Музыкальная катушка Тесла HBR-M. OneTesla: Катушка Тесла как музыкальный инструмент Вычисление ширины импульса

К сожалению, не получилось встроить видео с презентацией. Если что, то вот оно .

OneTesla - это небольшая катушка Тесла, подключаемая через порт MIDI и играющая музыку электрическими разрядами. Само устройство, которое в высоту около 25 сантиметров, может выдавать молнии длиной до полуметра. Этот агрегат может устроить неплохое шоу и удивить ваших друзей музыкальной плазмой. Все спецификации устройства открыты и доступны вместе с инструкцией по сборке на сайте проекта .

Как она играет музыку?

Человеческое ухо воспринимает звуковые волны где-то от 20 герц до 20 килогерц, в то время, как устройство резонирует с частотой 230 кГц, что значительно превышает максимальную частоту звука, слышимую человеком. Но можно включать и выключать разряды именно с той частотой, с которой слышен нужный нам звук.

Краткие технические характеристики

Параметр	Значение
Первичная катушка	6 витков, радиус 88.9мм, 1.6мм провод (14 AWG)
Вторичная катушка	65мм х 254мм, 0.127мм провод (36 AWG), 1800 витков
Конденсатор	CDE 940C30S68K, 0.068μF@3000V
Тороид	200мм х 50мм, покрыт фольгой
Резонансная частота	~230 КГц
Инвертор	Полумост на базе IGBT транзисторов FGA60N65SMD, 340 вольт
Длительность импульса	50 мкс при 1 КГц, 150 мкс при 50 Гц)
Максимальная длина разряда	58 см
МК платы-прерывателя	ATmega328P-PU

Немного о принципе работы

Полёт шмеля в исполнении OneTesla

TT Music Plus - это более мощная версия, революционной модели TT Music. Обладая мощностью около 2000 Вт, она способна зажигать газонаполненные лампы на расстоянии более 2 метров и достаточно громко проиграть любую музыкальную композицию. Она, так же как и более младшая версия совмещает в себе классический способ управления и беспроводные технологии передачи данных. Вы можете управлять этой катушкой с любого android устройства. Достаточно установить программу, скачать понравившуюся миди мелодию и с легкостью проиграть её с помощью потрясающе красивых и в тоже, самое время, мощных электрических разрядов. В данной конструкции совмещен функционал от нескольких легендарных моделей и теперь достаточно иметь в арсенале всего лишь одну катушку и для проведения классического тесла шоу и воспроизведения музыки.

Bluetooth

Для подключения к тесле, необходимо нажать кнопку «Connect» на главном экране программы. После этого нужно выбрать к какому именно устройству следует подключаться. Если теслы нет в списке, нажмите кнопку Scan for devices, после чего телефон попытается обнаружить новые устройства.

Стадии подключения:

• Connecting - устанавливается связь с bluetooth модулем
• Identifying - проверяется что устройство поддерживается программой
• Connected - связь установлена

Пароль для подключения - 1234.

Если вы уже подключались к тесле, появится кнопка «Connect to previous», которая выполняет подключение к предыдущему устройству без необходимости выбирать из списка.

Режим простого прерывателя

В этом режиме эмулируется прерыватель, который обычно собирают на нескольких таймерах.

1. Ползунок PW регулирует ширину импульса. Его предельное значение настраивается опцией Max. pulse width
2. Ползунок Freq регулирует частоту выходного сигнала. Его предельное значение настраивается опцией Max. frequency
3. Ползунок Mod duty регулирует коэффициент заполнения burst режима от 0% до 100%. Для отключения burst режима, установите коэффициент заполнения 100%
4. Ползунок Mod freq регулирует частоту пачек burst режима от 1 Гц до 10 Гц.

При нажатии на кнопку Pulse, тесла запускается только один раз с длинной импульса, заданной параметром PW, при этом все остальные ползунки никак не влияют на ее работу.

