Absolvent, Coordonator stiintific, Anghelescu Silviu Fabian Prof. dr. ing. NICOLAE MUNTEAN Promotia 2013 Cuprins 1. Introducere 1.1 Motivare alegere… [603176]

LUCRARE DE LICENTA

Absolvent: [anonimizat],
Anghelescu Silviu Fabian Prof. dr. ing. NICOLAE MUNTEAN

Promotia 2013

Cuprins

1. Introducere

1.1 Motivare alegere tema
1.2 Plasma speaker
1.3 Convertor flyback
1.3.1 Regim de curent neintrerupt
1.3.2 Functionarea la limita de t recere in regim de curent intrer upt
1.3.3 Regimul de curent intrer upt
1.3.4 Riplu l tensiunii de iesire

2. Implementare schema electronic

2.1 Schema bloc
2.2 Schema electronic a
2.3 Piese necesare asamblare circuit electronic plasma speaker
2.4 Rezultat practic
2.5 Rezultat experimental

3. Concluzii

4. Bibliografie selectiva

1. Introducere

1.1 Motivarea alegerii temei
Tema proiectului de licenta este Plasma speaker . Am ales aceasta tema deoarece este
rezultatul curi ozitatii mele formate si dezvoltate in cadrul cursurilor universitare din
cadrul Universitatii Politehnice din Timisoara, sectia Electrotehnica si Electroenergetica,
si al unei provocari bazete pe cunostintele dobandite in decursul celor patru ani, fapt care
m-a facut sa vad importanta in viata de zi cu zi a elementelor electrotehnice care ne
inconjoara si dezvoltarea lor in decursul anilor.
Fascinat de strapungerea arcului electric printr -un mediu (aer, este nevoie de 30KV/cm ),
prin mo dularea acestui arc electric cu ajutorul unui circuit electronic se poate cr ea un
difuzor cu plasma , care conectat la o sursa de modulatie , poate sa redea sunetele dorite,
precum melodia dorita.

1.2 Plasna speaker [2];[3];[4]
Prim a incercare de a cre a acest difuzor cu plasma a fost in 1899 de catre William
Duddell. Duddell a conectat o lampa de carbon la un circuit modificat facut dintr -un
condensator si o bobina, el descoperind astfel ca poate genera tonuri care corespund la
frecventa de rezonanta a circuitului modi ficat. A conectat o claviatura si a cantat “God
save the Queen” la ceea ce el a considerat a fi primul instrument musical electric.
Plasma arc speaker inseamna cr earea unui difuzor de tensiune inalta care produce
undele sonore cu ajutorul unui arc electr ic. Plasma este un g az foarte ionizat la
temperatura ridicata care conduce electric. In timp ce difuzoarele folosesc o diafragma
solida pentru producerea sunetului, plasma arc speaker utilizeaza gaz ionizat fiind
transformat intr-o diafragma. P ractic nu ar e masa, fapt care raspunde foarte bine la
frecvente inalte in semnalele audio. Prin varierea unui semnal electric la capetele
electrozilor ionii din plasma incep sa miste, cauzand astfel o diafragma care vibreaza si
creaza sunete. Unitatea de frecventa a c onvertorului trebuie sa fie mai mare decat
frecventa maxima a semnalului audio pentr u a reda claritatea sunetului. I n jur de 45 KHz
sau mai mult este necesar.
Sunetul produs de arc ul din plasma se aude si este foarte clar. Totodata este un lu cru
importan t de inteles despre acest di fuzor cu plasma , daca miscam o canti tate mica de aer
acesta produce d oar sunete de frecvente inalte la fel ca tweeter -ele. S unetele de bass nu
sunt reproduse foarte bine de acest difuzor.

Producerea ozonului este destul de m ica deoarece fu nctioneaza in curent alternativ, dar
temperatura la care functioneaza este foarte mare, d eci aceasta este o problema .

1.3 Convertorul Flyback [5];[6];[10]

Fig.1 Schema unui convertor flyback.

In acest proiect convert orul flyback (Fig.1) are un rol foarte important , el fiind cel care
produce arcul cu plasma .

Fig.2 Convertorul Flyback, derivatia din configuratia Buck -Boost

Este utilizat un singur dispozitiv de comuta tie complet coma ndabil, Q1, convertorul de
separatie cu dou a infasurari (Fig. 2) , cu Np spire in primar si Ns spire in secundar,
indeplinind si rolul de ( acumulator de energie) pe durata satura tiei lui Q1, energie
eliberat a sarcinii pe durata bloc arii acestuia, prin intermediul diodei D1.

Fig. 3 Formele de und a, principale pentru un convertor tip “Flyback” (Np/Ns=4).

