Эффект Кирлиан — это физическое явление, связанное с возникновением коронного разряда в газовой среде вокруг объекта, находящегося в сильном неравномерном электрическом поле [1]. При подаче высокого напряжения на электрод, разделённый с объектом диэлектрической прослойкой, возникает ионизация воздуха, сопровождающаяся характерным свечением. Регистрация этого свечения позволяет получить визуальное изображение распределения электрического поля и процессов разряда, что и лежит в основе так называемой кирлиановской визуализации.

Интерес к эффекту Кирлиан обусловлен как его наглядностью, так и широким спектром возможных применений. Он используется в учебных демонстрациях по физике высоких напряжений, при исследовании коронного разряда и газовых разрядных процессов, а также в экспериментальных и прикладных установках для анализа свойств материалов, биологических объектов и поверхностных эффектов. Несмотря на существование коммерческих и лабораторных решений, разработка собственного прибора позволяет глубже понять физические принципы явления и оптимизировать конструкцию под конкретные задачи.

Целью данной работы является разработка и описание прибора для визуализации коронного разряда на основе эффекта Кирлиан. В статье рассматриваются физические основы эффекта, принципы построения высоковольтной части устройства, требования к изоляции и безопасности, а также методы получения и регистрации изображений разряда. Особое внимание уделяется практическим аспектам реализации прибора и анализу факторов, влияющих на качество и воспроизводимость визуализации.

Принципиальная схема данного прибора приведена на следующем рисунке. На входные контакты X1–X2 подаётся сетевое напряжение, которое с помощью AC–DC преобразователя U1 понижается до уровня 15 В постоянного тока. Полученное напряжение используется для питания выходного каскада, выполненного на транзисторе Q1, а также линейного стабилизатора U2, который дополнительно снижает его до 12 В.

Стабилизированное напряжение 12 В обеспечивает питание генератора сигналов U3, собранного на широко распространённой микросхеме NE555. Генератор формирует импульсный сигнал с частотой порядка 7,5 кГц и коэффициентом заполнения около 10–11 %. Значение коэффициента заполнения настраивается резистором R2.

Выходной сигнал генератора поступает на управляющий вход ключевого элемента Q1, который коммутирует первичную обмотку высоковольтного трансформатора THV1. На выходе трансформатора (XHV1) формируются высоковольтные импульсы, подаваемые далее на проводящее стекло прибора для формирования коронного разряда.

Трансформатор THV1 работает в нетипичном для подобных устройств режиме — в режиме четвертьволнового трансформатора Теслы с одним заземлённым концом [2]. Заземление осуществляется через электрическую сеть с помощью высоковольтных конденсаторов C1 и C2. Именно по этой причине в схеме применяется встроенный источник питания (U1), а не внешний адаптер. Для обеспечения режима свободных колебаний в первичной обмотке трансформатора отсутствует обратный (демпфирующий) диод.

Последовательно с первичной обмоткой трансформатора THV1 включён дроссель L1. Он предназначен для ограничения потребляемого тока в режиме холостого хода, когда биологический объект не контактирует с поверхностью прибора. В предельном случае дроссель L1 может быть исключён из схемы, однако при этом увеличивается тепловая нагрузка на трансформатор и выходной транзистор.

AC–DC преобразователь U1 служит для преобразования сетевого переменного напряжения в постоянное напряжение уровня 15 В и должен обеспечивать выходную мощность не менее 12 Вт. Для реализации данной функции может быть использована любая модель источника питания, удовлетворяющая указанным требованиям. В качестве проверенных решений можно рекомендовать преобразователи серий Mean Well NFM-15-15 [2] или EPS-15-15 [3], отличающиеся высокой надёжностью и стабильностью выходных параметров.

Высоковольтный трансформатор THV1 должен иметь не менее пяти секций вторичной обмотки и быть выполненным на ферритовом сердечнике. Следует отметить, что китайские производители часто не указывают точные наименования радиоэлементов. В розничных интернет-магазинах, в частности на Aliexpress, данный трансформатор обычно обозначается как «20KV High Frequency High Voltage Transformer Ignition Coil». Его внешний вид представлен на рисунках 2 и 3, а расположение на печатной плате — на рисунке 4.

Дроссель L1 содержит три витка толстого медного провода, намотанного на кольцевом сердечнике из нанокристаллического материала размерами 10×14×4.5 мм. Следует учитывать, что увеличение диаметра проводника снижает тепловыделение дросселя. Рекомендуется использовать провод диаметром не менее 1 мм, а предпочтительно — литцендрат эквивалентного сечения. Допускается применение любого другого дросселя с аналогичными параметрами: ток не менее 5 А и индуктивность порядка 80 мкГн.