Режим воспроизведения MIDI

Управляющая программа имеет развитые функции воспроизведения MIDI Файлов.

Для того, чтобы открыть midi файл, нажмите на первую строчку. Будет показан диалог выбора файлов. По умолчанию, программа ищет midi файлы в каталоге /sdcard/midi, но вы можете выбрать любой другой каталог.

После выбора midi файла, вы можете выбрать трек для воспроизведения. Для этого необходимо прикоснуться ко второй строчке.

midi файлы с переменным темпом не поддерживаются. (они попадаются редко, но я должен был предупредить).

Первым ползунком вы можете перематывать точку вопроизведения файла, а вторым - регулировать громкость.

Блокировка экрана

Некоторые модели телефонов имеют слишком чувствительный экран и ловят наводки от трансформаторов Тесла.Если ваш телефон ловит наводки, необходимо активировать функцию «disable touchscreen», которая отключает экран при работающей тесле. При этом, если телефон имеет кнопки «домой» и «назад» на экране, это не поможет. Такие телефоны не рекомендуются для управления трансформаторами Тесла

Вычисление ширины импульса

Управляющая программа умеет уменьшать ширину импульса при увеличении частоты ноты.Следующая картинка поясняет влияние разных настроек на ширину импульса:

Кроме того, ширина импульса линейно зависит от общей громкости (выбирается ползунком volume) и громкости текущей ноты (если включена опция «use note volume»).

ADSR, LFO, Portamento

SI и ST - обладают функциями полноценного синтезатора. Они включают в себя ADSR, LFO и портаменто.

ADSR (Attack-Decay-Sustain-Release) - это огибающая зависимости ширины импульса от времени. С ее помощью можно сделать звук теслы мягче и придать ему звучание, подобное реальным инструментам.

Параметры attack, decay и release - это параметры времени, а sustain - параметр громкости.

Portamento

При включении портаменто, нота берется не сразу точно, а появляется «подъезд» к этой ноте от предыдущей.

Реализованы портаменто двух видов.

• Портаменто есть только если одна нота следует непосредственно за другой (ползунок Type полностью влево)
• Портаменто работает не зависимо от времени нажатия ноты (ползунок Type полностью вправо).

LFO

(Low Frequency Oscillator) - генератор, который генерирует низкочастотный сигнал, который, потом, может будть использован как огибающая для ширины импульса или частоты.

Реализованы LFO двух типов

• Прямоугольный - ползунок Type полностью влево
• Треугольный - ползунок Type полностью вправо

Кнопка Reset сбрасывает параметры в ADST, LFO и портаменто в значения по умолчанию. Кнопка Save as defaults запоминает параметры, после чего они автоматически будут работать при воспроизведении midi по оптическому входу. Это полезно если вы хотите играть с синтезатора который не имеет энкодеров, которые назначаются на midi контроллеры.

Описание полу-мостовой демонстрационной катушки Тесла с аудио модуляцией.

Для того, чтобы проигрывать музыку высоковольтными разрядами нужны транзисторная катушка Тесла, пульт управления он же прерыватель, способный передавать ноты в схему управления генератора и источник сигнала – ноут-бук, ПК или музыкальная клавиатура. Это всё подключается вместе и в итоге получается весьма эффектное представление - поющая катушка. Хотя на протяжении проходивших мини концертов меня не оставляло ощущение о том, что это всё есть масштабное баловство. Похоже, что тут уже ничего не поделать и сложилась такая молодежная поп-культура. Сегодня в мире организуются целые масштабные представления с катушками Тесла, концерты и Тесла шоу которые собирают много любопытствующих. Смотреть на музыкальные разряды гораздо лучше, чем на просто разряды. О чем идет речь можно понять из видео.

Чтоб получить подобные результаты нужно собрать следующую схему.

Рисунок 1 – Структурная схема подключения аудио сигнала к DRSSTC

Есть и другие варианты, но такая схема наиболее проста. Рассмотрим кратко каждый блок.

