Полезная электроника

 

Генераторы высокого напряжения малой мощности широко используют в дефектоскопии, для питания портативных ускорителей заряженных частиц, рентгеновских и электронно-лучевых трубок, фотоэлектронных умножителей, детекторов ионизирующих излучений. Кроме этого, их также применяют для электроимпульсного разрушения твердых тел, получения ультрадисперсных порошков, синтеза новых материалов, в качестве искровых течеискателей, для запуска газоразрядных источников света, при электроразрядной диагностике материалов и изделий, получении газоразрядных фотографий по методу С. Д. Кирлиан, тестировании качества высоковольтной изоляции. В быту подобные устройства находят применение в качестве источников питания для электронных уловителей ультрадисперсной и радиоактивной пыли, систем электронного зажигания, для электроэффлювиальных люстр (люстр А. Л. Чижевского), аэроионизаторов, устройств медицинского назначения (аппараты Д’Арсонваля, франклизации, ультратонотерапии), газовых зажигалок, электроизгородей, электрошокеров и т.д. [11.1 — 11.6].

 

Условно к генераторам высокого напряжения нами отнесены устройства, вырабатывающие напряжение выше 1 кВ.

Генератор высоковольтных импульсов с использованием резонансного трансформатора (рис. 11.1) выполнен по классической схеме на газовом разряднике РБ-3 [11.7].

Конденсатор С2 заряжается пульсирующим напряжением через диод VD1 и резистор R1 до напряжения пробоя газового разрядника. В результате пробоя газового промежутка разрядника конденсатор разряжается на первичную обмотку трансформатора, после чего процесс повторяется. В итоге на выходе трансформатора Т1 формируются затухающие высоковольтные импульсы амплитудой до 3...20 кВ.

Для защиты выходной обмотки трансформатора от перенапряжения параллельно ей подключен разрядник, выполненный в виде электродов с регулируемым воздушным зазором.

Трансформатор Т1 генератора импульсов (рис. 11.1) выполнен на незамкнутом ферритовом сердечнике М400НН-3 диаметром 8 и длиной 100 мм. Первичная (низковольтная) обмотка трансформатора содержит 20 витков провода МГШВ 0,75 мм с шагом намотки 5...6 мм. Вторичная обмотка содержит 2400 витков рядовой намотки провода ПЭВ-2 0,04 мм. Первичная обмотка намотана поверх вторичной через политетрафторэтиленовую (фторопластовую) прокладку 2x0,05 мм. Вторичная обмотка трансформатора должна быть надежно изолирована от первичной.

Вариант выполнения генератора высоковольтных импульсов с использованием резонансного трансформатора показан на рис. 11.2 [11.8]. В этой схеме генератора имеется гальваническая развязка от питающей сети. Сетевое напряжение поступает на промежуточный (повышающий) трансформатор Т1. Снимаемое со вторичной обмотки сетевого трансформатора напряжение поступает на выпрямитель, работающий по схеме удвоения напряжения.

 

 

 

В результате работы такого выпрямителя на верхней по схеме обкладке конденсатора С2 относительно нулевого провода появляется положительное напряжение,равное,где Uн—напряжение на вторичнои обмотке силового трансформатора.

 

На конденсаторе С1 формируется соответствующее напряжение противоположного знака. В результате напряжение на обкладках конденсатора СЗ будет равно

 

Скорость заряда конденсаторов С1 и С2 (С1=С2) определяется величиной сопротивления R1.

Когда напряжение на обкладках конденсатора СЗ сравняется с напряжением пробоя газового разрядника FV1, произойдет пробой его газового промежутка, конденсатор СЗ и, соответственно, конденсаторы С1 и С2 разрядятся, во вторичной обмотке трансформатора Т2 возникнут периодические затухающие колебания. После разряда конденсаторов и отключения разрядника процесс заряда и последующего разряда конденсаторов на первичную обмотку трансформатора Т2 повторится снова.

Высоковольтный генератор, используемый для получения фотографий в газовом разряде, а также для сбора ультрадисперсной и радиоактивной пыли (рис. 11.3) [11.2 — 11.5] состоит из удвоителя напряжения, релаксационного генератора импульсов и повышающего резонансного трансформатора.