Перечень остальных элементов схемы:

• U2 — линейный стабилизатор напряжения LM7812 на 12 вольт, в корпусе TO-220;
• U3 — генератор импульсов NE555 в DIP-корпусе;
• Q1 — mosfet-транзистор IRF3205 в корпусе TO-220. Его нужно установить на небольшой радиатор;
• D1, D2 — диоды 1N4148;
• D3 — диод UF4007;
• C1, C2, C7 — высоковольтные керамические конденсаторы: 4.7 nF * 6 kV;
• C3, C5 — керамические конденсаторы на любое напряжение;
• C4 — плёночный конденсатор: 2.7 nF (любое напряжение);
• C6 — плёночный конденсатор: 470 nF * 100 V;

Резисторы могут быть использованы любого типа с номинальной мощностью 0.125–0.25 Вт.

Необходимо рассказать ещё об одном элементе конструкции — двух стёклах, устанавливаемых между панелями. Каждое из них с одной стороны покрыто оксидом индия-олова, позволяющее проводить электрический ток и при этом оставаться прозрачным. Размеры стекла: 50*50*1.1 мм. В сети Aliexpress у него такое название: «Transparent Glass Indium Tin Oxide ITO».

При проектировании печатной платы были учтены особенности размещения силовых и высоковольтных цепей, а также требования к электрической изоляции.

На плате предусмотрено посадочное место для установки одного из двух вариантов AC–DC преобразователей U1: Mean Well NFM-15-15 или EPS-15-15. Предпочтительным является использование модели NFM-15-15.

В одном из углов печатной платы предусмотрена линия «TRIM», по которой допускается механическая подрезка угла платы. При этом высоковольтный вывод XHV1 оказывается изолированным в воздушной среде, что в ряде случаев обеспечивает лучшую электрическую изоляцию по сравнению со стеклотекстолитом.

Наиболее сложным этапом сборки прибора является установка двух стеклянных пластин и их подключение к электрической схеме. Стёкла устанавливаются в паз первой панели последовательно: сначала укладывается первое стекло, затем медная шинка, после чего — второе стекло. При этом проводящие поверхности стекол должны быть ориентированы внутрь конструкции и контактировать с медной шинкой (рис. 5–6). Проводящая сторона определяется с помощью омметра путём измерения сопротивления между щупами. Для фиксации стёкол допускается использование небольшого количества цианоакрилатного клея (суперклея) с выдержкой не менее 30 минут до полного схватывания.

Медная шинка представляет собой ⅃-образную полоску, вырезанную из тонкого медного листа. К шинке припаивается изолированный провод, который выводится через технологическое отверстие (рис. 6). В дальнейшем данный провод подключается к высоковольтному выводу XHV1 трансформатора THV1.

Собранный узел фиксируется второй панелью и стягивается двумя винтами M2×6 через верхние монтажные отверстия (рис. 6). Нижние винты устанавливаются после пайки провода к трансформатору THV1, после чего панели окончательно крепятся к корпусу винтами M2×10 (рис. 7). Допускается применение нижнего винта увеличенного диаметра (M2.5–M3). Такая конструкция обеспечивает механическую прочность, электрическую изоляцию пользователя от высоковольтных цепей и снижение утечек заряда между трансформатором и проводящим стеклом.

3D-модель прибора состоит из четырёх отдельных частей: корпуса, крышки и двух панелей для стёкол. Каждая часть представлена отдельным файлом и может быть изготовлена как совместно, так и по отдельности.

При отсутствии точных данных о выходном напряжении AC–DC преобразователя U1 первоначальную настройку рекомендуется выполнять без установленного на плате высоковольтного трансформатора THV1. Выходное напряжение U1 следует установить в диапазоне 14.5–15 В. Дополнительно с помощью осциллографа рекомендуется проконтролировать форму сигнала на затворе транзистора Q1. Частота следования импульсов должна составлять порядка 7.5 кГц, а коэффициент заполнения — около 10 %. После проверки указанных параметров трансформатор THV1 может быть установлен и запаян.

Перед первым включением прибора подстроечный резистор R2 необходимо повернуть в крайнее правое положение (по часовой стрелке). После включения устройства к поверхности стекла подносят любой токопроводящий предмет, электрически изолированный от пользователя. Плавно вращая резистор R2 против часовой стрелки, устанавливают требуемую интенсивность коронного разряда. Как правило, рабочее положение регулятора располагается вблизи середины его полного хода.

Внимание. При работе с прибором при открытой крышке необходимо строго соблюдать меры электробезопасности. Преобразователь U1 находится под сетевым напряжением.