Evolutia curentului prin infasurarea primar a 𝑖𝐿𝑝 este:

(1)

Valoarea maxim a a curentului prin dispozitivul de comuta tie 𝐼𝑄1(max) este:

(2)

iar val oarea sa medie rezult a din:

(3)

In regim de curent intrerupt prin pr imarul transformatorului, 𝐼𝐿𝑝(0) este nul.
La atingerea valorii 𝐼𝑄1 (max) Q1 se blocheaz a, energia inmagazinat a in transformator
fiind cedat a sarcinii prin intermediul unui curent in infasurarea secundar a Is liniar
descresc ator, cu valoarea maxim a Is(max):

(4)

Evolu]ia in timp a curentului din secundar este descris a de rela tia:

(5)
in care Ls este i nductan ta de magnetizare v azuta din secundar.
on
ponQ i LpttLVV
dtdi 0;)(1
)0( ) ()(1 (max) (max)1 Lp
ponQ i p Q ILDTVV I I  
)0(2) (2
)(1
1 Lp
ponQ i
p Q DILTD VVI I 
(max)1 (max) Q
sp
s INNI
Tt tttLVVItion on
sD
s s  ); ( )(0
(max)

Convertorul flyback (FBT), denumit si convertor de iesire de l inie (LOPT), e ste un tip
special de conver tor electric, acesta a fost initial conceput pentru a genera semnale tip
dinte de fierastrau de inalta tensiune la o frecventa relativ ridicata. In aplicatii le modern e,
acesta este utilizat in mod ex cesiv in surse d e alimentare co mutate, atat pentr u
consumabile de joasa tensiune (3V) cat si de inalta tensiune (peste 10 kV).

Infasur area primara a convertorului flyback este condusa de un comutator de la o
alimentare DC (de obicei un transistor). Cand tranzistorul este pornit, inductanta primara
determina cresterea curentul ui in rampa. O dioda integrata conectata in serie cu
infasurarea secundara impiedica formarea curentului in secundar care s -ar opune in cele
din urma rampei de curent in primar (Fig. 4 ).

Fig. 4 Form a de unda a convertorului Flyback; Timpul de incarcare si t impul de
descarcare; Curentul din primarul convertorului si c el din secundar.

Cand tranz istorul este inchis ( Fig. 5 .a), conver torul este conectat direct la sursa de
tensiune de intrare. Se marest e fluxul primar si f luxul magnetic din convertor , stocand
energia in convertor . Tensiunea indusa i n bobina secundara este negativa, astfel incat
dioda este inversata (adica blocata ). Conductorul de iesire furnizeaza energie la sar cina
de iesire, cand tranz istorul este des chis ( Fig. 5.b), fluxul primar si fluxul magnetic scad.

Tensiunea in secundar este pozitiv a, permitand curentului sa iasa din conver tor. Energia
din miezul conver torului reincarca condensatorul si furnizeaza o sarcina. Operatia de
stocare a en ergiei in convertor inainte de transferul la iesirea convertorului permite
topologiei sa genereze cu usurinta mai multe iesiri cu putine circuite suplimentare, desi
tensiunile de iesire trebuie sa se potriveasca in raportul de transformari. De asemenea est e
nevoie de o modulare in control care trebuie incarcata inainte de aplicarea sarcinii pe
circuit, aceasta pentru a perm ite PWM -ului sa se deschida si s a furnizeze sufi cienta
energie pentru convertor tor.

Fig. 5 .a
Tranzistorul este inchis, convertorul
este conectat direct la sursa de tensiune.

Fig. 5 .b
Tranzistorul este des chis, conductorul
de iesire furnizeaza energie la sar cina
de iesire.

Cand tranzistorul este inchis, curentul din primar scade la zero. Energia stocata in miezul
magnetic este el iberata in secundar, deoarece ca mpul magnetic din nucleu se sc ade brusc .
Tensiunea din bobina d e iesire c reste foarte repede (de regula in mai putin de o
microsecunda) pana cand aceasta este limitata de conditiile de incarcare. Odata ce
tensiunea atinge un nivel care sa permita trecerea curentului prin secundar, curentul din
infas urarea secundara incepe sa treaca sub forma unei rampe descendente. Ciclul poate fi
apoi repetat. Daca curentului din secundar ii este permis sa se descarce complet la zero

(nicio energie st ocata in miez ), atunci se spune ca, convertorul functioneaza in mod
discontinuu ( DCM ). Atunci cand o anumita energie este stocata intotdeauna in miez
(formele de unda ale curentului arata mai degraba t rapezoidale decat triunghiulare ),
atunci ac esta e ste modul continuu ( CCM ). Aceasta terminologie este folosita in special
la convertoarele de alimentare.

