Niskotemperaturowa plazma zyskuje coraz szersze komercyjne zastosowania w przemyśle m.in. do modyfikowania powierzchni materiałów. Pozwala na precyzyjne czyszczenie zabrudzonych elementów, aktywację plazmową powierzchni, wytrawianie podłoży krzemu oraz pokrywanie elementów związkami chemicznymi w celu modyfikacji i zmiany ich właściwości fizykochemicznych. Wytwarzanie m.in. warstw hydrofobowych oraz hydrofilowych.
Zwrócono się do naszej pracowni z zamówieniem na wykonanie eksperymentu sprawdzającego możliwość wygenerowania plazmy, nie w komorze próżniowej, jak to robiono dotąd, ale w powietrzu pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym. Zleceniodawca w komorach próżniowych na tworzywach sztucznych osadza warstwy materiałów, które zmieniają właściwości danego elementu, jednak rozwój firmy i zmiana skali produkcji wymusza budowę coraz większych komór, a co za tym idzie coraz większych kosztów produkcji zmniejszających opłacalność.
Oczywiście nie odkrywamy tu Ameryki, bo takie urządzenia istnieją, jednak są stosunkowo drogie. Naszym celem jest zbudowanie taniej, prostej w eksploatacji i nieskomplikowanej maszyny. Zatem pierwszym pytaniem, jakie sobie postawiliśmy było: "co nam jest potrzebne by wytworzyć plazmę pod ciśnieniem atmosferycznym ?" Odpowiedź: wysokie napięcie ! przede wszystkim. Jednak, wysokie napięcie jest niebezpieczne !, a nasze urządzenie ma służyć ludziom i nie narażać ich na utratę zdrowia lub życia. Zatem kolejne pytanie: "co zrobić z tym wysokim napięciem by nie stanowiło śmiertelnego zagrożenia ?", ano zrezygnować z napięcia stałego i zastosować napięcie zmienne a najlepiej bardzo szybkozmienne. Dlaczego ? Odpowiedzią jest efekt naskórkowy czyli zjawisko pełzania prądów w.cz. po powierzchni przewodnika nie wnikając do środka. Opisałem to przy budowie nagrzewnicy indukcyjnej w dziale magnetyzm i SSTC w dziale wysokie napięcie.
Jednak wysoka częstotliwość to nie tylko podniesienie bezpieczeństwa. Pomoże nam ona w wytwarzaniu plazmy !. Gdy mamy do czynienia z wysokim napięciem stałym, elektrony wyrywają się z katody i podążają w kierunku anody zderzając się po drodze z atomami gazu, jonizują je. Te dodatnie jony płyną do katody i pod ciśnieniem atmosferycznym nie jest łatwo gaz zjonizować, ze względu na dużą gęstość powietrza i niską emisyjność elektronów z katody. Jednak, gdy mamy do czynienia z prądem przemiennym i katoda jest raz z jednej a raz z drugiej strony, to następuje generowanie ciepła w wyniku strat Joule’a (kolizje elektronów i cząsteczek obdarzonych ładunkiem pomiędzy sobą i z otaczającymi cząsteczkami neutralnymi z wydzieleniem ciepła), a w konsekwencji jonizacja zderzeniowa i powstanie plazmy niskotemperaturowej. Im wyższa częstotliwość tym zjawisko jonizacji nasila się.
Zatem zaczniemy od budowy zasilacza wysokiego napięcia wysokiej częstotliwości i tu chyba najlepiej sprawdzi się transformator Tesli w wersji elektronicznej. Na początek najprostsza wersja z jednym tranzystorem mocy MOSFET w roli przerywacza. Poniżej przedstawiam schemat pierwszej wersji generatora do zasilania transformatora.
Rys. 1 Schemat ideowy generatora do zasilania transformatora Tesli.
Nasz generator jest właściwie końcówką mocy z separowanym galwanicznie wejściem sygnału z dowolnego generatora. Część mocy zbudowana jest na bardzo szybkim tranzystorze mocy Mosfet CC1217 oraz driverze renomowanej firmy IXYS o symbolu XDD414. Driver ten ma czasy włączenia i wyłączenia na poziomie kilkudziesięciu nanosekund oraz prąd w impulsie 12A.
Rys. 2 Driver tranzystora MOSFET XDD414.
Przy tej kostce, wszystko to, co stosowane było od lat w cewkach tesli może się schować. Jako ciekawostkę dodam, że IXYS wyprodukował jeszcze szybsze i mocniejsze drivery, jednak na obecną chwilę żaden z nich nie jest w naszym kraju dostępny. Drugi kluczowy element mojego układu - tranzystor MOSFET CC1217 jest całkowitą zagadką :), nie znam jego parametrów, nie udało mi się znaleźć żadnych informacji na jego temat. Pozyskałem go z generatora mocy dużej częstotliwości od urządzenia medycznego. Jak się później okaże tranzystor na pewno ma napięcie na złączu przynajmniej 1200V, co najmniej kilkanaście amperów prądu i dużą prędkość przełączania. Wrócimy jeszcze do tego.
