Odpaľovanie vodivých predmetov a ovocia obrovským impulzným prúdom z kondenzátorov o veľkej energií v jednotkách kJ.

      Explodujúce veci sú jednoduché a zábavne. Stačí dať vodivý predmet medzi elektródy kondenzátorov a zopnúť to buď mechanicky alebo cez výkonové tyristory.

      Vzorec na výpočet energie v kondenzátoroch, kapacita vo faradoch:

---

1. Kondenzátorová batéria 1,48uF/33kV – cca 800J

      Táto kondenzátorová batéria pôvodne slúžila a bola skladaná pre iný účel a to pre Lichtenbergove obrazce na vodnej hladine s veľkou energiou impulzu. Avšak bola by veľká škoda, toľkú energiu v kondenzátoroch nevyužiť aj na odpálenie niečoho, už keď som mal toľko veľkých kondenzátorov rozložených na stole, ktoré bude treba neskôr rozobrať a spratať. Vzhľadom na veľkosť napätia (>30kV) pri nízkej kapacite (1,48uF), kedy tvar impulzu prúdovej špičky bude veľmi vysoký v krátkom čase s veľmi strmým nárastom prúdu, mi prišlo najvhodnejšie skúsiť odpaľovať ovocie. Tu by som veľmi hrubšie vodiče neodpálil, ale ovocie mi prišlo, ako ideálny kandidát. Kondenzátory som nabíjal na 30kV, čo je energia 666J, maximálne som neskôr šiel do 33kV, čo už je 800J. Pár fotiek celej zostavy krabicových TESLA kondenzátorov 1uF 12/25kV= [datasheeet] s VN transformátorom (PTN) na nabíjanie a ďalšími drobnosťami, viac o zapojení nájdete v inom článku o Lichtenbergovych obrazcoch tu nech sa znovu neopakujem, pre ktoré som to primárne celé skladal a popisoval bližšie celé zapojenie.

• 
• 
• 
•  

      Pár zaujímavých snímkou z videa explodujúceho pomaranča, jablka, výboja do betónu chodníka, záblesk výboja do pomaranča. No najlepšie je aj tak si pozrieť video aj so spomalenými zábermi točeného s 240fps kamerou.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

      Takýto lichtenbergový obrazec ostal vypálený na šupke banánu po výboji. Prúd nešiel priamo cez banán, ale výboj sa plazil po šupke. Následne v krátkom čase, celý banán sčernel, začal sa roztekať a zhnil.

• 
•  

 

---

2. Kondenzátorová batéria 15000uF/700V – 3675J

      Druhá kondenzátorová batéria vznikla viac menej spontánne aj keď niečo také, som už dlhšie mal v pláne a myšlienku v hlave. Podarilo sa mi náhodou dostať k trom kusom výkonových tyristorových modulov aj s diódou v puzdre SKKH 162/16E s impulzným prúdom 5,4kA. Teoretický s troma tyristormi paralelne za ideálnych podmienok a pri ideálnom delení prúdov medzi ne, je to až 16,2kA v pulze do 10ms. Prakticky som sa držal do 13kA a pulz vychádzal pod 4ms. O meraní prúdového impulzu neskôr dole v článku.

      Kondenzátory sú 4ks Itelcond 15000uF/350V zapojené sériovo-paralelne s výslednou hodnotou 15000uF/700V s energiou pri 700V až 3,675kJ. Nabíjam ich na 650 - 660V, čo je energia okolo 3,2kJ. Kondenzátory sú poprepájané medenou pásovinou v dvoch vrstvách aj s tyristormi v kombinácií s 16mm2 káblom. Na TESLA mostíku namerané hodnoty kondenzátorov v celku: C=15mF, tg_delta=0,069 a ESR=7,32mR.

