[文長多圖注意]自製等離子喇叭－－初代機2.0（2017/01/03更新至2.0）

在文章開始之前，有幾件事必須先向各位讀者說明：
　一、這玩意兒應該算不上是逸品，但是我翻了一下論壇的相關文章，感覺只能放在這裡了。
　二、我不是機械、電機科系的學生，所以如果在電路還是結構部分有什麼缺陷之處，請多包涵。
　三、其實我是為了給自己做個紀念所以來發個文，平常幾乎是沈船狀態（逃～～。

文章結構：（建議想先看結果的讀者跳至「初代機2.0的誕生」觀看，是以目前最新的配置狀況拍的）
前言
發音原理（2017/01/02）
音訊合成電路
MOSFET與散熱單元
高壓輸出電路
漏電指示電路
十段溫度指示電路
結語
操作小記
實際運轉影片與一點小感想
初代機2.0的誕生（2017/01/03）

前言：

　　玩電子電路不一定要會洗電路板、做木製品也不一定要有鋸子、槌具等工具。電路只要會手工搭棚、板材使用巴沙木（飛機木），也可以在自己的書桌搞出些什麼玩具來！本篇所製作的玩意兒正是從書桌上生出來的，沒什麼技術上的問題。
　　等離子喇叭（其實我比較喜歡叫電漿喇叭）歪國人稱之為"Plasma Speaker"，在手作領域算是滿熱門的，Google搜尋"Plasma Speaker"就有需多相關文章，不過在臺灣這塊土地上好像比較難生根？可能因為它是高壓電吧？國人聽到高壓電的反應非常單純－－「哇！好危險，會死人的！」「驟凱，好恐怖！」。不過經過這次實作之後，老實說：被電到在所難免，但是也就麻麻的這樣，除非你玩的是什麼超高電壓、高電流的東西，那就可能真的會出人命。
　　總之，我認為還算安全（可能我安全係數太低？），但是你問我想不想主動被電，不要！打死都不要！我又不是M！

先來看一下成品圖：
全系統(電源供應器、發音裝置、水冷)



發音裝置（喇叭）本體




發音原理
　　電漿喇叭顧名思義就是靠電漿發出聲音的裝置，利用高壓電擊穿空氣使空氣粒子離子化而導電，此時這些離子化的空氣就叫「電漿」，至於要如何使電漿發出聲音呢？這就要用到一種叫做PWM的控制電路。
　　PWM電路簡單來說就是藉由一個基本的震盪波來乘載想要表現的波動（以電漿喇叭而言就是音訊波），本電路的基本震盪波是三角形波動，它的頻率必須高於我們耳朵可聽見的頻率（20KHz以上），當音訊波加入後會使兩個電路波形產生交點（下圖的Source Signals），在一個波動中交點前是高電位後是低電位，所以輸出會是一個由音訊電壓變化控制高低電位比例（占空比）的方波電路（下圖的PWM Signals），再送往MOSFET使它可以控制高壓線圈產生具有電漿，然後電漿會震動周圍空氣把音訊傳播出去，這時就會聽到音樂了。
　　簡單來說就是把音訊加入到一個高頻的震盪電路中給高壓變壓器產生電漿，電漿又會震動空氣產生音樂。

圖片From維基百科


喇叭本身共包含以下幾個部分：

一、音訊合成電路
　　這個其實我也不是很懂，總之就是以555震盪電路作基底加上音訊這樣，再把訊號傳給MOSFET的閘極控制功率較大的電路，這個部分的電路圖是參考國外這位玩家的文章：
http://www.instructables.com/id/Plasma-Arc-Vortex-Speaker/
文章裡面附加的Plasma Speaker_bb.pdf就是他的電路圖。
　　我是刻意不用洞洞板焊接的，總覺得飛機木加上手工電路比較搭，如果不是很在意的玩家可以直接用洞洞板甚至洗電路，整體電路長這樣（不含MOSFET、返馳變壓器與RC緩衝電路，稍後說明）：