Катушка Тесла DRSSTC.

В качестве генератора выбрана DRSSTC 1, которая использовалась для однопроводной линии. Она была почти полностью переделана и стала DRSSTC 1.1. Первоначальный вид устройства можно посмотреть . В генераторе использован полу-мостовой коммутатора тока с транзисторами IRGP50B60PB1. Полу-мост и GDT остались без изменений.

Силовая часть управляется универсальным драйвером Стивена Варда UD1.3b. Схема в оригинале . Описание на сайте автора.
Собранная схема представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Плата управления DRSSTC

Плата прячется в металлический корпус, чтоб не ловить наводки от ВЧ поля катушки. Рассмотрение принципа работы схемы помещено в отдельную статью.

Блок питания.

БП - это схема плавного запуска и выпрямитель с фильтровым конденсатором. Так же в нем есть предохранитель на 5А, помехоподавляющий конденсатор и на одну плату со всем этим прикреплен понижающий трансформатор 220/18 для питания низковольтной электроники. Схема плавного заряда электролитов состоит из реле и зарядных резисторов. Прочитать о ней можно .

Рисунок 3 - Блок питания

Через 5-6 сек. после подачи напряжения питания срабатывает реле и генератор можно запускать. При этом не происходит броска тока, так как конденсатор большой емкости зарядился через резисторы.

Рисунок 4 - Внутреннее содержание корпуса

Кроме драйвера, БП и контурных конденсаторов в корпусе находятся трансформаторы тока для организации обратной связи и защиты от превышения контурного тока (OCD). Как они работают, тоже уже написано .

Резонансный трансформатор.

Первичный контур сделан из переключаемой емкости и конической первичной обмотки, выполненной проводом Ø3мм, 12 витков. Резонанс на 10-ом витке.

Рисунок 5 - Первичная и вторичная обмотки резонансного трансформатора

Батарея MMC собрана из конденсаторов CBB81. Общая емкость составляет 147нФ 4кВ. Для работы с вторичной обмоткой, специально сделанной для этого проекта, емкость составляет 47нФ. В связи с переключаемой емкостью генератор универсален и может работать с различными вторичными обмотками.

Рисунок 6 - Конденсаторы первичного колебательного контура

Вторичная обмотка выполнена проводом Ø0,18мм на каркасе Ø11 см. Всего 1200 витков. Длина намотки 25см.
Емкость для вторичной обмотки сделана из алюминиевого гофрированного воздуховода. Согласно расчету тороид должен быть с внешним диаметром 18см и диаметром самой трубы 8 см. Такого тороида не нашлось и гофры в магазине не оказалось. Ближайшим по размеру являлся тороид от одной старой SSTC, он без дела лежал на чердаке и в результате оказался на вершине вторичной обмотки. Его внешний диаметр 21-22 см. Это больше расчетного значения, но катушка с ним запустилась и создавала разряды до 30см.
Спустя некоторое время всё же решено было достичь расчетных значений. Был построен тороид требуемого диаметра из алюминиевых колец. Кольца держаться с помощью пластиковых кругов. Чтоб кольца не развалились, они дополнительно склеены термо-клеем.

Рисунок 7 - Тороид из колец

Катушка с таким тороидом почему-то работать отказывалась пока все кольца не были соединены тонким куском провода в одном месте.

Рисунок 8 - Соединение колец проволкой

Для сравнения два видео с разными тороидами. Все прочие параметры генератора не изменялись. Длительность импульса 115-120мкс, период 5мс.