Rys. 3 Moduł mocy do zasilacza w.cz.
Powyżej wykonana płytka PCB generatora, wszystkie przewody mocy doprowadzone będą za pomocą konektorów śrubowych, jest ich sporo bo do płytki musimy doprowadzić zasilanie, wyprowadzić wyjście no i podłączyć zewnętrzny kondensator stabilizacyjny. On również będzie nietypowy bo też pochodzi z wspomnianego wcześniej generatora medycznego. Charakteryzuje się ultraniską wartością ESR dzięki czemu powinien chłonąć i tłumić wszystkie powstające przepięcia w momentach komutacji. Wspierać go będzie również niskoimpedancyjny kondensator typu snubber umieszczony na płytce. Kolejnym zabezpieczeniem jest dioda BYT261PIV1000 umieszczona, podobnie jak tranzystor, w obudowie ISOTOP i przykręcona do radiatora. Na schemacie oznaczona jako D2 diak. W jednej obudowie znajdują się dwie szybkie, niezależne diody więc jedną zastosowałem do zabezpieczenia złącza tranzystora a drugą do gaszenia impulsów z cewki na wyjściu.
Rys. 4 Kondensator niskoimpedancyjny Nippon 1000uF 450V
Na płytce nie znalazł się generator sygnału w rytm którego pracować będzie całe urządzenie. Jako, że jest to układ eksperymentalny sygnał doprowadzony będzie z generatora funkcyjnego za pomocą umieszczonego na płytce złącza BNC, które odizolowane jest galwanicznie od obwodów mocy transoptorem szybkim ACPL722. Zasilanie pierwotnej strony logiki transoptora odizolowane jest przetwornicą DC/DC tak więc mamy pełne zabezpieczenie generatora w razie, gdyby wszystko wybuchło :).
Rys. 5 Układ chłodzenia generatora.
Elementy mocy przykręcone są do miedzianego, wentylowanego radiatora, który znakomicie odprowadza ciepło. Radiator pochodzi z urządzenia przemysłowego, chłodził duży procesor czasu rzeczywistego i ma naprawdę dobre parametry. Nawet przy pracy pod dużym obciążeniem radiator pozostaje zimny, choć to pewnie też zasługa bardzo dobrego sterowania i szybkiego tranzystora.
Rys. 6 Pozostałe elementy obwodu generatora.
W otoczeniu generatora znajdą się jeszcze: szybki podwójny bezpiecznik dla energoelektroniki serii Xpole, mostek prostowniczy VBO40-08 na radiatorze oraz amperomierz.
Rys. 7 Pierwszy test układu z obciążeniem rezystancyjnym.
Na początek jednak pierwsze złożenie podstawowych elementów na szybko i podłączenie wyjścia do dużej, 500W żaróweczki by sprawdzić czy wszystko działa. Układ zasilam z regulowanego autotransformatora, ale dodatkowo przed nim jest jeszcze separujący transformator bezpieczeństwa o przekładni 1:1. Zapewni ochronę przeciw porażeniową w trakcie prac eksperymentalnych ale także umożliwi mi dokonywanie bezpiecznych dla sprzętu pomiarów oscyloskopem. Mój oscyloskop nie posiada izolowanych wejść więc takie pomiary mogły by się zakończyć uszkodzeniem.
Rys. 8 Przebieg napięcia 300V na wyjściu z częstotliwością 100 kHz.
A to już jest przebieg napięcia na wyjściu układu zasilającego żarówkę o mocy 500W. Przebieg, można powiedzieć, jest idealny.
Rys. 8 Przebieg napięcia 300V na wyjściu z częstotliwością 500 kHz.
Maksymalną, potrzebną częstotliwością w moim układzie będzie 400 kHz bo na taką częstotliwość przygotowuję obwód rezonansowy wysokiego napięcia. Na powyższym oscylogramie widzimy przebieg na wyjściu o częstotliwości 500 kHz, jest całkiem nieźle więc pora zmierzyć się z obciążeniem indukcyjnym. Na początek nie będzie to, ze względów bezpieczeństwa, mój obwód wysokiego napięcia a znów znana już żarówa, jednak z prowizorycznym transformatorem na rdzeniu ferrytowym dużej mocy.
Rys. 9 Praca układu z obciążeniem indukcyjnym.
Wszystko wygląda całkiem nieźle, transformator przenosi moc, jednak w momencie wyłączenia powstaje silny impuls podwyższonego napięcia, który najprawdopodobniej był przyczyną pierwszego uszkodzenia tranzystora w tej próbie. Po podkręceniu napięcia zasilania do ok 250 V doszło do przebicia tranzystora, co objawiło się zadziałaniem ograniczenia prądowego na zasilaczu laboratoryjnym i zgaśnięciem żarówki.
Rys. 10 Oscylogram przebiegu napięcia względem masy układu, na złączu tranzystora.