Bobina de iesire de joasa tensiune reflecta forma de unda de dinte de fierastrau a
curentului primar. Atunci cand este instalat intr -un elect rocasnic, acesta are mai putine
retractari decat cea primara, oferind astfel un curent mai mare. Aceasta este o forma de
unda mai inclinata si pulsanta, care se repe ta la frecventele orizontale ale afisajului. In
convertorul flyback ( portiunea vertical a a semnalu lui de tip dinte de fierastrau ) poate fi o
problema importanta, daca energia nu are unde sa mearga ( cu cat un camp magnetic
scade mai repede, cu atat tensiunea indusa este mai mare, daca nu este controlata ). Acest
lucru se intampla la terminalele c onver torului.

Frecventa inalta utilizata pe rmite utilizarea unui conver tor mult mai mic in
electrocasnice , aceasta frecventa inalta este aproximativ de 15 kHz ( 15,625 kHz pentru
PAL; 15,734 kHz pentru NTSC ), iar va riatiile de la miezul conver torului c auzate de
magnetostrictie pot fi adesea auzite ca un sunet ascutit. In afisajele modern e ale
computerului, frecventa poate varia intr -o gama larga, de la aproximativ 30 kHz pana la
150 kHz.

Conver torul poate fi echipat cu infasurari suplimentare, al caro r unic scop este de a avea
un im puls de tensiune relativ mare i ndus intre ele, atunci cand ca mpul magnetic scade,
tranzistorul de la intrare este oprit. Exista o cantitate considerabila de energie stocata in
campul magnetic si cuplarea acesteia prin interm ediul unor infasurari suplimentare car e il
ajuta sa scada mai rapid, evita bilantul de tensiune peste care s -ar putea sa treaca. Trenul
de impulsuri proveni nd de la infasurarile conver torului flyback este transformat in curent
direct printr -un redresor s implu de jumatate de unda. Nu este nici un scop pentru utilizarea
unui proiect care sa foloseasca o unda intr eaga, deoarece nu exista impulsuri
corespunzatoare de polaritate opusa. O intoarcere a unei infasurari produce adesea
impulsuri de mai multi volti, in modelele mai vechi de electrocasnice . Conver torul
produce tensiunea necesara pentru accelerarea CRT direct cu iesirea rectificata printr -un
redresor simplu. In modelele mai modern e, redresorul este inlocuit cu un multipilcator de
tensiune. Seturile de monitoare color trebuie de asemenea sa utilizeze un regulator pentru
a controla tensiunea inalta. Cele vechi folosesc un regulator pe baza de tub vidat, pentru
suntare, dar introducerea noilor seturi folosesc un resistor mai simplu, dependent de

tensiune. Tensiunea rectificata este apoi utilizata pentru alimentarea anodului final al
tubului catodic.

Exista deseori bobine auxiliare care produc tensiuni mai mici pentru a conduce anumite
parti ale circuitelor . Tensiunea utilizata pentru a deplasa diodele va ractor in tune rele
modern este adesea derivata din conver torul flyback ( Line OutPut Transformer LOPT ).
In seturile de tuburi o infasurare cu filament cu una sau cu doua randuri este situata pe
partea opusa a miezului ca secundar HV, utilizata pentru a a ctiona incalzitorul tubului
redresor HV.

Tot aici putem descrie si convertorul flyback, care este utilizat atat in conversia AC/DC
cat si in DC/DC cu izolatie galvanic intre intrare si orice iesire. Convertorul flyback este
un convertor de tip buck -boost cu inductorul impartit pentru a forma un transformator,
astfel incat rapoartele de tensiune se inmultesc cu un avantaj supliment ar de izolare. De
exemplu, dioda rectificatoare a convertizorului de tensiune este lasata afara, iar
dispozitivul este denumi t transformator flyback.

Fig. 6 Convertorul Flyback

Convertorul flyback ( Fig. 6 ), care este utilizat atat in conversia A C/DC cat si i n DC/DC
cu izonizare galvanic a intre intrare si orice iesire. Converto rul flyback este un convertor
de tip buck -boost cu inductorul impartit pentru a forma un convertor , astfel incat
rapoartele de tensiune se inmultesc cu un avantaj suplimentar de izolare. De exemplu,
diode rectificatoare a convertizorului de tensiune sunt lasate afara, iar dispozi tivul est e
denumit convertor flyback. Este echivalata cu cea a unui convertizor de viteza, cu
impartirea inductorului pentru a forma un convertor . Prin urmare principiul de
functionare al ambelor convertoare este foarte asemanator.