• 
• 
• 
•  

      Elektronika na riadenie tyristorov je jednoduchá rýchlo zbastlená na kontaktnom poli a potom prehodená na univerzálnu dosku. Cieľom bolo vytvoriť jeden presne definovaný impulz o presnej dĺžke pulzu s nastaveným prúdom pre jednotlivé gejty tyristorov. Zároveň je tam zabezpečená ochrana pred rýchlim zopnutím tyristorov po sebe, x pulzov po sebe, LED kontrolky o zapnutí elektroniky a impulzu do tyristorov. Ochrana s prepínačom pre nabíjanie alebo odpálenie kondenzátorov cez tyristory, aby nemohol nastať odpal pri pripojenom transformátore počas nabíjania. Dĺžku pulzu mam teraz nastavenú okolo 10ms s prúdom 333mA. Držím sa pri hornej hranici prúdu pre hradlo a nie spodnej minimálnej. Celá riadiaca elektronika je napájaná z 4x Li-Ion pre oddelenie od zvyšku elektroniky vzhľadom na horné umiestnenie tyristorov nad cievkou a pre väčšie množstvo Li-Ion, ktoré mám doma, bolo to najjednoduchšie a najrýchlejšie riešenie.

      Tyristor sa otvára lavínovite od gejtu (riadiacej elektródy) do celej plochy PN prechodu a rýchlosť šírenia prúdovej hustoty po PN prechode je konečná, tým sú veľké strmosti priepustného prúdu (di/dt) pre tyristor nebezpečné. Príliš veľké strmosti (di/dt) vedú k prehrievaniu miesta prechodu PN, kde vedenie prúdu začína, teda v blízkosti riadiacej elektródy, odkiaľ sa priepustnosť PN plochy šíri lavínovite a môže dôjsť v danom mieste k deštrukcii a zničeniu tyristora. Zvlášť nebezpečné sú vysoké strmosti nárastu prúdu pri vysokých blokovacích napätiach v rádoch 100-1000V a viac, kde vznikajú veľké lokálne zapínacie straty. V mojom prípade je to napätie medzi 650-700V. Na prípustnú strmosť priepustného prúdu (di/dt) tyristora pôsobia veľmi výrazne parametre riadiaceho prúdového impulzu (amplitúda, dĺžka, strmosť nárastu impulzu). Je to dané tým, že riadiaci impulz ovplyvňuje veľkosť počiatočnej plochy prechodu PN, ktorá je schopná viesť prúd. Pri väčších hodnotách amplitúdy riadiaceho prúdu, pri väčšej strmosti nárastu riadiaceho prúdu a pri dostatočne dlhom čase trvania impulzu riadiaceho prúdu sa schopnosť tyristora preniesť veľký nárast strmosti prúdu (di/dt) zväčšuje. Ak by aj napriek tomu, malá byť strmosť nárastu prúdu (di/dt) cez tyristor väčšia než je prípustná kritická hodnota, je nutné túto strmosť znížiť sériovou cievkou s vhodnou indukčnosťou pre spomalenie strmosti nárastu prúdu cez tyristor.

• 
• 
• 
•  

      Z tohto dôvodu na odpaľovanie tenkých drôtov, alobalu a iných vodivých predmetov, sa musí zaradiť do série prídavná cievka pre zníženie strmosti nárastu prúdu a tiež limitáciu výšky prúdovej špičky pod 13kA (v mojom prípade pre dané tyristory), ako ochrana tyristorov pred strmosťou nárastu prúdu a výšky impulzu indukčnosťou a odporom cievky. Pri deformácií plechoviek v cievke, či coilgune na odpaľovanie projektilov pridávna cievka nie je nutná, vtedy je nežiaduca. No pri odpaľovaní predmetov už je potrebná, inak by v obvode bola prinízka indukčnosť a odpor, čím narastie prúd razantne nahor a zvýši sa strmosť, čo bude mať deštruktívne následky pre tyristory. Nemôžu sa kondenzátory úplne na priamo skratovať cez tyristory. Taktiež, sa aspoň trochu šetria samotné kondenzátory. Na fotkách dole používaná sériová cievka vinutá na keramike s 10mm2 káblom. Musel som cievku polepiť páskou a posťahovať poriadne niekoľkými sťahovacími pásikmi, inak sa rozpadávala cievka a trhala sťahovacie pásiky. Jej indukčnosť je 13,35uH a odpor 17mR. A fotka z osciloskopu priebehu impulzu prúdu meraného na bočníku 1mR zaradeného pod cievkou (pozri nižšie schému zapojenia). Prevod je 0,2V=2kA, špička prúdu dosahuje tesne pod 13kA s vybitím kondenzátorov čisto do tejto cievky. Potom sa už len pod cievkou pripojí čokoľvek, čo má explodovať, odpariť sa a pod. :)