　　圖片中可變電阻前的10K電阻是自己加上去的，主要是防止振盪電路壞掉。至於MOSFET、返馳變壓器與RC緩衝電路這部分，先來說說返馳變壓器好了：

　　返馳變壓器在大陸稱為高壓包、外國叫做Flyback Transformer(FBT)，是CRT螢幕裡面必備，不過在CRT絕種的年代根本超級難找，電子材料行沒有賣而且問店員搞不好連聽都沒聽過，但是露天倒是有許多二手貨，只是二手的SIZE太大我不喜歡，跑了一堆電子材料行都沒有收穫幾乎快要放棄的時候，突然在網路上找到了救星－－晶勇實業股份有限公司（https://chirk.com.tw/），臺灣有在做這種高壓產品的寥寥無幾，但是晶勇實業他們是生產這種東西的，市面上根本看不到（因為它是零件不是產品），沒有跟晶勇實業相遇這台喇叭根本玩不起來，這是我後來訂製的FBT（線圈比是6:2000）：



　　再來是MOSFET與RC緩衝電路這部分，這兩部份如果有看上面連結的文章的讀者應該有看到，這兩個東西需要散熱，所以就進入下個單元吧。

二、MOSFET與散熱單元
　　提到MOSFET就要從鐵盒子說起，什麼是鐵盒子呢？就是在電子控制箱裡面常用的電源供應器，翻了一下身邊的可用資源後只找到了這台明偉的12V350W鐵盒子，不過是個好物：有短路保護根本好用，對於我這種身邊沒電錶的人剛剛好。



　　不過拜這台鐵盒子所賜，我的MOSFET大軍幾乎全數陣亡，他的功率真大！


　　死了這一票MOSFET大部分是個人疏失，因為第一次接觸MOSFET，我去電子材料行採購時店員只會問電壓跟電流，不過其實還有一些很重要的參數要知道，就以STP75NF75這顆匹配度最好的場效晶體來說，這是它的規格表STP75NF75，注意PTOT的數值是300W，300瓦才能夠撐住鐵盒子的攻勢，之前那些MOSFET功率都太低了。另外有一款STP80NF75L也不錯，不過因為他多了一個L（低閘極電壓），雖然有300W的負荷能力但是容易爆熱燒毀，因為閘極開關太容易被開啟。
　　網路上的電漿喇叭大多會把MOSFET裝在一塊大大的散熱塊在接個風扇，我只能說一開始真的想得太簡單了，這是第一代散熱單元，自製風道並各自配給一個散熱塊，很好！一下下就燒了！不過我還是鐵齒地多試了幾次，結果可想而知。



　　後來我在網路資料發現MOSFET並聯可以藉由溫度平衡彼此的功率，於是我換了一塊較大的鋁塊，風扇跟原本鋁塊中間的地方也放滿了散熱塊，不錯，試運轉時可以撐比較久，但是差不多一首歌，但是如果進行可變電阻調整時，輸出的能量不小心調太高（後段說明），恭喜又有一顆MOSFET要掛了，而且對於電源輸出功率比MOSFET本身負荷功率大的電路來說，兩顆MOSFET只是有兩次機會可以燒，沒有意義。
　　綠色框就是原本風冷的散熱單元，後來改成水冷就廢棄了。


　　會讓我決定改成水冷系統的原因有兩個：
　　　1.風冷持久力太低了，而且當晶體過熱失控時很難有挽回的機會。
　　　2.經過多次實驗，我發現溫度變化對晶體的輸出功率也會有所影響。

　　因此決然改用水冷系統，但是並不是直接將MOSFET裝在水冷頭上，而是裝在致冷晶片的冷端上，目的是為了製造穩定低溫的環境，為了節省經費所以我用的是土砲水冷：電腦CPU水冷頭價格1K太貴了，區區一塊致冷片買他專用的水冷大頭（水族箱用）200有找，也可以用得嚇嚇叫了；水路接頭也不用啥牌子，去五金行買個銅管跟束帶就夠了；幫浦買顆小馬達沉水泵150元而已；熱排貴桑桑，買二手不解釋；水箱就更不用說啦，品牌費免了，拿個餅乾罐將就用，為了方便我還特地買了長管可以延伸；水冷液就是藥局蒸餾水加汽車百貨的水箱精這樣，比例嗎？反正又不是做什麼精準控制，開心就好。