Convertorul flyback este un converor de energie izolat. Cele doua scheme principale de
control ( Fig. 5.a si Fig. 5 .b) sunt propriu -zis principalele scheme de control in tensiune
si curent ( in majoritatea situatiilor controlul modulului de curent trebuie sa fie dominant
pentru stabilitatea in timpul functionarii ). Ambele necesita un semnal legat de tensiun ea
de ie sire; exista trei modalitati co mune de a genera aceasta tensiune. Prima este sa
utilizam un optocuplor pe circuitul secundar, pen tru a trimite un semnal catre controller.
A doua este sa infasuram o bobina separata pe bobina secundara; iar a treia consta in
esantionarea amplitudinii de tensiune pe partea primara, in timpul descarcarii, referindu –
se la tensiunea DC de baza primara.
Prima tehnica implica un optocuplor, a fost utilizata pentru a obtine o reglare stricta a
tensiunii si a curentului, in timp ce cea de -a doua abordare a fost dezvoltata pentru
aplicatii sensibile la costuri, unde iesirea nu trebuie sa fie atat de controlata, dar pana la
maxim 11 componente, inclusive optocuploare. De asemenea in aplicatiile in care
fiabilitatea este critica, opto cuploarele pot fi folosite in detrimentaul calculelor MTBF (
Mean Time between Failure ). A treia tehnica, sensibilizarea primara, poate fi la fel de
precisa ca prima si mai economica decat cea de -a doua, necesi ta totusi o sarcina minim a,
astfel incat evenimentul de descarcare sa continue sa apara, oferind posibilitatea de a
preleva tensiunea secundara 1:N la infasurarea primara .

1.3.1 Regimul de cu rent neintrerupt [1]

Formele de unda ale circuitului i L si tensiunii V 0 sunt prezentate in (Fig. 7 ). Egaland cu
zero integral tensiunii pe inductanta L intr -o perioada se obtine:

Vi ⋅ DT +( -V0)(1-D)T=0 (1)

deci:

𝑉0
𝑉𝑖=𝐷
1−𝐷 (2)

Din egalitatea puterilor la intrarea si iesir ea convertorului se obtine valorile medii ale
curentilor i 0 si i i relatia :
I0
𝑉𝑖+1−𝐷
𝐷 (3)

Fig. 7 Forme de unda – functionare la curent neintrerupt

Fig. 8 Setarile circuitului a) t on ; b) t off

1.3.2 Functionarea la limita de trecere in regim de curent
interupt [1]

In acest regim, curentul prin inductanta L atinge valoarea zero la fiecare sfarsit de
perioada (Fig. 8 a). Valoarea media a curentului i L pentru regimul limita este data de
relatia:
ILlim = 1
2𝐼𝐿𝑚𝑎𝑥=1
2 ⋅ 𝐷𝑇𝑉𝑖
𝐿 (4)

Considerand ca valoarea medie a cure ntului prin condensator este nul a, intre curenti
exista relatia:

I0 = IL – Ii (5)

Din relariile (3) si (5) se obtin:

ILlim = 𝑉0
2𝐿𝑇(1−𝐷) (6)

I0 lim = 𝑉0
2𝐿𝑇(1−𝐷)2 (7)

Asa cum s -a mentionat, cele mai multe aplicatii ale acestui tip de convertor necesita
mentinerea constanta a tensiunii pe sarcina, la modificarea tensiunii de alimentare V I .
Din relatiile (6) si (7) rezulta ca pentru un factor de umplere D=0 valorile medii ale
curentilor ating un maxim:

IL lim max = I0 lim max = 𝑉0𝑇
2𝐿 (8)

Variatia curentilor in functie de factorul de umplere D, la tensiunea de iesire constanta
este reprezentata graphic in (Fig. 8 b).

Fig. 9 Functionarea la limita de curent neintrerupt
a) Forme de unda
b) Variatia curentului in finctie de factorul de umplere D

1.3.3 Regimul de curent inter upt [1]
Egaland cu zero integral t ensiunii pe inductanta L (Fig. 9 ) pe o perioada de functionare se
obtine:
Vi ⋅ DT + ( -V0) ⋅ Δ1T = 0 ( 9)
si
𝑉0
𝑉𝑖=𝐷
𝛥1 (10)

Din egalitatea puterilor rezulta:

𝑉0
𝑉𝑖=𝛥1
𝐷 (11)
Pentru valoarea medie a curentului prin inductanta L rezulta relatia:

𝐼𝐿=𝑉𝑖
2𝐿⋅𝐷𝑇⋅(𝐷+𝛥1) (12)

Cum tensiunea la iesire V 0 se mentine constanta este sugestiva reprezentarea variatiei
factorului de umplere D in functie de curentul absorbit de sarcina pentru diferite rapoarte
V0/Vi.

Fig. 10 Forme de unda in regim de curent interrupt

Relatia care defineste aceasta variatie este:

D = 𝑉0
𝑉𝑖 𝐼0
𝐼0 lim⁡𝑚𝑎𝑥 (13)

iar graf icele sunt prezentate in (Fig. 11 ).

