Мій високовольтний генератор, мої захоплюючі і небезпечні експерименти

Інформація надана виключно в освітніх цілях!
Адміністратор сайту не несе відповідальності за можливі наслідки використання наданої інформації.

Мій генератор високої напруги (HV) я використовую в багатьох своїх проектах (генератор Маркса. Біполярна котушка Тесла. Вибухають зволікання):

елементи -
1 - вимикач
2 - варістор
3 - конденсатор придушення е / м перешкод
4 - трансформатор понижуючий від ДБЖ
5 - випрямляч (діоди Шотткі) на радіаторі
6 - конденсатори фільтра, що згладжує
7 - стабілізатор напруги 10 В
8 - генератор прямокутних імпульсів з регульованою змінним резистором скважностью
9 - драйвер MOSFET-ів
10 - включені паралельно MOSFET-и IRF540, закріплені на радіаторі
11 - високовольтна котушка на ферритовом осерді з монітора
12 - високовольтний вихід
13 - електрична дуга

Схема джерела - досить стандартна, заснована на схемі "флайбек" -перетворювачі (flybackconverter):

Варистор S10K275 служить для захисту від перенапруги:

S - дисковий варістор
10 - діаметр диска 10 мм
K - похибка 10%
275 - макс. напруга змінного струму 275 В

Конденсатор C знижує перешкоди, створювані генератором в мережі електропостачання. Як нього використаний помехоподавляющий конденсатор X типу.

Трансформатор - з джерела безперебійного живлення:

Первинна обмотка трансформатора Tr підключена до мережевої напруги 220 В, а вторинна - до мостового випрямляча VD1.

Чинне значення напруги на виході вторинної обмотки становить 16 В.

Випрямляч зібраний з трьох корпусів здвоєних діодів Шотткі, закріплених на радіаторі - SBL2040CT, SBL1040CT:

SBL2040 CT - макс. середній випрямлений струм 20 А, макс. пікове зворотне напруга 40 В, макс. чинне зворотна напруга 28 В
з'єднані паралельно:
SBL1040 CT - макс. середній випрямлений струм 10 А, макс. пікове зворотне напруга 40 В, макс. чинне зворотна напруга 28 В
SBL1640 - макс. середній випрямлений струм 16 А, макс. пікове зворотне напруга 40 В, макс. чинне зворотна напруга 28 В

Пульсує напруга на виході випрямляча згладжується фільтруючими конденсаторами: електролітичними CapXonC1. C2 ємністю 10000 мкФ на напругу 50 В і керамічним C3 ємністю 150 нФ. Потім постійна напруга (20,5 В) надходить на ключовий MOSFET і на стабілізатор напруги, на виході якого діє напруга 10 В, що служить для живлення генератора імпульсів.

Стабілізатор напруги зібраний на мікросхемі IL317:

Дросель L і конденсатор C служать для згладжування пульсацій напруги.
Світлодіод VD3. включений через баластний резистор R4. служить для індикації наявності напруги на виході.
Змінний резистор R2 служить для підстроювання рівня вихідної напруги (10 В).

Генератор зібраний на таймері NE555 і вирабитивает прямокутні імпульси. Особливістю цього генератора є можливість змінювати шпаруватість імпульсів за допомогою змінного резистора R3. не змінюючи їх частоти. Від скважности імпульсів, тобто від співвідношення між тривалістю включеного і вимкненого стану ключа залежить рівень напруги на вторинній обмотці трансформатора.

Ra = R1 + верхня частина R3
Rb = нижня частина R3 + R2
тривалість "1" $ T1 = 0,67 \ cdot Ra \ cdot C $
тривалість "0" $ T2 = 0,67 \ cdot Rb \ cdot C $
період $ T = T1 + T2 $
частота $ f = \ cdot C> $

При переміщенні движка змінного резистора R3 сумарний опір Ra + Rb = R1 + R2 + R3 не змінюється, тому не змінюється і частота проходження імпульсів, а змінюється тільки співвідношення між Ra і Rb. і, отже, змінюється шпаруватість імпульсів.

Ключ івисоковольтний трансформатор
Імпульси від генератора керують через драйвер ключем на двох включених паралельно MOSFET ах (MOSFET - metal-oxide-semiconductor field effect transistor. МОП-транзистор ( "метал-оксид-напівпровідник"), МДП-транзистор ( "метал-діелектрик-напівпровідник" ), польовий транзистор з ізольованим затвором) IRF540N в корпусі TO-220. закріплених на масивному радіаторі:

G - затвор
D - стік
S - витік
Для транзистора IRF540N максимальна напруга "втік-витік" становить VDS = 100 вольт. а максимальний струм стоку ID = 33/110 ампер. У цього транзистора малий опір у відкритому стані (RDS on) = 44 мілліома. Напруга відкривання транзистора становить VGS (th) = 4 вольта. Робоча температура - до 175 ° C.
Можна використовувати і транзистори IRFP250N в корпусі TO-247.

Драйвер потрібен для більш надійного управління MOSFET -транзісторамі. У найпростішому випадку він може бути зібраний з двох транзисторів (n-p-n і p-n-p):

Резистор R1 обмежує струм затвора при включенні MOSFET -а, а діод VD1 створює шлях для розряду затвора ємності при виключенні.

MOSFET замикає / розмикає ланцюг первинної обмотки високовольтного трансформатора, в якості якого використаний трансформатор рядкової розгортки ( "строчник", flyback transformer (FBT)) зі старого монітора Samsung SyncMaster 3Ne:

На принциповій схемі монітора показаний високовольтний вивід HV сатиричного трансформатора T402 (FCO-14AG-42). підключається до анода кінескопа CRT1:

З трансформатора я використовував тільки сердечник, так як в рядковий трансформатор вбудовані діоди, які залиті смолою і не підлягають видаленню.
Сердечник такого трансформатора виготовлений з фериту і складається з двох половинок:

Для запобігання насичення в осерді за допомогою пластикової прокладки (spacer) робиться повітряний зазор.
Вторинну обмотку я намотав великим числом (

500) витків тонкого дроту (опір

34 Ом), а первинну - товстим проводом з малим числом витків.

Різкі перепади струму в первинній обмотці трансформатора при виключенні MOSFET -а індукують високовольтні імпульси у вторинній обмотці. На це витрачається енергія магнітного поля, накопичена при зростанні струму в первинній обмотці. Висновки вторинної обмотки можуть бути або підключені до електродів для отримання, наприклад, електричної дуги, або підключені до випрямляча для отримання високого постійної напруги.

Діод VD1 і резистор R (снабберная (snubber) ланцюжок) обмежують імпульс напруги самоіндукції в первинній обмотці трансформатора при розмиканні ключа.

Моделювання генератора високої напруги
Результати моделювання процесів в генераторі високої напруги в програмі LTspice представлені нижче:

На першому графіку видно, як наростає струм в первинній обмотці за експоненціальним законом (1-2), потім різко обривається в момент розмикання ключа (2).
Напруга на вторинній обмотці трохи реагує на плавне зростання струму в первинній обмотці (1), але різко зростає при обриві струму (2). На інтервалі (2-3) струм в первинній обмотці відсутня (ключ вимкнений), а потім знову починає зростати (3).