Удвоитель напряжения выполнен на диодах VD1, VD2 и конденсаторах С1, С2. Зарядную цепочку образуют конденсаторы С1 — СЗ и резистор R1. Параллельно конденсаторам С1 — СЗ включен газовый разрядник на 350 В с последовательно соединенной первичной обмоткой повышающего трансформатора Т1.

Как только уровень постоянного напряжения на конденсаторах С1 — СЗ превысит напряжение пробоя разрядника, конденсаторы разрядятся через обмотку повышающего трансформатора и в результате образуется высоковольтный импульс. Элементы схемы подобраны так, что частота формирования импульсов около 1 Гц. Конденсатор С4 предназначен для защиты выходного зажима прибора от попадания сетевого напряжения.

Выходное напряжение устройства целиком определяется свойствами используемого трансформатора и может достигать 15 кВ. Высоковольтный трансформатор [11.2, 11.3] на выходное

напряжение порядка 10 кВ выполнен на диэлектрической трубке с внешним диаметром 8 и длиной 150 мм, внутри расположен медный электрод диаметром 1,5 мм. Вторичная обмотка содержит 3...4 тысячи витков провода ПЭЛШО 0,12, намотанных виток к витку в 10... 13 слоев (ширина намотки 70 мм) и пропитанных клеем БФ-2 с межслойной изоляцией из политетрафторэтилена. Первичная обмотка содержит 20 витков провода ПЭВ 0,75, пропущенного через кембрик из поливинилхлорида.,

 

В качестве такого трансформатора можно также применить модифицированный выходной трансформатор строчной развертки телевизора; трансформаторы электронных зажигалок, ламп-вспышек, катушек зажигания и др.

 

Газовый разрядник Р-350 может быть заменен переключаемой цепочкой динисторов типа КН102 (рис. 11.3, справа), что позволит ступенчато изменять выходное напряжение [11.5]. Для равномерного распределения напряжения на динисторах параллельно к каждому из них подключены резисторы одинакового номинала сопротивлением 300...510 кОм.

Вариант схемы высоковольтного генератора с использованием в качестве порогово-коммутирующего элемента газонаполненного прибора — тиратрона показан на рис. 11.4 [11.9].

Сетевое напряжение выпрямляется диодом VD1. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором С1 и подается на зарядную цепочку R1, С2. Как только напряжение на конденсаторе С2 достигнет напряжения зажигания тиратрона VL1, он вспыхивает.Конденсатор С2 заряжается через первичную обмотку Т1, тиратрон гаснет. Конденсатор вновь начинает заряжаться и т.д.

 

В качестве трансформатора Т1 использована автомобильная катушка зажигания (11.9).

 

Вместо тиратрона VL1 МТХ-90 можно включить один или несколько динисторов типа КН102. Амплитуду высокого напряжения можно регулировать количеством включенных динисторов.
Конструкция высоковольтного преобразователя с использованием тиратронного коммутатора описана в работе [11.10]. Отметим, что для разряда конденсатора могут быть использованы и другие виды газонаполненных приборов.

Более перспективно применение в современных генераторах высокого напряжения полупроводниковых переключающих приборов. Их достоинства отчетливо выражены: это высокая повторяемость параметров, меньшая стоимость и габариты, высокая надежность.

 

Ниже будут рассмотрены генераторы высоковольтных импульсов с использованием полупроводниковых коммутирующих приборов (динисторов, тиристоров, биполярных и полевых транзисторов).

Вполне равноценным, но слаботочным аналогом газовых разрядников являются динисторы.
На рис. 11.5 показана электрическая схема генератора, выполненного на динисторах [11.11]. По своей структуре генератор полностью подобен описанным ранее (рис. 11.1, 11.4). Основное отличие заключается в замене газового разрядника цепочкой последовательно включенных динисторов.

Следует отметить, что КПД такого аналога и коммутируемые токи заметно ниже, чем у прототипа, однако динисторы более доступны и более долговечны.