1.3.4 Riplul tensiunii de iesire [1]

Valoarea varf -la-varf a componentei alternative in tensiunea V 0 se determina pentru
regimul de curent neintrerupt.
Considerand ca intreaga component a alternativa a curentului prin diode D, i D trece prin
condensator, iar valoarea sa medie strabate rezistenta de sarcina, ariile hasurate din (Fig.
10) reprezinta variatiile de sarcina ale condensatorului ΔQ.

Se poate scrie d eci:

Δ𝑉0=𝛥𝑄
𝐶=𝐼0𝐷𝑇
𝐶=𝑉0
𝑅𝐷𝑇
𝐶 (14)

Se obtine:

𝛥𝑉0
𝑉0=𝐷𝑇
𝑅𝐶=𝐷𝑇
𝜏 (15)

in care τ = RC este cons tanta de tim a circuitului.

Fig. 11 Caracteristicile convertorului crescarot/coborator
de tensiune la V 0 = constant.

Influenta elementelor reale de circuit functiona rii converto rului este ilustrata in (Fig.
112). Portiunile de curbe trasate cu linie in trerupta marcheaza zone de functiona re ce nu
pot fi atinse in mod uz ual, tocmai datorita prezentei in evitabile a acestor elemente
disipative. Stabilitatea buclelor de reglaj pentru mentinerea constanta a tensiunii la iesire
este si ea afectata.

Fig. 12 Riplul tensiunii de iesire pentru regimul de curent neintrerupt

Fig. 13 Efectul elementelor reale de circuit
Iesirea din microcontrolerul 555 este legata la driverele MOSFET si apoi la MOSFETs,
care sunt folosite pentru a comuta tensiunea pe infasurari le primare ale convertorului
flyback. La aces t convertor nu este nevoie de tensiune in infasurarile primare deoarece el
primeste impulsuri prin inductie in bobina secundara, t eoretic trebuie sa urmeze aceasta
ecuatie: [7];[9]

𝑉𝑠
𝑉𝑝=𝑁𝑠
𝑁𝑝 (16)

Unde Vs si Vp reprezinta tensiunea la secundar si primar, respective Ns si Np reprezinta
numarul de spire de sarma de pe bobinele primara si secundara. Cele doua capete ale
bobinei secundare sunt capetele und e propriu -zis se formeaza arcu l de inalta tensiune,
respectiv difuzorul cu plasma. [7];[9]
Timerul 555 reprezinta cea mai importanta parte a circuitului. Este cel care transforma
semnalul audio in ceea ce poate fi alimentat in infasurarea primara a convert orului
flyback astfel creand sunet. El face acest lucru cu ajutorul a doua caracteristi, stabileste
frecventa de oscilatie a semnalului care va fi folosit pentr u a trimite impulsuri
conver torului flyback si apoi moduleaza latimea impulsurilor individuale c are compun
semnalul care vari aza treptat , transmitand energie in convertor astfel ea fiind stoca ta cu
fiecare puls. Pentru a fi mai explicit (Fig.14 ) sa presupunem ca unda de iesire arata ca un
patrat perfect, care variaza intre 0V si 12V ( in realit ate exista fenomene tranzitorii care
denatureaza marginile acestui patrat, dar in aces t exemplu ignoram acest fapt). [8]

Fig.14 Unda de iesire, cu variatie intre 0V si 12V

Ciclul de functionare al undei este durata de timp a undei cand ace sta este pornit la 12V,
fata de durata de timp cand acest a este oprit la 0V. In (Fig. 14) ciclul de lucru este
reprezentat la 50% (Vavg). [7]
De asemenea pinul la care este conectat este un potentiometru care poate sa regleze ciclul
de functionare, este folosit si pentru a seta latimea pulsului in jurul caruia se moduleaza
semnalul audio. [7]

Avand in vedere ca energia interna a unui gaz diatomic (aer care consta in cea mai mare
parte din N2 si O2) este liniara in temperatura, putem scrie:

ΔT=2
3𝑅ΔU (1 7)

unde ΔT si ΔU repr ezinta schimbarie de temperatura si energie interna a unui gaz
diatomic, iar R este constanta gazului ideal. Astfel daca cantitatea de energie d epozitata
in aer este cunoscuta, este cunoscuta si schimbarea acestuia de temperatura .

