Technologia wysokich napięć to szczególny kierunek w elektronice, który ma swój niepowtarzalny duch, estetykę i cechy. Tysiące pasjonatów na całym świecie buduje najróżniejsze konstrukcje, począwszy od prostych mnożników po ogromne generatory Van de Graaffa i cewki Tesli – z reguły wszystkie te urządzenia nie mają żadnego praktycznego zastosowania, ich wartość polega właśnie na tworzeniu kolorowych, wysoko- wyładowania napięciowe.
Najtańszy element zdolny do generowania wysokiego napięcia można śmiało nazwać transformatorem liniowym - element ten jest obecny w każdym telewizorze CRT; w tej chwili cena takich transformatorów staje się bardzo niska, biorąc pod uwagę, że telewizory CRT stopniowo stają się popularne przeszłość. Można wyróżnić dwa typy takich transformatorów – TDKS, z wbudowanym powielaczem, oraz TVS – transformator „goły”, do którego można osobno podłączyć powielacz.W obu przypadkach, aby taki transformator wytworzył wysokie napięcie, potrzebny jest specjalny obwód, który „popompuje” jego uzwojenie pierwotne napięciem o wysokiej częstotliwości, która może zmieniać się w przedziale 1-100 kHz. W Internecie można znaleźć dość dużą liczbę podobnych obwodów, często prostych obwodów typu single-ended wykorzystujących tylko jeden mocny tranzystor, który zamyka i otwiera obwód uzwojenia pierwotnego transformatora liniowego o wymaganej częstotliwości - takie obwody, choć proste, mają dość niską sprawność (tranzystor bardzo się nagrzewa) i małą moc, przez co nie pozwalają na ujawnienie pełnego potencjału transformatora i wyciągnięcie z niego maksymalnej możliwej mocy - oraz długość, moc i jasność wyładowania zależą bezpośrednio od mocy.
Schemat
Układ prezentowany w tym artykule to klasyczna przetwornica półmostkowa oparta na mikroukładzie IR2153, która może wytworzyć na obciążeniu całkiem sporą moc - do 500 W przy zastosowaniu odpowiednich tranzystorów na wyjściu, a przy niewielkich modyfikacjach nawet kilka kilowatów. Jednocześnie sam obwód wygląda na bardzo prosty w montażu, nie zawiera drogich elementów i jest wysoce powtarzalny.
Obciążeniem obwodu jest indukcyjność L1 – w naszym przypadku jest to uzwojenie pierwotne transformatora liniowego. Ale także w oparciu o ten obwód można montować różne inne urządzenia wymagające napięcia o wysokiej częstotliwości i dużej amplitudzie, na przykład nagrzewnicę indukcyjną. Dla przejrzystości poniższy rysunek pokazuje kształt sygnału na wyjściu obwodu bez podłączonego obciążenia - prawie idealne impulsy prostokątne.
Trochę o szczegółach i działaniu konwertera
Mikroukład IR2153 działa jak prostokątny generator impulsów typu push-pull - jest push-pull, ponieważ ma dwa wyjścia (piny 5 i 7), a mikroukład steruje jednocześnie dwoma tranzystorami polowymi, górnym i dolnym ramieniem. Tego mikroukładu nie brakuje, na jego bazie budowane są niektóre zasilacze sieciowe i inne urządzenia przełączające, cena za niego w sklepach z komponentami radiowymi zwykle nie przekracza 100 rubli. Ten mikroukład jest wygodny, ponieważ zawiera już wewnątrz diodę Zenera, co pozwala na zasilanie mikroukładu z tego samego napięcia co obciążenie - napięcie to dla efektywnej pracy półmostka powinno wynosić 100-300 woltów, a zatem dodatkowe Do zasilania logicznej części obwodu nie jest wymagane źródło niskiego napięcia. Rezystor ograniczający prąd przez diodę Zenera mikroukładu to R1 - jego wartość jest oznaczona gwiazdką na schemacie. Rezystancja tego rezystora będzie zależała od napięcia zasilania całego obwodu - im wyższe napięcie zasilania, tym większa będzie wartość rezystancji; dokładną wartość dla dowolnego napięcia zasilania można obliczyć za pomocą kalkulatora do obliczenia rezystora diody Zenera . Wartość znamionowa podana na schemacie jest odpowiednia dla napięcia zasilania 250 woltów. Należy również wziąć pod uwagę, że na tym rezystorze zostanie rozproszona część mocy, dlatego konieczne jest zastosowanie albo jednego rezystora 1-3 W, albo kilku rezystorów małej mocy równolegle, jak to się robi na płytce drukowanej. Kondensator C2 służy do filtrowania napięcia zasilania mikroukładu, jego wartość może wynosić od 100 do 220 μF, napięcie wynosi co najmniej 25 woltów.Kondensator C1 jest zasilaczem wysokiego napięcia, nie należy oszczędzać na jego pojemności, ponieważ od niej będzie zależała moc na obciążeniu - jeśli pojemność będzie zbyt mała, mogą wystąpić pobory prądu i moc będzie spadać. Optymalna wartość to 470-680 uF; należy pamiętać, że ten kondensator musi być zaprojektowany na wysokie napięcie zasilania + pewien margines.
Łańcuch elementów R2-C3 ustala częstotliwość, dlatego ważne jest, aby zastosować tutaj wysokiej jakości kondensator wysokiej częstotliwości, wystarczy zwykły kondensator foliowy. Im większa pojemność kondensatora, tym niższa częstotliwość robocza obwodu, przy wskazanych wartościach znamionowych jest ona w przybliżeniu równa 80 kHz. Można zmontować obwód o stałej częstotliwości, jednak najlepsze efekty można uzyskać regulując częstotliwość, dlatego zamiast stałego rezystora polecam zamontować trymer 20 kOhm, zakres regulacji częstotliwości można też dobrać za pomocą pojemność kondensatora. Kondensator C4 - wskazane jest zastosowanie niepolarnego kondensatora tantalowego o pojemności 20-30 µF, ale wystarczy zwykły elektrolityczny. Rezystory R3, R4 służą do ograniczenia prądu w bramkach tranzystorów, odpowiednich dla 10-30 omów.
Szczególną uwagę należy zwrócić na dobór tranzystorów mocy, ponieważ to one będą przełączać obciążenie i od nich będzie zależała zarówno wydajność obwodu, jak i jego niezawodność. Najtańszą, ale nie najpotężniejszą opcją jest IRF630 - nadają się do pracy przy napięciach nie większych niż 150 woltów przy niezbyt dużej mocy, używam ich.Można tu zastosować prawie wszystkie mocne tranzystory polowe, przy wyborze należy wziąć pod uwagę ich maksymalne napięcie robocze, prąd i rezystancję kanału otwartego. Odpowiednimi opcjami byłyby również IRF740, IRF840, IRFP450, IRFP460, dwa ostatnie są droższe, ale pozwolą na pracę przy wyższych mocach, do 500 watów. Kondensatory C5 i C6 tworzą dzielnik napięcia niezbędny do pracy przetwornicy półmostkowej; można tu zastosować kondensatory foliowe o pojemności 1-2 μF; ich napięcie robocze musi być również zaprojektowane dla napięcia zasilania + trochę rezerwa. VD1 to dioda, trzeba tu zastosować nie zwykłe diody, ale ultraszybkie, np. UF4007 i podobne.
Zespół konwertera
Cały obwód jest zmontowany na płytce drukowanej, która jest przymocowana do artykułu. Należy pamiętać, że obwód jest „kapryśny” pod względem okablowania, ta wersja płytki jest testowana, podczas pracy nad nią nie wykryto żadnych artefaktów. Płytka wykonana jest standardową metodą LUT, zdjęcia z procesu wykonania płytki i zgrzewania części znajdują się poniżej.
Kilka słów o uzwojeniu pierwotnym - należy go samodzielnie nawinąć na rdzeń ferrytowy transformatora, ponieważ standardowe uzwojenia pierwotne nie są przeznaczone do dużych mocy. Nawijanie nie zajmuje dużo czasu, wystarczy 30-40 zwojów emaliowanego drutu miedzianego, jego przekrój nie powinien być zbyt mały, w przeciwnym razie wystąpią straty. Powstałe uzwojenie należy połączyć z płytką za pomocą przewodów, a ich długość nie powinna być zbyt długa.
Jak można się domyślić, wysokie napięcie jest usuwane z „gorącego” zacisku transformatora, co zwykle można rozpoznać po grubej izolacji.Styk ujemny w TDKS znajduje się w dolnej części obudowy wraz ze wszystkimi innymi zaciskami; łatwo go znaleźć - wystarczy spojrzeć, na którym styku zaświeci się łuk po zbliżeniu się do „gorącego” zacisku. Należy pamiętać, że dolna część TDKS na zdjęciu jest zaczerniona - powstały, gdy TDKS pracował z tym obwodem półmostkowym, ponieważ transformator jest używany prawie do granic swoich możliwości, czasami zdarzają się awarie między jego różnymi zaciskami . Aby ich uniknąć, należy wypełnić wszystkie zaciski związkiem dielektrycznym, a osobnym przewodem wyprowadzić tylko wymagany przewód ujemny.
Całość musi być zasilana ze źródła o odpowiedniej mocy, wygodnie jest mieć możliwość regulacji napięcia zasilania. W moim przypadku źródłem zasilania jest stary transformator ich telewizora lampowego TS-160, do prostowania osobno podłączony jest mostek diodowy z kondensatorami na małej płytce, co widać na zdjęciu.
Nawet takie tranzystory „małej mocy”, jak IRF630 w tym obwodzie nie nagrzewają się bardzo, po kilku minutach ciągłej pracy pozostają ciepłe tylko na małych grzejnikach. Chociaż odprowadzanie ciepła jest niewielkie, szczególnie przy zastosowaniu np. IRFP450-560, małe grzejniki jak na zdjęciu dla niezawodności nie będą zbędne. Ogólny widok projektu:
Na zakończenie fotografie - przedstawiające łuki wysokiego napięcia oraz wideo. Napięcie przebicia powietrza wynosi około 3 centymetry. Jak widać na filmie, jeśli elektrody wysokiego napięcia zostaną umieszczone w pewnej odległości od siebie, łuk nie będzie się palił, a transformator będzie pracował na biegu jałowym, a z jego „gorącego” zacisku koronowane będą wyładowania fioletowe. jak i od samego korpusu - gdy się pojawią, wskazane jest odizolowanie wszystkich możliwych miejsc przebić związkiem dielektrycznym.Należy pamiętać, że TDKS ma nie tylko wysokie napięcie, ale także wystarczającą moc, aby spowodować porażenie prądem w przypadku dotknięcia zacisków wysokiego napięcia rękami. Dotknięcie nie jest nawet konieczne, aby powstał łuk, biorąc pod uwagę dość dużą odległość przebicia. Należy również pamiętać, że po wyłączeniu obwodu nadal utrzymuje się wysokie napięcie na wyjściu TDKS, ponieważ w środku znajduje się kondensator, więc po wyłączeniu zaciski wysokiego napięcia należy połączyć ze sobą, aby rozładować ten kondensator . Szczęśliwego budynku!