Несколько усложненный вариант генератора высоковольтных импульсов представлен на рис. 11.6 [11.12]. Сетевое напряжение подается на мостовой выпрямитель на диодах VD1 — VD4. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором С1. На этом конденсаторе образуется постоянное напряжение около 300 В, которое используется для питания релаксационного генератора, составленного из элементов R3, С2, VD5 и VD6. Его нагрузкой является первичная обмотка трансформатора Т1. Со вторичной обмотки снимаются импульсы амплитудой примерно 5 кВ и частотой следования до 800 Гц.

 

 

 

Цепочка динисторов должна быть рассчитана на напряжение включения около 200 В. Здесь можно использовать динисторы типа КН102 либо Д228 [11.12]. При этом следует учитывать, что напряжение включения динисторов типа КН102А, Д228А составляет 20 В\ КН102Б, Д228Б — 28 в КН102В, Д228В — 40 в;

 

КН102Г, Д228Г — 56 в; КН102Д, Д228Д — 80 в; КН102Е — 75 в; КН102Ж, Д228Ж — 120 в; КН102И, Д228И — 150 в.

В качестве трансформатора Т1 в приведенных выше устройствах может быть использован доработанный строчный трансформатор от черно-белого телевизора [11.12, 11.13]. Его высоковольтную обмотку оставляют, остальные удаляют и вместо них наматывают низковольтную (первичную) обмотку — 15...30 витков провода ПЭВ диаметром 0,5...0,8 мм.

При выборе числа витков первичной обмотки следует учитывать количество витков вторичной обмотки. Необходимо также иметь в виду, что величина выходного напряжения генератора высоковольтных импульсов в большей степени зависит от настройки контуров трансформатора в резонанс, нежели от соотношения числа витков обмоток.

Характеристики некоторых видов телевизионных трансформаторов строчной развертки приведены в таблице 11.1 [11.13].

Таблица 11.1. Параметры высоковольтных обмоток унифицированных телевизионных трансформаторов строчной развертки

С более подробной информацией по отечественным трансформаторам строчной развертки можно ознакомиться здесь

Тип трансформатора	Число витков	Провод	R обмотки, Ом
ТВС-А, ТВС-Б	720	ПЭЛШО 0,1	152
ТВС-70П1	2700	ПЭВ-2 0,05	1400
ТВС-70П2	1800	ПЭВ-2 0,05	800
ТВС-70П2	536	ПЭВ-2 0,12	170
ТВС-70АМ	720	ПЭЛШО 0,1	250
ТВС-90П4	1900	ПЭВШО 0,08	600
ТВС-110, ТВС-110М	940	ПЭЛШО 0,1	240
. ТВС-110А	1000	ПЭВ-2 0,1	250
ТВС-110Л1	1300	ПЭМ-2 0,09	430
ТВС-110Л2	900	ПЭВ-2 0,08	310
ТВС-110ЛЗ	940	ПЭЛШО 0,1	240

 

Тип трансформатора	Число витков	Провод	R обмотки, Ом
ТВС-110ЛА	1200	ПЭВ-2 0,1	380
ТВС-110АМ	900	ПЭВ-2 0,08	280
ТВС-110Л4	1290	ПЭМ-2 0,1	410
ТВС-110Л5	365	ПЭМ-2 0,35	6
ТВС-110П2	1650	ПЭМ-2 0,12	500
ТВС-90ЛЦ2, ТВС-90ЛЦ2-1	1900	ПЭВ-2 0,08	800
ТВС-90ЛЦ4	1904	ПЭМ-2 0,08	800
ТВС-90ЛЦ5	370	ПЭВ-2 0,35	13
ТВС-90ПЦ4	730	ПЭМ-2 0,15	28
ТВС-90ПЦ11	900	ПЭВ-2 0,14	—
ТВС-90ПЦ12	715	ПЭМ-2 0,5	27
ТВС-110ПЦ15	1080	ПЭВ-2 0,14	112
ТВС-110ПЦ16, ТВС-110ПЦ18	1050	ПЭВ-2 0,14	102

 

На рис. 11.7 представлена опубликованная на одном из сайтов схема двухступенчатого генератора высоковольтных импульсов, в котором в качестве элемента коммутации использован тиристор. В свою очередь, в качестве порогового элемента,определяющего частоту следования высоковольтных импульсов и запускающего тиристор, выбран газоразрядный прибор — неоновая лампа (цепочка HL1, HL2).

При подаче напряжения питания генератор импульсов, выполненный на основе транзистора VT1 (2N2219A — КТ630Г), вырабатывает напряжение порядка 150 В. Это напряжение выпрямляется диодом VD1 и заряжает конденсатор С2.

После того как напряжение на конденсаторе С2 превысит напряжение зажигания неоновых ламп HL1, HL2, через токоограничивающий резистор R2 произойдет разряд конденсатора на управляющий электрод тиристора VS1, тиристор отопрется. Разрядный ток конденсатора С2 создаст электрические колебания в первичной обмотке трансформатора Т2.

Напряжение включения тиристора можно регулировать, подбирая неоновые лампы с разным напряжением зажигания. Ступенчато изменять величину напряжения включения тиристора можно переключением числа последовательно включенных неоновых ламп (или заменяющих их динисторов).

Диаграмма напряжений на базе транзистора VT1 и на аноде тиристора показана на рис. 11.8. Как следует из представленных диаграмм, импульсы блокинг-генератора имеют длительность примерно 8 мс. Заряд конденсатора С2 происходит ступенчато-экспоненциально в соответствии с действием импульсов, снимаемых со вторичной обмотки трансформатора Т1.

На выходе генератора формируются импульсы напряжением примерно 4,5 кВ. В качестве трансформатора Т1 использован выходной трансформатор для усилителей низкой частоты. В качестве высоковольтного трансформатора Т2 использован трансформатор от фотовспышки или переработанный (см. выше) телевизионный трансформатор строчной развертки.
Схема еще одного варианта генератора с использованием неоновой лампы в качестве порогового элемента приведена на рис. 11.9(11.12].

Релаксационный генератор в нем выполнен на элементах R1, VD1, С1, HL1, VS1. Он работает при положительных полупериодах сетевого напряжения, когда конденсатор С1 заряжается до напряжения включения порогового элемента на неоновой лампе HL1 и тиристоре VS1. Диод VD2 демпфирует импульсы самоиндукции первичной обмотки повышающего трансформатора Т1 и позволяет повысить выходное напряжение генератора. Выходное напряжение достигает 9 кВ. Неоновая лампа одновременно является сигнализатором включения устройства в сеть.

 

Высоковольтный трансформатор намотан на отрезке стержня диаметром 8 и длиной 60 мм из феррита М400НН. Вначале размещают первичную обмотку — 30 витков провода ПЭЛШО 0,38, а затем вторичную — 5500 витков ПЭЛШО 0,05 или большего диаметра. Между обмотками и через каждые 800... 1000 витков вторичной обмотки прокладывают слой изоляции из поливинилхлоридной изоляционной ленты.

 

В генераторе возможно введение дискретной многоступенчатой регулировки выходного напряжения переключением в последовательной цепи неоновых ламп либо динисторов (рис. 11.10). В первом варианте обеспечиваются две ступени регулирования, во втором — до десяти и более (при использовании динисторов КН102А с напряжением включения 20 В).

 

 

Простой генератор высокого напряжения (рис. 11.11) позволяет получить на выходе импульсы амплитудой до 10 кВ [11.14].

 

Переключение управляющего элемента устройства происходит с частотой 50 Гц (на одной полуволне сетевого напряжения). В качестве порогового элемента использован диод VD1 Д219А (Д220, Д223), работающий при обратном смещении в режиме лавинного пробоя.

При превышении на полупроводниковом переходе диода напряжения лавинного пробоя происходит переход диода в проводящее состояние. Напряжение с заряженного конденсатора С2 подается на управляющий электрод тиристора VS1. После включения тиристора конденсатор С2 разряжается на обмотку трансформатора Т1.

Трансформатор Т1 не имеет сердечника. Он выполнен на катушке диаметром 8 мм из полиметилметакрилата или политетрахлорэтилена и содержит три разнесенных секции шириной по 9 мм. Повышающая обмотка содержит 3x1000 витков, намотанных проводом ПЭТФ, ПЭВ-2 0,12 мм. После намотки обмотка должна быть пропитана парафином. Поверх парафина накладывается 2 — 3 слоя изоляции, после чего наматывают первичную обмотку — 3x10 витков провода ПЭВ-2 0,45 мм.