При уменьшении внешнего диаметра тороида разряды возросли до 35-40 см. Это еще раз доказывает, что в трансформаторах Тесла важен точный частотный расчет связанных контуров и соблюдение четверть-волнового резонанса на краях высоковольтной катушки. При этом нужно стараться сделать катушку так, чтобы вышеназванные параметры были достигнуты при наибольшем размере емкости на верхнем выводе вторичной обмотки. В данном случае катушка рассчитана на небольшой тороид.
Предполагалось сделать внешний вид всего устройства в стиле Half-Life 1, но эта идея была оставлена на половине пути.
Еще одной мерой по увеличению длины разряда стало уменьшение разрядного штыря на 1см. При этом начал срабатывать ограничитель тока, который был установлен на 150А. Среднее потребление от сети составляет 220В 2-3А, на некоторых нотах ток возрастает до 4А.
После длительных запусков выяснилось, что нагревается первичная обмотка. Похоже, что она тормозит дальнейший рост длины разряда при увеличении длительности рабочего импульса, потому что сделана из провода небольшого диаметра. Немного греются конденсаторы, транзисторы и электролит питания, а самым горячим оказался трансформатор 220/18В, 0,555А. Следовало брать этот трансформатор мощностью 15-20 Ватт, хотя по предварительным расчетам 10Вт было вполне достаточно.

Прерыватель и USB-MIDI переходник.

Рисунок 9 - Пульт управления (Прерыватель)

Прерыватель получился весьма приятный на вид. Внутри корпуса собранная схема прерывателя i1 разработчика BSVi. Все подробности, прошивка и схема на сайте автора. В написании программ для микроконтроллеров типа ATmega разбираться не хотелось и по этому была собрана эта схема с готовой прошивкой.
Прерыватель оказался весьма хорош. Сперва были спалены несколько SMD конденсаторов мощным паяльником и прерыватель работал нестабильно, часто перезагружался, плохо переключались режимы работы. Потом конденсаторы были заменены и всё стало нормально работать. Кроме режима проигрывания MIDI есть стандартные для DRSSTC непрерывный режим и режим с прерываниями. Прерыватель подключается к DRSSTC трех-метровым оптическим патч-кордом.
Для загрузки прошивки в микроконтроллер понадобился программатор. В моем случае он выглядел как на рис.10.

Рисунок 10 - Программатор для ATmega

Использовалась программа USBASP AVRDUDE PROG, она скачена откуда-то из интернета.
Важной частью в этой системе является USB-MIDI переходник. Его можно построить по схеме, которых в интернете много, а можно не мучиться и купить. Я выбрал второй вариант.

Рисунок 11 - USB-MIDI переходник

Ноут-бук или ПК.

В этом пункте всё понятно из названия. Мелодии в формате MIDI проигрываются с помощью плеера в котором есть возможность назначить выходной порт. Например подойдет Midi player 2.6 (by Falcosoft). Его размер около 1 Мб. В основном все мелодии скачены с сайта OneTesla. Вот одна для примера (Ievan Polkka.mid) .

Спустя какое то время катушка модернизировалась до версии 1.2. Статья была написана давно и лежала на жестком диске. Чтоб её не редактировать, изменения отражены на схеме, которая всё-таки была нарисована (хотя не планировалась). Изменился драйвер, транзисторы полумоста, конденсатор питания и куча мелких доработок.

Когда все части собраны и настроены, подключаем катушку Тесла к ноут-буку и устраиваем концерт, но не забываем технику безопасности.

Звучание различается при съемке разными устройствами. Лучше конечно это смотреть и слушать в живую.

К сожалению, не получилось встроить видео с презентацией. Если что, то вот оно .

OneTesla - это небольшая катушка Тесла, подключаемая через порт MIDI и играющая музыку электрическими разрядами. Само устройство, которое в высоту около 25 сантиметров, может выдавать молнии длиной до полуметра. Этот агрегат может устроить неплохое шоу и удивить ваших друзей музыкальной плазмой. Все спецификации устройства открыты и доступны вместе с инструкцией по сборке на сайте проекта .

Как она играет музыку?

Человеческое ухо воспринимает звуковые волны где-то от 20 герц до 20 килогерц, в то время, как устройство резонирует с частотой 230 кГц, что значительно превышает максимальную частоту звука, слышимую человеком. Но можно включать и выключать разряды именно с той частотой, с которой слышен нужный нам звук.

Краткие технические характеристики

Параметр	Значение
Первичная катушка	6 витков, радиус 88.9мм, 1.6мм провод (14 AWG)
Вторичная катушка	65мм х 254мм, 0.127мм провод (36 AWG), 1800 витков
Конденсатор	CDE 940C30S68K, 0.068μF@3000V
Тороид	200мм х 50мм, покрыт фольгой
Резонансная частота	~230 КГц
Инвертор	Полумост на базе IGBT транзисторов FGA60N65SMD, 340 вольт
Длительность импульса	50 мкс при 1 КГц, 150 мкс при 50 Гц)
Максимальная длина разряда	58 см
МК платы-прерывателя	ATmega328P-PU

Немного о принципе работы

Полёт шмеля в исполнении OneTesla

Не так давно на «Kickstarter» необходимую сумму для запуска собрал стартап «OneTesla» со своим изобретением под названием tinyTesla. Оно представляет собой набор деталей для создания маленькой катушки Тесла, которая продуцирует электрические разряды и воспроизводит MIDI-треки без колонок. Кроме того, команда проекта предлагает покупателям улучшить свои навыки в пайке по средствам сбора катушки. Продукт позиционируется как хороший способ узнать больше о физике и электронике.

«Вы говорили, мы слушали», - заявляет член команды «OneTesla». В прошлом компания уже имела опыт сбора средств с помощью краудфандинга. Это помогло ей получить обратную связь от пользователей для того, чтобы новый проект стал по-настоящему востребованным и удачным.

Катушка Тесла представляет собой резонансный трансформатор, который продуцирует высокое напряжение на высокой частоте. Данное устройство воспроизводит музыкальные звуки, нагревая воздух и создавая продольные волны, которые воспринимаются на слух в качестве мелодии. Не предусмотрено никакой мембраны, выталкивающей воздух назад и вперед, как в устройстве динамика или традиционного музыкального инструмента. Вы слышите само электричество.

Катушки управляются с помощью волоконно-оптической линии передачи через так называемый блок обработки сигналов прерываний, который преобразует музыку, воспроизводимую на вашем компьютере или музыкальном инструменте, в импульсы света. Прерыватель подключается к компьютеру через USB-порт и может управляться с помощью собственного программного обеспечения или силами других программ, подразумевающих воспроизведением MIDI-файлов. tinyTesla также можно подсоединить к электронному музыкальному инструменту тем же способом.

Вместе с tinyTesla компания анонсировала выход и «старшего брата» новинки под названием oneTeslaTS, в чей функционал помимо вышеуказанных возможностей входит расширенный набор MIDI-функций. Подключить к инструменту его можно с помощью кабеля, после чего он сможет протягивать ноты и осуществлять модуляцию звука.

Свою миссию команда «OneTesla», состоящая из пяти человек, видит в содействии практическому обучению, предоставляя наборы, которые разработаны с учетом простоты сборки и внешней привлекательности. Команда гордится тем, что подготовила подробнейшую документацию при активной поддержке сообщества на форуме. Акцент в своих разработках «OneTesla» делает также на безопасности прототипов. Благодаря особенностям конструкции дуги от катушки можно вытащить с помощью металлического предмета.

В продажу продукт должен поступить к концу года. Ориентировочная цена экземпляра - $150. Для обеспечения своевременной доставки заказанных комплектов «OneTesla» начала сотрудничество с местной компанией «AmTech». Основную опасность стартап видит в возможных задержках по вине поставщиков, поэтому на данный момент он налаживает связь с ними и пытается исключить подобную возможность. Потенциальный риск также скрывается в обеспечении целостности каждого комплекта. В прошлом у компании имелся неприятный опыт обращения к ней клиентов, не нашедших в упаковке всех необходимых предметов. Поэтому сейчас «OneTesla» обратилась к фирме, способной помочь в подготовке продукта к отправке, надеясь избежать рисков.