水冷的整體圖


小小顆的水龜泡在水冷液裡面


水龜吃5V電源所以加了個電阻降壓


MOSFET+冷塊+致冷晶片+水冷頭，用螺絲鎖在原本風冷散熱塊上面，方便日後更換零件。


　　最後是RC緩衝電路，根據原作者表示：裝置RC緩衝電路是為了吸收FBT的反饋電壓以免損壞MOSFET；但是後來詢問了機械系朋友的電機教授，教授建議拿掉RC緩衝電路，因為可能會讓MOSFET造成共振。兩派說法都很有道理，反正我是霧煞煞，只有一句話是真理（朋友聽教授說的）：「電路什麼的很簡單，會運作就是好電路。」就這樣我最後並沒有拆下RC緩衝電路，原因是拆掉之後MOSFET又過載燒掉了（該死的鐵盒子）。另外需要注意的是，RC緩衝電路的電阻不能有電感（可是作者用鋁殼電阻啊！），電子材料行的店員說鋁殼電阻就是水泥電阻加上散熱片，所以我就不管那麼多買了水泥電阻，電容則是使用安規電容（下圖中黃黃的那顆）。



三、高壓輸出電路
　　高壓輸出電路其實沒什麼好說的，就是兩條高壓電線這樣，只是當初在進行高壓線路的裝配時滿擔心會因為絕緣不足而損毀電路零件，幸好沒有發生，另外，有些事情是必須注意的：
　　　1.電線絕緣必須足夠，絕緣不足的電線彼此太接近會直接擊穿包覆。
　　　2.放電針距離太長可能導致漏電。
　　　3.隨時做好被電的可能，如果放電針能夠順利放電就比較不容易電到。
　　　4.放電針最好加個散熱，曾經因放電高溫而使電線融化過，運作完畢不要任意碰觸放電針。

電線太接近且絕緣不足而擊穿披覆


放電針距離太長使電流由阻抗較小（木頭焦黑處）的路徑通過


挑高的高壓電線營造出架空電纜的感覺


四、漏電指示電路
　　寫著寫著文章也即將進入尾聲，到此之前的所有電路、單元已經可以讓喇叭運作，剩下的漏電指示電路與十段溫度指示電路只不過是為了方便操作與控制罷了，不裝也無妨。
　　說到這個漏電指示電路其實根本就沒有像名字那麼得厲害，只不過是誤打誤撞出來的結果。我原本是打算製作一個簡易的霓虹燈驅動路，為自己的裝置做一點古董機械的感覺，這是我在網路上找到的簡易霓虹燈驅動電路（霓虹燈驅動電路），這個電路其實好像是個韓國人做的，原本設計就是用12V電源。
　　有趣的來了，我當時笨笨的找不到脈衝變壓器，就天真地想說買個鐵環自己繞個線圈就行了。8:1K聽起來不難，當我開始繞線圈的時候才發現我錯了，也不知道繞了幾圈，反正一下子就放棄了，不過神奇的是通電後霓虹燈泡會亮！不過就是微微發亮而已，也無法做裝飾，但是既然做出來了就將就裝上去吧！幾次試驗下來，我發現每當我的高壓迴路有不正常放電時，這個微微亮的霓虹燈就會爆閃給你看，真棒！那麼朕就正式命你為漏電指示器好了！（霓虹燈表示：完全莫名其妙阿！）

漏電指示電路的實體圖


正常運作中的霓虹燈


因漏電而爆閃的霓虹燈


五、十段溫度指示電路
　　電漿喇叭運作時，MOSFET會產生大量的廢熱，必須做好散熱的控制，放電能量太強也有可能導致過熱，早期研製這台裝置的時候都是用手去摸摸看散熱片的溫度，挺麻煩的而且有幾次被燙出水泡來。因此萌生了裝置溫度指示器的電路，仔細查了一下網路資料，其實電子材料行都有賣數位溫度計，只是我就是想自己弄個來玩，數位化電路太過複雜了，所以我選擇了一個較為簡單的十段溫度電路，輸出原本是LED燈不過我後來改用真空管（其實叫輝光管），為啥是輝光管呢？阿就某天逛露天看到數字輝光管，而且小小一顆看起來很精緻就心動買了。
　　但是輝光管工作電壓是150V而溫度指示電路是9V，然後我的供應器是12V，根本完全亂七八糟阿，於是我又找了轉高壓跟轉低壓的電路，花了不少時間，最麻煩的是輝光管跟溫度指示電路的銜接電路，我只知道要用MPSA42的高壓電晶體，但是我不會算電路阿（汗。還好有個可以詢問電路問題的網站－－喬治查爾斯電子討論區，菜鳥到專業討論區發問真的是給站上的大大添了不少麻煩，真的是對他們很不好意思，後面附的連結就是討論的過程和後來組裝出來的電路（十段溫度指示電路）。

