Прежде чем мы перейдём к описанию предлагаемого для сборки источника высокого напряжения, напомним о необходимости соблюдать общие меры безопасности при работе с высокими напряжениями. Хотя это устройство даёт выходной ток чрезвычайно малого уровня, оно может быть опасным и вызовет довольно неприятный и болезненный удар, если случайно каснуться в неположенном месте. С точки зрения безопасности, это один из самых безопасных высоковольтных источников, поскольку выходной ток сравним с током обычных электрошокеров. Высокое напряжение на выходных клеммах — постоянного тока около 10-20 киловольт, и если подключить разрядник, то можно получить дугу 15 мм.
Схема источника высокого напряжения
Напряжение может регулироваться изменением количества ступеней в умножителе, например, если вы хотите, чтобы оно зажгло неоновые лампы — можно использовать одну, если хотите, чтобы работали свечи зажигания — можно использовать две или три, и если нужно более высокое напряжение — можно использовать 4, 5 и более. Меньше каскадов означает меньшее напряжение, но больший ток, что может увеличить опасность этого устройства. Парадокс, но чем больше напряжение, тем менее сложным будет нанести ущерб из-за питания, поскольку ток падает до пренебрежительно малого уровня.
Генератор высокого напряжения из строчника на транзисторе
Здравствуйте, уважаемые друзья! Сегодня я предлагаю вам собрать генератор высокого напряжения всего на одном транзисторе из строчного трансформатора ТВС-110ПЦ15 с умножителем напряжения УН9/57-13 от старого цветного телевизора. Схема довольно простая, построена по принципу блокинг генератора и содержит небольшое количество деталей.
Схема генератора высокого напряжения из строчника на одном транзисторе
Для сборки генератора вам понадобится один транзистор КТ819Г, или импортный аналог TIP41C, но лучше всего использовать MJE13009, поскольку этот транзистор выдерживает ток до 12 А и соответственно будет меньше греться. Лично я в своем генераторе использовал MJE13009. Транзистор обязательно намажьте термопастой и установите на радиатор, желательно с вентилятором.
Еще вам понадобится два резистора мощностью по 5 ватт. На 100 ом и 240 ом, в моем генераторе резисторы очень сильно грелись и я решил приклеить «поксиполом» небольшой радиатор. Самой важной деталью генератора является строчный трансформатор ТВС-110ПЦ15, возможно использовать ТВС-90ЛЦ5 и другие аналогичные от старых цветных, черно белых и даже ламповых телевизоров.
Строчный трансформатор ТВС-110ПЦ15
На магнитопроводе трансформатора надо намотать пару дополнительных обмоток. Катушка L1 содержит 10 витков, намотанных проводом диаметром 1 миллиметр. Катушку L2 мотаем проводом 1,5 миллиметра, всего 4 витка. Обе катушки должны быть намотаны в одну сторону. Вторичная высоковольтная обмотка остается без изменения.
Строчный трансформатор ТВС-110ПЦ15 с двумя дополнительными обмотками
Умножитель напряжения УН9/27-13 или аналогичный тоже нуждается в незначительной доработке. На нем надо удалить два неиспользуемых вывода, отмеченных на картинке красными стрелками, потом изолировать эти места «поксиполом». Делать это необязательно, но если вы случайно во время эксперимента коснетесь этих выводов… Волосы встанут дыбом и мало не покажется, конечно током не убьет, там очень мало ампер, но обжечь может. Между строчным трансформатором и умножителем устанавливается резистор на 470 ом.
Как это работает
После нажатия кнопки, ИК-диод включается и луч света попадает на датчик оптрона, этот датчик имеет выходное сопротивление около 50 Ом, что достаточно для включения транзистора 2n2222. Этот транзистор подаёт энергию батареи для питания таймера 555. Частоту и скважность импульсов можно регулировать изменением номиналов компонентов обвязки. В данном случае частота может регулироваться с помощью потенциометра. Эти колебания, через транзистор BD679, усиливающий импульсы тока, поступают на первичную катушку. Со вторичной снимается переменное напряжение, увеличенное в 1000 раз, и выпрямляется ВВ умножителем.
Детали для сборки схемы
Микросхема — любой таймер серии КР1006ВИ1. Для катушки — трансформатор с отношением сопротивления обмоток 8 Ом :1 кОм. Первое, на что необходимо обратить внимание при выборе трансформатора — это размер, так как количество энергии, которое они могут обрабатывать, пропорционально их размерам. Например размером с большую монету даст нам больше энергии, чем небольшой трансформатор.
Первое, что необходимо сделать для его перемотки, это удалить ферритовый сердечник для доступа к самой катушке. В большинстве трансформаторов две части склеиваются клеем, просто держите трансформатор плоскогубцами над зажигалкой, только осторожно, чтоб не расплавить пластик. После минуты клей должен расплавиться и надо разломить его на две части сердечника.
Учитывайте, что феррит очень хрупкий и трескается довольно легко. Для намотки вторичной катушки использовался эмалированный медный провод 0,15 мм. Намотка почти до заполнения, чтоб потом хватило ещё на один слой более толстого провода 0,3 мм — это будет первичка. Она должна иметь несколько десятков витков, около 100.
Почему здесь установлен оптрон — он обеспечит полную гальваническую развязку от схемы, с ним не будет электрического контакта между кнопкой замыкания питания, микросхемой и высоковольтной частью. Если случайно пробьёт высокое напряжение по питанию, то вы будете в безопасности.
Сделать оптрон очень легко, любой ИК-светодиод и ИК-датчик вставьте в термоусадочную трубку, как показано на картинке. В крайнем случае, если не хочется усложнять дело, уберите все эти элементы и подавайте питание замкнув К-Э транзистора 2N2222.
