Мой высоковольтный генератор

Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.

Мой генератор высокого напряжения (HV) я использую во многих своих проектах (генератор Маркса, биполярная катушка Тесла, взрывающиеся проволочки):

Элементы -
1 - выключатель
2 - варистор
3 - конденсатор подавления э/м помех
4 - трансформатор понижающий от ИБП
5 - выпрямитель (диоды Шоттки) на радиаторе
6 - конденсаторы сглаживающего фильтра
7 - стабилизатор напряжения 10 В
8 - генератор прямоугольных импульсов с регулируемой переменным резистором скважностью
9 - драйвер MOSFET-ов
10 - включенные параллельно MOSFET-ы IRF540, закрепленные на радиаторе
11 - высоковольтная катушка на ферритовом сердечнике из монитора
12 - высоковольтный выход
13 - электрическая дуга

Схема источника - довольно стандартная, основана на схеме "флайбэк"-преобразователя (flyback converter):

Входные цепи

Варистор S10K275 служит для защиты от перенапряжения:

S - дисковый варистор
10 - диаметр диска 10 мм
K - погрешность 10%
275 - макс. напряжение переменного тока 275 В

Конденсатор C снижает помехи, создаваемые генератором в сети электроснабжения. В качестве него использован помехоподавляющий конденсатор X типа.

Источник постоянного напряжения

Трансформатор - из источника бесперебойного питания:

Первичная обмотка трансформатора Tr подключена к сетевому напряжению 220 В, а вторичная - к мостовому выпрямителю VD1.

Действующее значение напряжения на выходе вторичной обмотки составляет 16 В.

Выпрямитель собран из трех корпусов сдвоенных диодов Шоттки, закрепленных на радиаторе - SBL2040CT, SBL1040CT:

SBL2040CT - макс. средний выпрямленный ток 20 А, макс. пиковое обратное напряжение 40 В, макс. действующее обратное напряжение 28 В
соединены параллельно:
SBL1040CT - макс. средний выпрямленный ток 10 А, макс. пиковое обратное напряжение 40 В, макс. действующее обратное напряжение 28 В
SBL1640 - макс. средний выпрямленный ток 16 А, макс. пиковое обратное напряжение 40 В, макс. действующее обратное напряжение 28 В

Пульсирующее напряжение на выходе выпрямителя сглаживается фильтрующими конденсаторами: электролитическими CapXon C1, C2 емкостью 10000 мкФ на напряжение 50 В и керамическим C3 емкостью 150 нФ. Затем постоянное напряжение (20,5 В) поступает на ключевой MOSFET и на стабилизатор напряжения, на выходе которого действует напряжение 10 В, служащее для питания генератора импульсов.

Стабилизатор напряжения собран на микросхеме IL317:

Дроссель L и конденсатор C служат для сглаживания пульсаций напряжения.
Светодиод VD3, включенный через балластный резистор R4, служит для индикации наличия напряжения на выходе.
Переменный резистор R2 служит для подстройки уровня выходного напряжения (10 В).
 

Генератор импульсов

Генератор собран на таймере NE555 и вырабытывает прямоугольные импульсы. Особенностью этого генератора является возможность менять скважность импульсов с помощью переменного резистора R3, не меняя их частоты. От скважности импульсов, т.е. от соотношения между длительностью включенного и выключенного состояния ключа зависит уровень напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Ra = R1 + верхняя часть R3
Rb = нижняя часть R3 + R2
длительность "1" $T1 = 0,67 \cdot Ra \cdot C$
длительность "0" $T2 = 0,67 \cdot Rb \cdot C$
период $T = T1 + T2$
частота $f = {1,49 \over {(Ra + Rb)} \cdot C}$

При перемещении движка переменного резистора R3 суммарное сопротивление Ra + Rb = R1 + R2 + R3 не изменяется, поэтому не меняется и частота следования импульсов, а меняется только соотношение между Ra и Rb, и, следовательно, меняется скважность импульсов.

Ключ и высоковольтный трансформатор
Импульсы от генератора управляют через драйвер ключем на  двух включенных параллельно MOSFET-ах (MOSFET - metal-oxide-semiconductor field effect transistor, МОП-транзистор ("металл-оксид-полупроводник"), МДП-транзистор ("металл-диэлектрик-полупроводник"), полевой транзистор с изолированным затвором) IRF540N в корпусе TO-220, закрепленных на массивном радиаторе:

G - затвор
D - сток
S - исток
Для транзистора IRF540N максимальное напряжение "сток-исток" составляет V_DS = 100 вольт, а максимальный ток стока I_D = 33/110 ампер. У этого транзистора малое сопротивление в открытом состоянии  R_DS(on) = 44 миллиома. Напряжение открывания транзистора составляет V_GS(th) = 4 вольта. Рабочая температура - до 175°C.
Можно использовать и транзисторы IRFP250N в корпусе TO-247.

Драйвер нужен для более надежного управления MOSFET-транзисторами. В простейшем случае он может быть собран из двух транзисторов (n-p-n и p-n-p):

Резистор R1 ограничивает ток затвора при включении MOSFET-а, а диод VD1 создает путь для разряда затворной емкости при выключении.

MOSFET замыкает/размыкает цепь первичной обмотки высоковольтного трансформатора, в качестве которого использован трансформатор строчной развертки ("строчник", flyback transformer (FBT)) из старого монитора Samsung SyncMaster 3Ne:

На принципиальной схеме монитора показан высоковольтный вывод HV строчного трансформатора T402 (FCO-14AG-42), подключаемый к аноду кинескопа CRT1:

Из трансформатора я использовал только сердечник, так как в строчный трансформатор встроены диоды, которые залиты смолой и не подлежат удалению.
Сердечник такого трансформатора изготовлен из феррита и состоит из двух половинок:

Для предотвращения насыщения в сердечнике с помощью пластиковой прокладки (spacer) делается воздушный зазор.
Вторичную обмотку я намотал большим числом (~ 500) витков тонкого провода (сопротивление ~ 34 Ом), а первичную - толстым проводом с малым числом витков.

Резкие перепады тока в первичной обмотке трансформатора при выключении MOSFET-а индуцируют высоковольтные импульсы во вторичной обмотке. На это расходуется энергия магнитного поля, накопленная при возрастании тока в первичной обмотке. Выводы вторичной обмотки могут быть либо подключены к электродам для получения, например, электрической дуги, либо подключены к выпрямителю для получения высокого постоянного напряжения.

Диод VD1 и резистор R (снабберная (snubber) цепочка) ограничивают импульс напряжения самоиндукции на первичной обмотке трансформатора при размыкании ключа.

Моделирование генератора высокого напряжения
Результаты моделирования процессов в генераторе высокого напряжения в программе LTspice представлены ниже:

На первом графике видно, как нарастает ток в первичной обмотке по экспоненциальному закону (1-2), затем резко обрывается в момент размыкания ключа (2).
Напряжение на вторичной обмотке немного реагирует на плавное возрастание тока в первичной обмотке (1), но резко возрастает при обрыве тока (2). На интервале (2-3) ток в первичной обмотке отсутствует (ключ выключен), а затем опять начинает возрастать (3).