高壓電小玩意——高壓發生器，等離子蝕刻和電弧球

1   電路原理

高壓DIY之中，必不可少的器材是一個高壓發生器，依靠它可以玩出各種各樣的花樣。在淘寶上可以買到各種各樣的高壓模塊，小到電蚊拍，負離子發生器，大到電網捕獸機。但是對于我等DIYer來講，有什么比一個自行量身定做的可調高壓發生器更適合呢？

電路來源 ，在原圖基礎上稍有調整。

上圖是一個簡易高壓發生器，使用一塊固定頻率脈寬調制電路TL494產生方波信號控制MOS管Q1，Q1上的交變電流在通過串聯的黑白電視機高壓包T的時候升壓到2k~10kV，升壓后經高壓包次級串聯的高壓整流二極管半波整流，輸出帶直流分量的高頻高壓（或者說帶高頻紋波的直流高壓也行，兩者是一回事）。

作為專業的電源芯片（可以在一些電腦ATX電源里找到這枚上世紀80年代Ti推出的經典開關電源主控芯片），TL494具有豐富的功能，但這里只用了其中的一小部分。升壓電路使用了最為簡單的不帶磁復位的單管正激拓撲，并且沒有采樣反饋部分，事實上這里的TL494只相當于一個頻率和占空比可變的方波發生器，因此也可以用其他的方波振蕩電路，比如555集成電路或運放或晶體管構成的多諧振蕩器代替。

這個電路的幾個重點參數（它們對之后的調試很有用）如下：輸出方波的頻率由TL494的5腳對地電容和6腳對地電阻決定，fosc=1.1/（R1+RP2）?C2。方波占空比由RP1上的分壓決定，可以在0%~100%之間調節，進而調節變壓器的電流和輸出電壓。

TL494的工作方式細節

想進一步改進該電路的話， 更多可用的正激電源拓撲

2   材料準備

需要的電子器材：

其他設備：

大部分元件的寬容度很高，并不要求參數很準確，比如說1.6k或1.8k的電阻都可以用來代替R1。一些有特殊要求的器件如下：

3   焊接電路

焊接電路依照電路圖即可，難度不大。出于安全起見最好把高壓包和低壓部分分開，調試完成后再組裝到一起。

一些需要注意的小地方：

• 給MOS安上足夠大的散熱片并留出散熱片的空間。我有點后悔散熱片用小了，結果調試的時候由于發熱不敢加大MOS電流。
• 背面通過大電流的走線不能用小股銅線飛線，我用了大量的錫在萬能板上堆出電源線和地線。
• 高壓包的腳位：4腳是次級線圈的地線，2，5，6，7，8腳則是初級線圈。推薦選用5腳和8腳通入交流信號，但在這些腳中任選兩個都會在次級感應出高壓，可以根據實際電路中的表現選擇。當然，直接在磁棒上用導線自繞初級線圈也是可以的。
• 感興趣的話，這里有 高壓包引腳圖

4   調試高壓發生器

警告：調試的時候有高壓觸電危險，請千萬小心

• 首先調試低壓部分，先不插上芯片，接上電源以后用萬用表測試芯片插座上的供電電壓和電路各點電位，確認正常以后斷開電源接上芯片。
• 示波器這時候可以派上用場了，測量MOS管的柵極電壓，一切正常的話就能像我這樣在屏幕上看到方波波形——148.8KHz，12.4V峰峰值，一切正常。
• 接下來調節方波的頻率和占空比，記得之前說過的么？電位器RP1調節占空比，RP2調節頻率。把振蕩頻率調到120KHz左右，占空比約10%，然后進行下一步。斷開電源，接上高壓包 （千萬不要在帶電的時候干活） 。
• 這時候如果有一個能顯示實時電流的實驗電源會很好用，沒有的話就需要時刻注意散熱片溫度避免MOS過熱燒毀了。。。。把高壓輸出線擺到不會影響工作的地方，打開電源輸出，注意這時候的電流值。如果過大的話，馬上關掉電源，調節RP1減小方波占空比，然后再試。我最后把電流調節到了約600mA，如果需要更高的輸出電壓可以在散熱片允許的范圍里提高MOS管電流。

• 然后小心翼翼的拿起高壓包的輸出線（可以看到這是厚絕緣層的特制高壓線，拿幾cm以后的絕緣層，千萬不要碰到輸出線頭….），將線頭靠近高壓包4腳的引出線，看到藍紫色的美麗電弧了么？