• 
• 
• 
•  

      Tak si to zhrňme, pomocou TESLA mostíka som pomeral celkové odpory a indukčnosti v obvode aj s prídavnou cievkou. Vrátane všetkých vodičov v obvode aj s prechodovým odporom tyristorov určeného podľa datasheetu. Výsledok porovnal so simuláciou na falstad.com a porovnal s tým, čo som meral s osciloskopom na bočníku. Pekne to sedí a tu sú namerané hodnoty. Čas t v tabuľke je čas strmosti prúdu z nuly do I_max.

Namerané hodnoty:

Celý obvod + cievka:
R	=	26mR
L	=	15uH
t	=	500us
Ipk	=	12,5kA
Prídavná cievka:
R	=	17mR
L	=	13,35uH
Obvod bez cievky:
R	=	9mR
L	=	1,65uH
t	=	200u
Ipk	=	36,8kA

      Bez prídavnej sériovej cievky ak by som chcel odpaľovať predmety, vychádza strmosť prúdu 200us, čo by ešte malo byť ok, ale výška prúdu ide až na 36,8kA ! Počítané a simulované pri napätí 660V na kondenzátoroch.

      Meranie prúdového impulzu prebiehalo na bočníku 40A, 40mV, 1mR. No pri tak veľkom prúde sa ukázala slučka uzemňovacieho vodiča osciloskopickej sondy, ako celkom problém a skresľovalo to meranie. Na ľavo priebeh, ktorý som meral na slučke, ako na druhej fotke z ľava. Použil som cvaknutý tienený 12cm kúsok vodiča zo starej už napäťovo prerazenej čínskej sondy na predĺženie, aby som sa so sondou dostal ďalej od bočníka a nevytvoril tam slučku. Takto meranie už bolo OK.

• 
• 
• 
• 
•  

      Nakoniec schéma celého zapojenia a finálne fotky celého zariadenia už nachystané a používané na odpaľovanie vodivých predmetov. Bočník som v tomto prípade už skratoval pásovinou.

• 
•  

• 
• 
• 
• 
•  

Deformácia a drvenie plechoviek – „Can crushing“

      Prvá vec, čo ma asi najviac zaujímala aj keď nie je tak „efektná“, ako doslova odpaľovanie drôtov či iných predmetov. Bola deformácia a drvenie plechoviek, čo na zahraničných weboch nájdete pod „can crushing“. To sa realizuje vybíjaním kondenzátora cez pár závitovú cievku omotanú tesne okolo hliníkovej plechovky napr. od piva či energy drinku. Je potrebná veľká špička prúdu do cievky z ktorej sa indukujú prúdy v plechovke, tie ju magnetický ohrievajú a rozdrvia do seba. Nakoniec sa ukázalo, že aj keď energie mám tu fakt dostatok, tých 3,2kJ na ktoré som nabíjal kondenzátory pri 650V by teoreticky malo tú plechovku roztrhnúť na 2 kusy. Prakticky mi to plechovky len minimálne deformovalo do seba. Problém je nakoniec nie v energii, to by stačil aj 1kJ, no problém je v nízkej špičke prúdu a pomalej strmosti nárastu prúdu (di/dt). Potreboval by som kondenzátory na vyššie napätie pri menšej kapacite, energia je OK. Chcelo by to jednotky kV, zhruba tak 3-5kV pri desiatkach uF, aby som dosiahol pri vybití do cievky vhodný tvar impulzu. To znamená dostatočnú výšku v desiatkach kA s veľkou strmosťou nárastu prúdu (di/dt). Bavíme sa tu už o takých hodnotách napätí a strmosti prúdov, kedy už sú tyristory na spínanie nepoužiteľné. Tu sa už používajú vhodne riešené výkonové mechanické spínače. Naopak na druhej strane, ak by napätie bolo až príliš vysoké pri malej kapacite, hoc pri zachovaní energie, znova by som plechovku nezdeformoval do seba. Mal by som pre zmenu síce vysoký prúdový impulz v desiatkach kA, no až s príliš krátkym časom celého impulzu. Čo bol presne prípad prvej kondenzátorovej batérie 30kV/1,48uF. Tiež výsledky boli zlé a pre deformáciu plechoviek nepoužiteľné.