十段溫度指示電路的實體圖


裝在喇叭上的樣子


結語：

最後附上一些操作的技巧以及實際運轉的影片：

一、操作小記

1.電漿的穩定度與當時的環境有很大的關係，連一點風都有可能影響，可能需要隨時調整可變電阻，所以我後來把微調用的可變電阻換成了大顆的可變電阻，方便操作。


2.放電針的散熱不用太強，只要不會讓裝置過熱冒煙就好，所有後來裝上了一顆電阻調整轉速（綠色圈起來的那顆），太大聲妨礙電漿發聲效果。


3.當關閉裝置時，不可馬上關閉致冷晶片，MOSFET在裝置關閉後還會有一波高熱產生，但是也不要忘記關掉致冷晶片，不然就會整塊都結霜（下圖就是錯誤示範），如果真的不小心結霜記得先使其乾燥再重新啟動。


4.放電針的材質跟截面積會影響電將穩定度，使用尖端放電較穩定。


5.訊號源的飽和度（不知所云），反正多轉轉可變電阻就會發現電漿的強弱變化，太弱電漿會斷斷續續，太強聲音會不見而且會使MOSFET超級發燙，電流太強的電漿周圍會有微微的亮黃色，如果整條電漿都是亮黃色表示電流真的很強，這並不代表不好只是要注意MOSFET溫度。

電流太強


電流適中


6.如果覺得好亂好複雜，沒關係！把電源供應器功率換成小一點的搞不好就可以省掉水冷、溫度指示的電路，最好是MOSFET能負荷的功率一半左右就好，不過聲音勢必會變小。

7.氣流流動會把電漿搞得亂亂跑，所以使用時建議處在一個靜謐、氣流穩定的空間，簡單說就是快樂地與電漿一起獨處吧！

二、實際運轉影片與一點小感想

實際運轉影片
寢室裡面一定會有室友所以背景人聲請大家見諒了。

MOSFET:STP75NF75

筆電內置的EQ介面




歌曲：Gundam X_Dreams


歌曲：Spice and Wolf II Original Soundtrack_Kazoku

這次測試沒有調整好整體參數所以部分片段有許多雜音。

歌曲：Gundam Seed Destiny_Fields of Hope


　　長期觀察下來，以我的裝置而言，運作時高音成分比較重，低音容易有爆音的現象，所以在使用的時候我會調整EQ的設定。不過這種音響裝置我想可能主要以視覺爽度為主，發聲調整的問題畢竟這種發音方式真的不太實用，吹個氣就會爆走給你看（如果實用怎現在市面不普遍呢？），但是看到會唱歌的電漿還是很開心，也很慶幸連續6小時運轉完全無異常。
　　整個裝置總共費了將近二個月的時間完成，對於第一次嘗試這玩意兒，能做出這樣的發聲質量我已經滿足了，畢竟它是第一代咩！不過下次還有機會的話，或許會朝著更危險的喇叭邁進－－特斯拉音響，不過也不知道是多久之後的事了吧？

再附上一張關燈的運轉照，還滿有FEEL的。


初代機2.0的誕生

　　記得我在文章前有提過STP80NF75L這顆MOSFET，有了這顆MOSFET的協助初代機算是穩定了，不論在音質、音量上都有了很大的改善，但是我並不建議想嘗試的人馬上用這顆MOSFET，因為它並不能像STP75NF75那樣隨意調整都沒事，這顆不好好調是會出狀況的，振盪頻率（右邊可變電阻）不能太高，恰好頻率上升到耳朵聽不見的範圍即可，為了這個甜蜜點我也是噴了好幾顆MOSFET，能量（左邊可變電阻）必須要由最小開始轉起，不然一碰到MOSFET的極限，鐵盒子就短路警報了。
　　STP80NF75L這顆可以說是充分了展現出電漿的各種特性，也在低電流跟高電流有滿大的差異，以我個人是比較喜歡高電流的狀況，聲音比較飽滿只是沒調好能量低音會震動，只是溫度指示器會一直維持在6左右（用手摸燙燙Der~~）。

附上實際運轉影片

MOSFET:STP80NF75L

筆電內置的EQ介面


低電流運轉


歌曲：Spice and Wolf II Original Soundtrack_Kazoku


歌曲：Starship_Nothing's Gonna Stop Us Now


歌曲：江蕙_找無對手

高電流運轉


歌曲：Clean Bandit_Rather Be


歌曲：Train_Hey, Soul Sister


歌曲：伍佰_牽掛（演唱會版）

全文完，謝謝各位讀者耐心地看完這篇不專業的推廣教學文。（2016/12/29）