Обратите внимание на два выключателя в схеме, так сделано потому, что каждая рука должна быть задействована чтобы активировать генератор — это будет безопасно, уменьшает риск случайного включения. Также при работе устройства вы не должны прикасаться к чему-либо еще, кроме кнопок.
При сборке умножителя напряжения не забудьте оставить достаточный зазор между элементами. Обрежьте все торчащие выводы, поскольку они могут привести к коронным разрядам, которые сильно снижают эффективность.
Рекомендуем изолировать все оголенные контакты умножителя с термоклеем или другим аналогичным изоляционным материалом и, после этого, обернуть в термоусадочную трубку или изоленту. Это не только уменьшит риск случайных ударов, но и повысит эффективность схемы путем уменьшения потерь через воздух. Также для страховки добавили кусок пенопласта между умножителем и генератором.
Потребляемый ток должен быть примерно 0,5-1 ампер. Если больше — значит схема плохо настроена.
Высоковольтный источник напряжения
На сегодняшний день на рынке электроники стали более заметны случаи появления поддельных МДП-транзисторов. Поэтому актуальной задачей является входной контроль основных параметров этих полупроводниковых приборов, например, напряжение пробоя. Механизм пробоя полевого транзистора можно объяснить возникновением лавинного процесса в переходе затвор — канал. Обратное напряжение диода затвор — канал изменяется вдоль длины затвора, достигая максимального значения у стокового конца канала. Именно здесь происходит пробой полевого транзистора. Если выводы стока и истока поменять местами, то пробивное напряжение почти не изменится.
Сам метод определения напряжения пробоя основан на использовании высоковольтного источника напряжения с ограничением тока пробоя безопасной величиной [1]. В работе рассматривается вариант построения источника, который обеспечивает выходное напряжение до 500 В и ограничивает ток пробоя на уровне 250 мкА (рис.1).
Рис. 1. Модель измерения напряжения пробоя
Для создания основы высоковольтного источника напряжения можно использовать повышающий преобразователь напряжения. Самым рациональным и распространенным вариантом является обратноходовой преобразователь напряжения. Данное схемотехническое решение используется в схемах зажигания, заряда конденсаторов вспышек или, например, дефибраторов. Отличием разрабатываемого устройства от стандартного преобразователя является наличие ограничение выходного тока в случае возникновения пробоя. Это ограничение реализовано цепью обратной связи, отслеживающей падение напряжения на резисторе R4 (рис.2).
Рис. 2. Функциональная схема высоковольтного источника напряжения
Резистор R3 ограничивает выходной ток источника на безопасном для человека уровне и служит для обеспечения электробезопасности при работе с прибором. Диод VD4 является защитным и ограничивает выходное напряжение источника, а также служит дополнительной мерой безопасности. Резистор R2 разряжает конденсатор С1 после выключения прибора.
Работоспособность такого алгоритма управления проверялась в программе Micro-Cap [2]. Преобразователь работает в режиме прерывистых токов (рис. 3). Алгоритм расчета накопительного дросселя приведен в [3].
Рис. 3. Временные диаграммы работы преобразователя: а — напряжение на выходе V(Out) и напряжение на накопительном конденсаторе V(C1); б — ток первичной обмотки трансформатора I(W1); в — ток через датчик тока I(R4)
На начальном этапе преобразователь работает с постоянным коэффициентом заполнения D=0.8 (рис. 4). Импульсы управления силовым ключом при этом формируются компаратором DA1 в интервалы времени, когда пилообразное напряжение V(G1), поступающее на неинвертирующий вход компаратора больше, чем пороговое напряжение (напряжение на инвертирующем входе V(R1)). На этом этапе это напряжение задается источником опорного напряжения V1. Далее при пробое защитного диода VD4 напряжение на датчике тока R4 начинает расти, что в свою очередь вызывает рост напряжения на инвертирующем входе V(R1), и при превышении напряжения опорного источника V1 ширина управляющих импульсов уменьшается до тех пор, пока напряжение V(R1) не установится на том уровне, при котором ток через датчик стабилизирован и равен 250 мкА.
Рис. 4. Временные диаграммы работы системы управления: a — напряжение с генератора V(G1) и напряжение на инвертирующем входе компаратора V(R1); б — сигнал с выхода компаратора Vout (DA1)
Алгоритм работы ШИМ в этой схеме является типичным для подобных устройств, поэтому для создания этого высоковольтного источника можно применять стандартные решения для схем управления ключевым элементом. В частности, схему управления можно реализовать на любом ШИМ-контроллере с коэффициент заполнения больше 0.5.
Литература:
- AN-975B. Измерение характеристик МОП-транзистора // International Rectifier/
- Амелина М. А., Амелин С. А. Программа схемотехнического моделирования Micro-Cap. Версии 9, 10. [Электронный ресурс]: учеб. пособие / Амелина М. А., Амелин С.А — Электрон. текстовые дан. — СПб.: Лань, 2014. — 632 с. Режим доступа: URL https://e.lanbook.com/books/element.php?pl1_id=53665
- Браун М. Источники питания. Расчет и конструирование.: Пер. с англ. — К.: «МК-Пресс», 2007. 288 с.
Испытания генератора ВН
Было испытано два различных трансформатора — оба с отличными результатами. Первый имел меньший размер ферритового сердечника и, следовательно, меньше индуктивность, работал на частоте 2 кГц, а в другом около 1 кГц.
При первом запуске сначала проверьте генератор NE555, работает ли он. Подключите маленький динамик к ноге 3 — при изменении частоты вы должны услышать звук, исходящий из него. Если все сильно нагревается можно увеличить сопротивление первичной обмотки, намотав её проводом потоньше. И небольшой радиатор для транзистора рекомендуется. Да и правильная частота настройки является важной, чтобы избежать этой проблемы.