      Tu sú moje pokusné výsledky. Skúšal som 3 rôzne cievky, kedy pri každej som sa už dostal na hranicu možností daných tyristorov, čo sa týka spínania veľkosti prúdov. Skúšal som najprv 3 závitovú cievku s hrubým vodičom, potom 10 závitovú (7,5uH a 28mR) v jednej vrstve a nakoniec 9 závitovú (9uH a 19mR) v troch vrstvách. Stále som sa dostával nad 12kA a nad 3kJ pri napätiach nad 600V, a aj napriek tomu to bolo stále nedostatočné, práve pre vyššie spomínané problémy s tvarom impulzu. Dole fotky cievok a plechoviek. Tie zdeformované plechovky sú až po niekoľkých odpaloch kondenzátorov do cievky, nie na prvý krát. Priebehy na osciloskope, ten zdeformovaný škaredý priebeh impulzu prúdu, je pri 10z cievke, kedy sa pri impulze cez 3kJ zborila cievka do seba. Priebeh impulzu meraný v čase deformácie cievky do seba. Ďalší priebeh už je s ďalšou 9z cievkou, ktorá odolala cez 3kJ energiu impulzu. Prevod stále platí rovnaký 0,2V=2kA. Pokračovanie niekedy nabudúce s inými kondenzátormi :)

• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

Odpaľovanie Cu/Fe drôtov a kúsky alobalu

      Nakoniec po plechovkách niečo viac efektné, odpaľovanie medených a oceľových drôtov rôznych dĺžok, odpaľovanie alobalu a tenkého lakovaného 0,25mm drôtu. Celé rozložené za domom, mobil a zrkadlovka na statívoch nastavené z dvoch uhlov pre točenie videa a dole povyberané jednotlivé snímky z videa.

• 
• 
• 
• 
•  

Alobal:

      Podľa šírky a počtu nahromadených a ohnutých vrstiev alobalu sa buď celý kus alobalu doslova odparil (malá plocha), čo na niektorých snímkach vidieť, ako biely dym alebo ho roztrhalo a časť kusu alobalu vystrelilo dopredu (veľká plocha, veľa vrstiev).

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

Medený drôt:

      Používal som tu rôzne dĺžky 1,5mm2 drôtu a tenšieho asi 1mm2 drôtu. Ten ostával celý a časť z neho roztrhlo, roztavilo na letiace roztavené guľôčky medi alebo len na spojoch to strelilo. Čím kratší kúsok, tým väčšia explózia.

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

Oceľový drôt:

      Oceľový drôt sa ukázal byť najefektnejší. Znova rôzne dĺžky, čím kratší, tým väčšia a hlučnejšia explózia. Oceľ ma oveľa vyšší merný elektrický odpor v porovnaní s meďou, čiže vzniká na danom kuse drôtu väčšia výkonová strata, čo takmer vždy viedlo k úplnému roztaveniu celého kusu drôtu, ktorý následne explodoval s letiacimi roztavenými guľôčkami do priestoru.

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

Medený lakovaný 0,25mm drôt (200cm, 100cm, 50cm):

      Nakoniec test odpálenia lakovaného 0,25mm drôtu rôznych dĺžok 200cm, 100cm a 50cm.

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

Video alobal + medený drôt:

 

Video oceľový drôt + dlhý tenký medený drôt: