DC-генератор высокого напряжения

Как мы определяем, что напряжение высокое? 100, 1000, или 10000Вольт считается высоким напряжением? По сравнению с 10-тью Вольтами, все они могут считаться высоким напряжением.
Высокое напряжение опасно для человеческой жизни. Уровень опасности зависит от тока. Очевидно, что 1000 вольт с током 100 мА  представляют большую опасность, чем 100 Вольт с таким же током, но это не означает, что с этой сотней Вольт можно халатно обращаться. Все же 100 Вольт все еще считается высоким напряжением  и этот факт должен быть понят.

Генератор высокого напряжения приведенный в этой статье, способен выдавать 10000 Вольт. Столь высокое напряжение может ионизировать воздух и газы, заряжать высоковольтные конденсаторы, обеспечивать работу маленького лазера или кинескопа, а также может быть полезно для различных экспериментов.

Описание схемы
Выше приведена схема генератора высокого напряжения,  в данном случае она работает от 12 вольт. Схема преобразует входные 12 Вольт в 10000 выходных  вольт, но уже с другой частотой. К вторичной обмотке трансформатора подключен умножитель напряжения с которого можно снимать от 1 до 10 кВ.  Микросхема CD4584  это  триггера Шмитта. Триггер U1a работает как генератор прямоугольных импульсов. Выход генератора соединен с U1-b----U1-f, а они соединены параллельно для увеличения тока. Затем с U1-b----U1-f подаются импульсы на базу транзистора Q1, транзистор открывается и через него протекает нарастающий ток Iк. Этот же ток будет протекать и через обмотку W1 трансформатора Т1, что приведет к тому, что в сердечнике трансформатора увеличивается магнитный поток, при этом во вторичной обмотке W2 трансформатора наводится ЭДС самоиндукции. В конечном итоге на выходе диода VD появиться положительное напряжение. (При этом если мы будем увеличивать длительность импульса приложенного к базе транзистора VT1, во вторичной цепи будет увеличиваться напряжение, т.к энергии будет отдаваться больше, а если уменьшать длительность, соответственно напряжение будет уменьшаться. Таким образом, изменяя длительность импульса в цепи базы транзистора, мы можем изменять выходные напряжения вторичной обмотки Т1).

На выходе вторичной обмотки получается от 800 до 1000 вольт, потом идет умножитель напряжения который увеличивает выходное напряжение в 10 раз.

Для нормальной работы схемы нужно установить выходную частоту генератора (U1-а) элементами  R1, R5 и C1 (приведенные на схеме номиналы составляет около 15 кГц). Потенциометр R5 используется для тонкой настройки выходной частоты генератора. Чем выше частота генератора, тем меньше емкостное сопротивление на множитель.

Светодиод показывает, что схема подключена к источнику питания, неоновая лампа дает нам знать, что схема работает нормально. Чтобы получить максимальное напряжение на умножителе нужно подключить к нему осциллограф через высоковольтный делитель и переменным резистором R5 добиться максимальной амплитуды сигнала. Если нет осциллографа, то можно визуально настроить схему,  для этого нужно выходной провод умножителя разместить на полдюйма от провода заземления и вращая R5 добиться максимальной длинны искры.

Список деталей
Все резисторы 1/2Ватт, допуск 5%
R1 = 1K5 (1.5K) (коричневый-зеленый-красный)
R2 = 300 Ом (оранжевый-черный-коричневый)
R3 = 220 Ом (красный- красный-коричневый)
R4 = 1 МОм (коричневый-черный-зеленый)
R5 = 10K переменный резистор
Конденсаторы
C1 = 0.022uF, 50 Вольт, металлизированная пленка
C2 = нет
C3-C12 = 0.001uF, 2000 Вольт,  керамический диск
С13 = 220uF, 25 Вольт, электролитический
C14 = 4700uF, 35 Вольт, электролитический
D1-D11 = 1N4007, 1А, 1000 Вольт
Q1 = TIP31A, NPN
U1 = MC1458BAL (CD4584) триггера Шмитта
LED1 = зеленый светодиод
Другие компоненты
Ne1 = Ne2---неоновые лампы
T1 = HVM COR-2B, ферритовый сердечник повышающего трансформатора (см. текст)
Высоковольтный трансформатор можно взять готовый (транс строчной развертки от лампового телевизора идеально подойдет), или намотать самому, пользуясь программой для расчета импульсных трансформаторов.

Внимание
Если вы дотронетесь до выходного провода умножителя, то получите сильный электрический удар. Кроме того, после отключения питания от схемы, заряд в конденсаторах  сохраняется на некоторое время. В целях безопасности необходимо замыкать выходной провод умножителя на землю.

Микросхема U1 представляет собой устройство КМОП и является чувствительным к статическому электричеству. Максимальное напряжение питания 15 вольт. Диод D11 защищает схему от неправильной полярности.
Конденсаторы и диоды работающие в умножителе должны быть с двойным запасом по напряжению. Диоды D1-- D10 состоят из двух последовательно включенных диода на 1000 Вольт 1 Ампер.

Само устройство может быть собрано на любой подходящей плате. Транзистор Q1 должен иметь хороший радиатор, иначе может случиться тепловой пробой. Умножитель собран таким образом, чтобы не было утечек (небольших крон) , все пайки должны быть закругленными и гладкими. В целях безопасности следует заизолировать умножитель, автор использовал высоковольтную шпатлевку. Выходной провод умножителя лучше взять с строчного трансформатора от телевизора, который идет на анод кинескопа. Этот провод может держать напряжение порядка 20000 вольт (зависит от модели телевизора)

Положительные и отрицательные ионы:
Полярность диода в умножителе будет определять полярность ионов. В прототипе автора, умножитель настроен на положительные ионы. Выходное напряжение 10000вольт. Если поменять полярность диодов, то будут отрицательные ионы. Выходное напряжение при этом будет - 10000вольт.

Эксперимент:
Если поместить выходной провод умножителя на расстояние от ½ до ¾ дюйма от провода заземления, то можно будет наблюдать искры. Следует помнить, что микросхема в генераторе чувствительна к статике, чтобы избежать выхода из строя микросхемы следует заземлить схему.

Если к умножителю подключить лампу, то в ней будут появляться небольшие грозы и вспышки. Конструкция умножителя позволяет снимать с него ряд напряжений от 1000 вольт до 10000 вольт.
Если схема не работает,  то прежде всего нужно проверить напряжение питания, потом с помощью осциллографа посмотреть импульсы на 6 ножке U1, там должны быть прямоугольные импульсы частотой примерно 12 кГц. Транзистор Q1 должен быть установлен на радиатор.

Следует также проверить высоковольтный трансформатор, для этого нужно отключить умножитель и  убедиться, что на выходе 800-1000вольт.  Проверить компоненты умножителя, вначале прозвонить тестером диоды, а потом проверить конденсаторы. Все эксперименты следует проводить в хорошо проветриваемом месте, так как при разрядах выделяется много озона. Он является вредным в больших концентрациях. При   разряде, схема излучает радио и телевизионные помехи (RFI). Они могут проявиться как шум на AM-радио или помехи на ТВ.

Эта статья первоначально была написана Vincent Vollono и опубликована в  " Electronics Now " и "Popular Electronics" журналах 1992 г.  Переписана и повторена Tony van Roon. (VA3AVR)

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Оригинал статьи

Теги:

• Высокое напряжение
• Перевод