Timerul 555 este configurat in mod de astabil pentru a da o frecventa continua de iesire
dependent a de o retea compusa din doua rezistente si un condensator de frecventa.
Aceasta frecventa de de oscilatie este ceea care alimente aza convertorul de inalta
tensiune.
S-a ales in pre alabil o frecventa de baza de 1 k Hz deoarece aceasta fre cventa permit e
convertorului sa creeze un arc electric la iesire, dar in acelas i timp nu permite sa creeze
niciun ton pe cont propr iu, deoarece acest lucru afecteaza calitatea sunetului arcului cu
plasma .[8]

Pinul 5 a l timer -ului 555 este in trarea de control in tensiune. P rin aplicarea unei tensiuni
la acest pin putem varia frecventa de iesire a timer -ului independent de frecve nta de baza
care este stabilita de catre reteau formata din rez istor-condensator. Acest lucru creaza o
modulare a frecventei de iesire precum un radio FM. Este suf icient sa conectam iesirea
audio de la tranzistorul 2N3904 la pinul 5 pentru modularea f recventei de iesire a timer –
ului 555. Prin aceasta iesire F M amp lificata d e convertorul de inalte , ionii de plasma se
agita astfel creand sunetul la di fuzorul cu plasma. Acest arc de plasma este mic, ceea ce il
echivaleaza cu un difuzor cu membrana din clasa tweeter. Arcurile electrice mari pot
produce o mai buna calitate la frecventele mici, dar arcurile mici din acest dispozitiv sunt
mai bune pentru a reproduce sunetele in frecventele mari. [8]

Avand in vedere ca aerul este incalzit rapid si nu are timp sa se extinda, el este la un
volum constant pe durata incalzirii, permitand utilizarea legii bine cunoscute a gazului
ideal pentru a echivala o modificare a temperaturii la o modificare a presiunii intr-o
regiune ci lindrica a aerului care produce:

ΔP=𝑛𝑅
𝑉ΔU (18 )

Combinand ecuatiile (1) si (2) rezulta o ecuatie intre modificarea presiunii si energia
pulsului.

ΔP=2𝑛
3𝑉ΔU (19 )

Astfel, in cazul in care impulsul de inalta tensiune ajunge s a fie sincronizat puls -impuls
(corespunzator perioadei T si frecventei 1/T=f0) variatia energiei interne are forma unui
tren de impulsu ri infinit in timp, fiind descri sa in ecuatia urmatoare, [8]

ΔU(t)= [δ t−nT ]∞
𝑛=−∞, (20 )

2. Implementarea schemei electronice

2.1 Schema bloc

Fig. 1 Prezentare schema bloc a circuitului electronic,
si functionarea acestuia de la transmiterea semnalului
audio pana la arcul electric

2.2 Schema electronica

Fig. 2 Schema electronic

2.3 Piesel e necesare asamblare a circuitului electronic plasma speaker
 Heat sink compound, 2.1mm
 High voltage flyback transformer, 40W –80W, 20kV max output
 Power jack, 2.1mm P1
 Toggle switch S1
 Resistors, 100kΩ, 1/4W (2) R1, R6
 Resistors, 10kΩ, 1/4W (3) R2, R5, R7
 Resistor, 1kΩ, 1/4W R4
 Potentiometer, multi -turn trimmer, 25kΩ R3, can use 10kΩ –25kΩ
 Capacitor, 470µF, 25V C1, can use 470µF –1,000µF, 16V
 Capacitor, 0.001µF, 100V C2
 Capacitor, 330pF, 50V C3
 Capacitors, 10µF, 16V (2) C4, C5
 Capacitor, 0.1µF, 100V C6
 LED, submini, green D1
 Audio jack, 3.5mm J1
 555 timer IC chip, LM555 U1 [http://www.alldatasheet.com/datasheet –
pdf/pdf/53589/FAIRCHILD/LM555CM.html ]
 IC socket, 8 -pin
 Transistor, 2N3904 Q1
 Transistor, IGBT, ISL9V5036P3 Q2
 Large heat sink for IGBT
 Fan, 12VDC, 40mm×20mm
 Plastic tube, 3" diameter, 4" length
 Binding post, black
 Binding post, red
 High voltage wire, 12" –18" length
 Wire, 22 –20 gauge, solid insulated, 12" length
 Power supply, 12VDC, 2 A or greater
 Plastic project enclosure

2.4 Rezultatul practic, asamblare circuit electronic

Fig. 3 Imagine realizata partea de sus a circuitului

Fig. 4 Imagine realizata partea din spate a circuitului

Fig. 5 Circuitul electronic complet asamblat

2.5 Rezultat experimental

Circuitele analizate pot contine: rezistoare liniare sau neliniare, bobine izolate sau cuplate
magnetic, condensatoare, surse independente de tensiune sau de curent, continue sau
variabile în timp, surse comandat e, linii de t ransmisie, tranzistoare închis -deschis,
siguranțe fuzibile, componente electronice (diode de diferite tipuri, tranzistoare bipolare,
tranzistoare unijonctiune, tranzistoare cu efect de camp, tiristoare, triacuri, amplificat oare
operationale, circuite logice). Alte elemente de circuit pot fi modelate cu ajutorul celor
enumerate (bobine saturabile, transformatoare cu pierderi et c.). Programul utilizat
(Electronics W orkbench ) contine o biblioteca in care sunt memorate caracteristicile
functi onale ale unui mare numar de componente uzuale, fabricate de mari producatori
(Analog Devices, Burr -Brown, Harris, National Semiconductor, Texas Instruments, SGS
Thomson, Linear Technology), acestea putand fi apelate cu mare usurinta.