Тиристор VS1 можно заменить другим на напряжение выше 150 В. Лавинный диод можно заменить цепочкой динисторов (рис. 11.10, 11.11 внизу).

Схема маломощного переносного источника импульсов высокого напряжения с автономным питанием от одного гальванического элемента (рис. 11.12) состоит из двух генераторов [11.15]. Первый построен на двух маломощных транзисторах, второй — на тиристоре и динисторе.

Каскад на транзисторах разной проводимости преобразует низковольтное постоянное напряжение в высоковольтное импульсное. Времязадающей цепочкой в этом генераторе служат элементы С1 и R1. При включении питания открывается транзистор VT1, и перепад напряжения на его коллекторе открывает транзистор VT2. Конденсатор С1, заряжаясь через резистор R1, уменьшает базовый ток транзистора VT2 настолько, что транзистор VT1 выходит из насыщения, а это приводит к закрыванию и VT2. Транзисторы будут закрыты до тех пор, пока конденсатор С1 не разрядится через первичную обмотку трансформатора Т1.

Повышенное импульсное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Т1, выпрямляется диодом VD1 и поступает на конденсатор С2 второго генератора с тиристором VS1 и динистором VD2. В каждый положительный полупериод накопительный конденсатор С2 заряжается до амплитудного значения напряжения, равного напряжению переключения динистора VD2, т.е. до 56 В (номинальное импульсное отпирающее напряжение для динистора типа КН102Г).

Переход динистора в открытое состояние воздействует на цепь управления тиристора VS1, который в свою очередь тоже открывается. Конденсатор С2 разряжается через тиристор и первичную обмотку трансформатора Т2, после чего динистор и тиристор вновь закрываются и начинается очередной заряд конденсатора — цикл переключений повторяется.

Со вторичной обмотки трансформатора Т2 снимаются импульсы с амплитудой в несколько киловольт. Частота искровых разрядов равна примерно 20 Гц, но она намного меньше частоты импульсов, снимаемых со вторичной обмотки трансформатора Т1. Происходит это потому, что конденсатор С2 заряжается до напряжения переключения динистора не за один, а за несколько положительных полупериодов. Величина емкости этого конденсатора определяет мощность и длительность выходных разрядных импульсов. Безопасное для динистора и управляющего электрода тринистора среднее значение разрядного тока выбрано из расчета емкости этого конденсатора и величины импульсного напряжения, питающего каскад. Для этого емкость конденсатора С2 должна быть примерно 1 мкФ.

Трансформатор Т1 выполнен на кольцевом ферритовом магнитопроводе типа К10x6x5. Он имеет 540 витков провода ПЭВ-2 0,1 с заземленным отводом после 20-го витка. Начало его намотки присоединяется к транзистору VT2, конец — к диоду VD1. Трансформатор Т2 намотан на катушке с ферритовым или пермаллоевым сердечником диаметром 10 мм, длиной 30 мм. Катушку с внешним диаметром 30 мм и шириной 10 мм наматывают проводом ПЭВ-2 0,1 мм до полного заполнения каркаса. Перед окончанием намотки делается заземленный отвод, и последний ряд провода из 30...40 витков наматывается виток к витку поверх изолирующего слоя лакоткани.

Трансформатор Т2 по ходу намотки необходимо пропитывать изолирующим лаком или клеем БФ-2, затем тщательно просушить.

Вместо VT1 и VT2 можно применить любые маломощные транзисторы, способные работать в импульсном режиме. Тиристор КУ101Е можно заменить на КУ101Г. Источник питания — гальванические элементы с напряжением не более 1,5 В, например, 312, 314, 316, 326, 336, 343, 373, или дисковые никель-кадмиевые аккумуляторы типа Д-0,26Д, Д-0,55С и т.п.

Тиристорный генератор высоковольтных импульсов с сетевым питанием показан на рис. 11.13 [11.16].

 

Во время положительного полупериода сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через резистор R1, диод VD1 и первичную обмотку трансформатора Т1. Тиристор VS1 при этом закрыт, поскольку отсутствует ток через его управляющий электрод (падение напряжения на диоде VD2 в прямом направлении мало по сравнению с напряжением, необходимым для открывания тиристора).

