）•C2。2、方波占空比由RP1上的分压决定，可以在0%~100%之间调节，进而调节变压器的电流和输出电压。综上两点为：RP2调节频率，电位器RP1调节占空比。三、材料准备： 大部分元件的宽容度很高，并不要求参数很准确，比如说1.6k或1.8k的电阻都可以用来代替R1。一些有特殊要求的器件如下：�电位器：普通的电位器就能用，但如果想精确调整的话，推荐使用多圈可调电位器。为了调节方便，还需要一把小螺丝刀。�MOS管：这里用的是IRF540。用其他MOS管替代的话，要求Vdss在80V以上，Vth的最小值在2V~4V，导通电阻尽可能小（IRF540是0.077欧），同时做好散热片配备。特别要说的一点是，一些高性能的MOS（比如主板上的供电MOS）由于Vth的最小值过低（它们能在很低的栅压下导通，在大部分情况下这是优点），用在这个电路上容易误触发导致占空比调节困难（RP1稍一调整电流就急剧上升），所以使用替代器件时一定要注意参数。高压包：使用黑白电视机的8脚高压包。如果只是产生高压玩玩，可以直接用原有的初级线圈，或者是直接在磁棒上重绕初级线圈来提高输出电压。彩电的高压包不适于这一电路，因为它们的初级设计电压是220V，需要根据匝数对它们进行改装才好用。但是它们的输出电压比黑白电视机高不少，在制作20~40kV输出的高压产生器时少不了它们。四、焊接电路 焊接电路依照电路上图即可，难度不大。出于安全起见最好把高压包和低压部分分开，调试完成后再组装到一起。一些需要注意的小地方：1、给MOS安上足够大的散热片并留出散热片的空间。我有点后悔散热片用小了，结果调试的时候由于发热不敢加大MOS电流。2、背面通过大电流的走线不能用小股铜线飞线，我用了大量的锡在万能板上堆出电源线和地线。3、高压包的脚位：4脚是次级线圈的地线，2，5，6，7，8脚则是初级线圈。推荐选用5脚和8脚通入交流信号，但在这些脚中任选两个都会在次级感应出高压，可以根据实际电路中的表现选择。当然，直接在磁棒上用导线自绕初级线圈也是可以的。五、调试高压发生器 1、首先调试低压部分，先不插上芯片，接上电源以后用万用表测试芯片插座上的供电电压和电路各点电位，确认正常以后断开电源接上芯片。2、示波器测量MOS管的栅极电压，正常情况如上图屏幕显示的方波波形——148.8KHz，12.4V峰-峰值，一切正常。3、接下来调节方波的频率和占空比。把振荡频率调到120KHz左右，占空比约10%，然后断开电源，接上高压包（千万不要在带电的时候干活）。4、这时候如果有一个能显示实时电流的实验电源会很好用，没有的话就需要时刻注意散热片温度避免MOS过热被烧毁。把高压输出线摆到不会影响工作的地方，打开电源输出，注意这时候的电流值。如果过大的话，马上关掉电源，调节RP1减小方波占空比，然后再试。需要更高的输出电压可以在散热片允许的范围里提高MOS管电流。5、然后小心翼翼地拿起高压包的输出线（可以看到这是厚绝缘层的特制高压线，拿几cm以后的绝缘层，千万不要碰到输出线头），将线头靠近高压包4脚的引出线，此时将会看到蓝紫色的美丽电弧。六、制作等离子球通过上面的等离子球的构造及工作原理分析，在已经有了高压发生器的前提下，只需要一个充填了稀薄气体的带电极玻璃球就可以自制电弧球。一个很好的器材是老式的透明电灯泡（以前国内生产的40w以下电灯泡通常抽真空），现在已不常见，但是现在可以使用日光灯启辉器中的玻璃泡作为替代品。泡中充填了少量氩气，高压放电时发出蓝色光，非常漂亮。唯一的问题就是玻璃泡的体积太小，玩起来不小心的话很容易触电，所以为了安全起见，还是购买正版的等离子球体。