Din cauza asemanarii dintre un difuzor cu plasma si un aparat de sudura (TIG) (Fig. 6 ),
am ales sa folosesc tijele de la aparatul de sudura TIG ( wolfram 2% Th, 98% W), ele au
fost sustinute in suruburi reglabile incorporate intr -o sticla ceramic (cunoscuta si sub
numele de MA COR), care a fost montat e intr-un material din plastic construit dintr -un
material din tereftalat (cunoscut si sub numele de PETG). Acest ansamblu este prezentat
mai jo s, generand in mod activ un arc declansat la 50 kHz.

Fig. 6 Tija aparat de sudura TIG sustinute de sticla ceramica
MACOR

Un generator de functii a fost atasat pentru intrarea audio a circuitului astfel incat
frecventa audio si amplitudinea pot sa fie controlate. Un microfon de presiune a fost apoi
plasat in apropierea arcului de plasma pent ru a distinge frecventele fundamentale si
armonicile care arcul de plasma le genereaza. Microfonul a fost apoi conectat la un
analizator de spectru care a tr imis datele in programul “ Electronic Circuit Simulation on
Easyeda ” pentru a putea sa fie stocate i n calculator. O schema a configurarii este
prezentata mai jos. (Fig. 7 )

Fig. 7 Configurare analizator de spectru

Circuitul a fost testat pe parcursul intregului interval 100 Hz – 1 kHz, folosind
configuratia experimental a descrisa mai sus in (Fig. 14 ), arata raspunsul spectral al
circuitului de intrare variind de la 100 Hz la 1 kHz ( frecventa fiind setata astfel incat
sa nu deterioram microfonul ) si la o tensiune de intrare de 700 m V (Fig. 8 ).

Fig. 8 Raspunsul in frecventa de la 100 Hz al 1kHz, timp de
6 secunde, la o tensiune de intrare de 700 mV.

Acest lucru este este ap arent analog diferentelor in frecventa de raspuns la aplificatoarele
push -pull decat la amplificatoarele single -ended. Pe masura ce tensiunea de intrare creste
varfurile devin si mai pronu ntate, ca ef ect non -liniar de conversie a semnalului PWM in
impulsuri cu modulatie de amplitudine de inalta tensiune care devin tot mai puternice
atunci cand semnalul slab incepe sa se descompuna.

Fig. 9 Este reprezentat raportul dintre inte nsitatea a rmonicilor fundamentale la
intensitatea a doua, a treia si a patra, in functie de tensiunea de la intrare.

Din (Fig. 9 ) se poate observa ca a doua si a patra armonica sunt con siderabil mai
puternice decat cea de -a treia, si cum , ca toate cele trei castig a in intensitate ( in raport cu
fundamental a) la tensiunea de intrare. Pana cand amplitudinea semnalului de intrare
ajunge la 700 mV suma intensitatilor primelor trei armonici atinge ~20% din intensitatea
fundamentalei. Pentru un semnal de intrare de 1 kHz raportul dintre intensitatea
fundamentalei cu suma intensitatilor varfurilor pare sa fie minimizata pentru factorii de
productie c are au o amplitudine de 250 mV.

Infasur area primara a convertorului flyback este blocata de un tranzistor de la o
aliment are DC. Cand tranzistorul este pornit, inductanta primara determina cresterea
curentului in rampa. O dioda integrata conectata in serie cu infasurarea secundara
impiedica formarea curentului pe secundar care s -ar opune in cele din urma rampei de
curent in primar. Cand tranzistorul este oprit, curentul din primar scade la zero. Energia
stocata in miezul magnetic este eliberata in secundar, deoarece campul m agnetic din
nucleu scade brusc. Tensiunea din bobina de iesire creste foarte repede ( de regula mai
putin de o microsecunda) pana cand aceasta este limitata de conditiile de incarcare. Odata
ce tensiunea atinge un nivel care sa permita tr ecere a curentului in secundar, curentul din
infas urarea secundara incepe sa iasa sub f orma unei unde rampa descendente .

