테슬라코일 스트리머의 직진성구현에 대한 고찰

우선 사진먼저 투척..!

 

오늘은 테슬라코일의 불꽃방전 모양에 의문을 가지고, 몇가지 실험을 해 보았습니다.

 

 

 

연속파모드로 작동하는 테슬라코일의 경우 주파수대역마다 스트리머의 모양에 다소간의 차이가 존재합니다.

수 메가헤르츠를 넘어가는 구동주파수를 가지는 고주파테슬라코일의 경우 스트리머 모양이 곧고 조용하며 스트리머에서 아크방전이 차지하는 비율이 높습니다.

 

일반적인 테슬라코일의 경우-경계가 애매하긴 하지만, HFSSTC로 분류하지 않는 테슬라코일의 경우, 스트리머가 코일방향을 제외한 모든방향으로 퍼지며 나아갑니다. 아크방전의 비율이 낮고 코로나의 비율이 큽니다.

 

비교적 낮은 주파수로 구동하는 SSTC의 방사형 스트리머

(https://www.youtube.com/watch?v=Q_SV8QoHLQ0)

 

13.56MHZ HFSSTC의 직선형 스트리머

(http://3happy3gong3.blog.me/221154499306)

 

 

이러한 차이를 만드는것에 대해서는 예전부터 어렴풋이 생각해보곤 했으나 이번기회에 좀더 깊이 생각하게 되었습니다.

 

HFSSTC의 경우 보편적인 테슬라코일보다 2차코일의 턴수가 극히 적습니다.

따라서 2차코일의 전압은 낮고 전류가 높습니다. 스트리머의 길이로 유추할 수 있는 전압보다 실제 전압이 훨씬 낮습니다.

 

 

위 그래프에서 알 수 있듯, 아크방전은 비교적 낮은 전압과 높은 전류환경에서 발생하게 되는데 , 처음에는 HFSSTC의 이러한 저전압고전류가 곧은 스트리머의 요인이라 생각했습니다.

하지만 낮은 주파수의 테슬라코일에서 공급전압을 낮춰 2차코일의 전압이 낮은경우에도 어느정도 퍼지는 성질을 유지하기때문에 주파수 자체또한 스트리머 모양에 영향을 끼치지 않을까합니다.

 

물론 무엇 하나가 방전형태를 결정짓기보단, 전압, 전류, 주파수, 공기밀도나 습도 등 여러 요인이 복합적으로 작용해 방전형태가 결정되지 않을까 싶네요..

 

무엇이 되었든 곧고 조용한 직선형태의 불꽃방전을 얻기 위해선 구동주파수가 어느정도 높아야될것입니다.

이러한 직선형태를 요하는 상황의 경우는 오디오변조 테슬라코일이 있겠습니다.

코로나 노이즈(corona hiss)가 최소화되어 방사형 스트리머를 통해 변조하는것보다 음질을 크게 높일 수 있습니다.

 

하지만 구동주파수를 높일수록 제작에 상당한 어려움이 있습니다.

임피던스 매칭이나 간섭등 신경쓸것들이 점차 많아집니다. 

저또한 아직 4MHZ밖에 도전해보지 않았으나, 여기까지 오는것만 하더라도 3달이 넘게 걸렸고 더 높은 주파수에 도전하게 되면 또다른 시행착오를 겪게 되겠죠.

 

저같은경우 이전포스팅에서 언급한적이 있는지는 모르겠으나 고음질의 오디오변조 테슬라코일을 제작하는것이 HFSSTC의 최종 도착지입니다.  하지만 전자의 달인님의 블로그를 보면서 전체 스트리머 중 아크방전이 대부분을 차지해 코로나노이즈가 완전히 없어질정도에 이르기 위해선 거의 10MHZ에 이르는 구동주파수가 필요할것 같았습니다.

 

이정도 주파수에 도전하려면 몇가지 시행착오를 거치느라 돈과 시간이 소요될테며 테슬라코일이 너무 예민해져(튜닝이 어렵고 외부영향을 많이 받는다는 의미로 사용했습니다) 휴대용으로 제작하기 까다로울것이 분명합니다.

그래서 현재 포터블로 제작하였으며 100V에서 안정적으로 작동하는 4MHZ 테슬라코일로도 직선형 스트리머를 구현할 방법을 모색해보았으며 꽤나 성공적인 결과를 얻었습니다.

 

테슬라코일의 스트리머의 경우 방전극과 그 주변 대기와의 전위차에 의한 코로나 및 아크방전에 의해 만들어집니다.

전위차란 전기장내에서 단위전하(+1쿨롱)가 가지는 전기적 위치에너지로 ,테슬라코일에서 2차코일과 주변 대기간의 전위차는 맨 하단에서 0이며 코일 위로 갈수록 점차 높아져 방전극 주변에서 최고조에 이릅니다. 때문에 주변의 낮은 전계인 대기를 향해 방전이 일어납니다.

 

그렇다면 방전극 주변의 전계를 방전극과 비슷한 수준으로 조절하면 방전의 모양을 조절하거나 방전의 유무나 형태를 조절할 수 있을것이라 생각했고 자그마하고 간단한 장치를 만들어 바로 실험해보았습니다.

 

 

 

장치라 부르기도 민망한 수준의 구성이네요;; 여튼 방전극과 그 주변은 저렇게 구성했습니다. 

 이때 이 구조물의 정전용량을 고려하여 공진점을 잡아야 합니다. 때문에 너무 크게 만들면 문제가 생깁니다.

 

방전극에서 방전이 일어나면 스트리머의 주변은 방전극/스트리머와 유사한 전위차를 가져 옆으로 방전이 일어나지 않으며 

방전극/스트리머와 전위차가 가장 크게나는 방향인 위쪽으로만 방전이 일어나게 됩니다.

 

플라즈마의 범위를 제한하고 가두는것이라 생각하면 좋을것같네요.

마치 핵융합장치의 토카막과 비슷하게 말이지요.

 

적용영상.

효과가 상당합니다.

https://blog.naver.com/dongjungim20/221216269591

에서 나오는 본래 작동영상과 비교하면 확연한 차이를 볼 수 있습니다.

확실히 직진성이 구현되었고 코로나노이즈도 많이 줄어들었습니다.(쿨링팬소리때문에 영상에서는 크게 체감되진 않지만..)

 

이를 이용하면 비교적 제작이 쉬운 낮은 주파수의 테슬라코일에서도 상당한 음질향상 효과를 기대할 수 있지 않을까 합니다.

 

구조물의 형태를 조절하면 플라즈마 구속의 성능을 높이거나 스트리머 형태또한 변형할 수 있지 않을까 싶지만 그만큼 난이도도 무척 높아질것같네요