 

При отрицательном полупериоде диоды VD1 и VD2 закрываются. На катоде тиристора образуется падение напряжения относительно управляющего электрода (минус — на катоде, плюс — на управляющем электроде), в цепи управляющего электрода появляется ток, и тиристор открывается. В этот момент конденсатор С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора. Во вторичной обмотке появляется импульс высокого напряжения. И так — каждый период сетевого напряжения.

На выходе устройства формируются двухполярные импульсы высокого напряжения (поскольку при разряде конденсатора в цепи первичной обмотки возникают затухающие колебания).

Резистор R1 может быть составлен из трех параллельно соединенных резисторов МЛТ-2 сопротивлением по 3 кОм.

Диоды VD1 и VD2 должны быть рассчитаны на ток не менее 300 мА и обратное напряжение не ниже 400 В (VD1) и 100 В (VD2). Конденсатор С1 типа МБМ на напряжение не ниже 400 В. Его емкость — доли-единицы мкФ — подбирают экспериментально. Тиристор VS1 типа КУ201К, КУ201Л, КУ202К — КУ202Н. Трансформатор Т1 — катушка зажигания Б2Б (на 6 В) от мотоцикла или автомобиля.

В устройстве может быть использован телевизионный трансформатор строчной развертки ТВС-110Л6, ТВС-110ЛА, ТВС-110АМ.

Достаточно типичная схема генератора высоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии показана на рис. 11.14 [11.17].

 

Генератор содержит гасящий конденсатор С1, диодный выпрямительный мост VD1 — VD4, тиристорный ключ VS1 и схему управления. При включении устройства заряжаются конденсаторы С2 и СЗ, тиристор VS1 пока закрыт и ток не проводит. Предельное напряжение на конденсаторе С2 ограничено стабилитроном VD5 величиной 9 В. В процессе зарядки конденсатора С2 через резистор R2 напряжение на потенциометре R3 и, соответственно, на управляющем переходе тиристора VS1 возрастает до определенного значения, после чего тиристор переключается в проводящее состояние, а конденсатор СЗ через тиристор VS1 разряжается через первичную (низковольтную) обмотку трансформатора Т1, генерируя высоковольтный импульс. После этого тиристор закрывается и процесс начинается заново. Потенциометр R3 устанавливает порог срабатывания тиристора VS1.

 

Частота повторения импульсов составляет 100 Гц. В качестве высоковольтного трансформатора может быть использована автомобильная катушка зажигания. В этом случае выходное напряжение устройства достигнет 30...35 кВ. Тиристорный генератор высоковольтных импульсов (рис. 11.15) управляется импульсами напряжения, снимаемого с релаксационного генератора, выполненного на динисторе VD1 [11.18]. Рабочая частота генератора управляющих импульсов (15...25 Гц) определяется величиной сопротивления R2 и емкостью конденсатора С1.

 

 

Релаксационный генератор связан с тиристорным ключом через импульсный трансформатор Т1 типа МИТ-4. В качестве выходного трансформатора Т2 используется высокочастотный трансформатор от аппарата для дарсонвализации «Искра-2». Напряжение на выходе устройства может доходить до 20...25 кВ.

 

На рис. 11.16 показан вариант подачи импульсов управления на тиристор VS1.

Преобразователь напряжения (рис. 11.17), разработанный в Болгарии, содержит два каскада. В первом из них нагрузкой ключевого элемента, выполненного на транзисторе VT1, является обмотка трансформатора Т1. Управляющие импульсы прямоугольной формы периодически включают/выключают ключ на транзисторе VT1, подключая/отключая тем самым первичную обмотку трансформатора.

 

Во вторичной обмотке наводится повышенное напряжение, пропорциональное коэффициенту трансформации. Это напряжение выпрямляется диодом VD1 и заряжает конденсатор С2, который подключен к первичной (низковольтной) обмотке высоковольтного трансформатора Т2 и тиристору VS1. Управление работой тиристора осуществляется импульсами напряжения, снимаемыми с дополнительной обмотки трансформатора Т1 через цепочку элементов, корректирующих форму импульса.

 

В результате тиристор периодически включается/отключается. Конденсатор С2 разряжается на первичную обмотку высоковольтного трансформатора.

Далее