Conec tand circuitul electronic, ansamblul plasma speaker la unosciloscop digital cu
sonde de inalta tensiune, folosind programul Rigol, am ridicat frecventa pana la 100 kHz,
permitandu -mi sa testez circuitul la tensiuni si frecvente mai mari, pentru auzul uman.
Mai jos prezint graficele cu formele de unda rezultate.

Fig. 10 Forme de unda la 10 V si 96 kHz

Amb ele forme de unda sunt la intrare de 10 V, la convertorul flyback. Traseul galben
{1} este de 10V / diviziune, cel albastru {2} este la fel 10V / diviziune. Galben {1} este
iesirea de la circuitul de comanda 555 . Albastrul {2} este alimentarea primarului la
convertorul flyback ( luata de la unul dintre iesirile lui ). Prima forma de unda este
separata, si nu are arc, a doua formeaza arcul. Frecventa in ambele cazuri este de
aproximativ 96 kHz. Nu exista nicio modulare audio (Fig. 10)

Tinand cont c a convertorul flyback este utilizat in functionarea dispozitivelor de af isare
CRT, monitoare de calculator CRT. Tensiunea si frecventa pot varia pe scara larga in
functie de dispozitiv. De exemplu un televizor color CRT mare poate sa necesite de la 20
– 50 kV cu o rata de scanare pe orizontala de 15.734 kHz pentru dis positive NTSC. Spre
deosebire d e un convertor de putere care utilizeaza un curent alternativ de 50 sau 60 Hz,
un convertor flyback functioneaza in mod obisnuit cu curenti comutati la frecvent e mult
mai mari in domeniul de la 15 kHz la 50 kHz.

Dupa ce tensiunea pe galben {1} este de aproximativ 10,8 V varf la varf, ceea ce este
corespunzator , deoarece circuitul de comanda este setat pe 12 V; tensiunea din albastru
{2} arata varful din domeniul de 160 V ( varf/arc ) si 230 V ( varf/arc ). Circuitul de
comanada este unul inversor, astfel incat, atunci forma de unda galbena {1} creste, cea
catre circuitul de comanda se micsoreaza, iar circuitul de comanda se opreste. Varfurile
albastre {2} sunt de clansate inductiv de la primar. Dupa incercari, a m adaugat
condensatori in paral el cu primarul convertorului flyback. Am experimentat pentru a gasi
valoarea corecta a condensatoarelor, pentru ca adaugarea lor permite obtinerea unui arc
mai stabil si mai ma re. Am folosit o pereche de condensatori de 0.01u / 1,6 kV. Primele
mele incarcari de testare la 15 V si 130 kHz au condus la incalzirea acestora, ar putea fi si
pentru ca varful inductiv a fost in vecinatatea a 20 V. (Fig 11 )

Fig. 11 Forme de unda la 15 V si 130 kHz

3. Concluzii

S-a constata t ca circuitul de comanda in punte completa are subtilitati cu intensitate mai
mica, in special in apropierea a 100 Hz, in plus r aspunsul spectral al circuitului de
comand a cu un singur capat a fost masurat in timp ce amplitudinea semnalului de la
intrare varia. Se constata ca pentru un semnal de intrare de 1 kHz raportul d intre
intensitatea fundamentalei si suma intensitatilor tonurilor a fost minimizata pentru o
amplitud ine de intrare de aproximativ 700 mV.

4. Bibliografice selectiva

 [1] Muntean, N. – ”Convertoare statice”, Ed. Politehnica, Timisoara, 1998 [10]
 [2] Smiths P. “Plasma speaker” 4 aprilie 2008, http://www.instructables.com/id/Bui ld-A-
Plasma -Speaker/ (Accesat 5 martie, 2017)
 [3] Guy Macon, “Plasma speaker” 21 noiembrie 2013,
https://en.wikipedia.org/wiki/Plasma_speaker (Accesat 6 martie, 2017)
 [4] John Iovine, “Plasma speaker” 9 martie 2015,
http://makezine.com/projects/plasma -arc-speaker/ (Accesat 6 martie, 2017)
 [5] Michael Hopkins & Thomas Houlahan, “Plasma speaker” 11 mai 2012,
https://courses.physics.illinois.edu/phys406/Student_Projects
(Accesat 12 martie, 2017)
 [6] Florin Ionescu, dan Floricau si Smaranda Nitu, Electronica de putere – Convertoare
statice, editura Tehnica, 5 aprilie 2015 [5]
 [7] Enciclopedia Circuitelor Electronice. TAB Books, Blue Ridge Summit, 1985
 [8] Muhammad H. Rashid, Power electronics handbook, editura Butterworth -Heinemann,
ediatia 3, 23 decembrie 2010
 [9] https://en.wikipedia.org/wiki/Flyback_converter
 [10] https://en.wikipedia .org/wiki/Flyback_transformer