5   等離子蝕刻

• 當高壓電極接近，極間電場接近空氣的擊穿強度時，就會擊穿空氣，產生明亮的電弧。空氣中電弧放電產生的等離子體為熱等離子體，電子溫度與氣體溫度大致相等，可達10³~10⁵K。運用它的局部高溫和高化學活性，可以用在燒蝕材料，熔煉金屬，表面處理等方面。把上一步中得到的藍紫色電弧引向白紙，可以看到紙張表面碳化，電弧瞬間燒出了一個小洞。

• 更進一步的電弧展示在一個水蜜桃上（蘋果梨之類帶一定水分的水果都行）進行，將水蜜桃與次級線圈的地線相連，接著就可以用高壓輸出線的尖端對桃子放電，產生的電弧燒蝕碳化果皮，在上面形成黑色的焦痕。由于電弧的高溫，被碳化的只有表層，里面仍然是水靈靈的果肉，普通的火焰可做不到這一點。工作時的電弧實際呈黃色，這是因為果皮中的部分成分受熱氣化混入等離子體的緣故。只要材料有一定的導電性（例如瓜果肉菜，被打濕的皮革），就可以用這種方法在上面刻字。
• 順便，在這里可以體會一下前面為什么一直要求注意安全：雖然這個高壓發生器功率不大，危險性相對而言不是很高，但要在不小心觸電時在皮膚上留下焦黑的痕跡和彌漫的烤肉氣味還是沒有問題的……

6   電弧球

• 淘寶上出售的成品電弧球 圖片來源

• 或許你在網上或者科技館見到過圖上這樣的電弧球，球里漂亮的極光翩翩起舞，當把手指放到上面時還會出現一條隨著手指尖端移動的絢麗電弧。歸根結底這也是等離子體的功勞，玻璃球中的低壓氣體在高電壓下輝光放電（注意，和之前空氣中電弧的弧光放電不同）會隨氣體不同產生美麗的光芒，實際上這也就是霓虹燈的發光原理。在電弧球中有一個高壓發生器，高頻高壓的電極一端通到玻璃球內的球形電極，另一端接地。當手指接觸玻璃球時，電流從玻璃球內電極-氣體-玻璃球殼-人體-大地形成回路，于是就產生了隨手指移動的漂亮放電電弧。由于球殼與人體間的電容很小，通過的交變電流也極小，因此對人沒有危險。
• 通過以上的原理分析，很容易發現在已經有了高壓發生器的前提下，只需要一個充填了稀薄氣體的帶電極玻璃球就可以自制電弧球。一個很好的器材是老式的透明電燈泡，以前國內生產的40w以下電燈泡通常抽真空（并且限于技術真空度還略差。）用來做這個再好不過。可惜的是現在的燈泡多數充填氮氣和氬氣，買到的菲利普燈泡在高壓下并不能放電……
• 但是我在意想不到的地方找到了一個替代品，就是日光燈啟輝器中的玻璃泡。泡中充填了少量氬氣，高壓放電時發出藍色光，非常漂亮。唯一的問題就是玻璃泡的體積太小，玩起來不小心的話很容易觸電，想和正牌的電弧球一樣做成擺設是不可能了……

• 某位筒子向我推薦了發橘紅色光的充氣穩壓電子管WY-3P，我手頭沒有所以沒法實驗，有這玩意的筒子感興趣的話可以自行玩玩XD。

7   總結

在這個電路的基礎上，還有很多可以改進的地方。

改進電路拓撲可以大大提高工作效率，加入反饋電路和輸出濾波電容則可以得到帶穩壓的可調高壓電源。最為令人興奮的想法還是在磁棒上重繞初級線圈，這樣可以在高壓包上獲得15kV級別的電壓，這樣可以獲得更為壯觀的等離子電弧，同時還可以為我計劃中的靜電飄升機提供備選電源。

同時，調整占空比可以控制電弧放電的電流大小（也是電弧產生熱量的多少），占空比的快速變化足以引發電弧周圍空氣的快速熱脹冷縮，從而發出聲音：這是等離子揚聲器的原理，由于只有極小質量的空氣振動，從而具有極好的高頻響應。理論上說在拉出穩定電弧的情況下，在TL494的4腳加載音頻信號就可以獲得調制的電弧發聲（ 實例 ），但在實驗時這個自制高壓發生器發出的聲音音量極小，推測可能是高壓發生器的功率不夠，原來的電弧電流太小的緣故。要改進這一點不僅需要改裝高壓包，還需要更換散熱片和MOS管，工作量稍微大了些。現在它被排在我的計劃隊列里，等到有好消息的時候我會再來的。