Блог humka.ru: Источник высокого напряжения

Источник высокого напряжения

Опубликовано: Ноя 12, 11:53 Комментарии: 0 Просмотров:

Для самостоятельного изготовления флокатора, пистолета порошковой покраски или электростатической коптильни требуется источник высокого напряжения. И если первые два устройства требуют 75-100 киловольт, то высоковольтный генератор для коптильни работает при 20-30.

В сети есть множество схем высоковольтных генераторов сделанных с использованием строчных трансформаторов от мониторов, телевизоров или автомобильных катушек зажигания. В большинстве своём их размеры и схемотехника удручают, применение подобных деталей не позволяет создавать компактные устройства, а схемы из прошлого века на тиристорах с питанием от сети 220 вольт опасны и в случае неосторожности могут привести к печальным последствиям.

Итак, для перечисленных выше устройств требуется компактный источник высокого напряжения, мощностью около 5-10 ватт. Давайте посмотрим схему:

Схема высоковольтного генератора

Список компонентов:

  1. Высоковольтный трансформатор
  2. U1UC3845, типоразмер so8
  3. C1 – 2.2n, C2 – 100-500n, R2 – 12-24Ω, D1 – 1n4148, типоразмер smd 0805
  4. R1 – 10k подстроечный
  5. R2 – 12-24Ом
  6. C3 электролит, 470-1000uf 16v
  7. C4 плёночный, 220n 250-630v
  8. Q1 n-канальный 200 вольт, например копеечный IRF640
  9. Диоды умножителя 2CL77
  10. Конденсаторы умножителя 20kv 470pf
  11. Резисторы 22МΩ

Файл печатной платы: hvpcb.lay6[0,03MB]

Трансформатор, конденсаторы и диоды умножителя нужно заказать на Aliexpress по ссылкам выше, остальные детали есть в любом радиомагазине.

В качестве генератора используется распространённая микросхема uc3845 для работы которой требуются всего две детали в обвязке: это времязадающая цепочка состоящая из подстроечного резистора R1 и конденсатора С1.

Управление гейтом идёт через резистор 12-24 ома и диод 1n4148 с помощью которого ускоряется разряд затвора. Транзистор любой n-канальный от 200 вольт.

Дроссель намотан на Ш-образном сердечнике взятом из трансформатора дежурки компьютерного блока питания, имеет 6 витков проводом ~0,5-1мм и содержит зазор, с помощью которого подбирается индуктивность 6 микрогенри.

Фотография готового устройства с умножителем напряжения:

После изготовления, умножитель напряжения и траснсформатор должны быть залиты как минимум парафином (купить в аптеке), а лучше – эпоксидной смолой, для этого неплохо подошла сантехническая пластиковая труба с диаметром 30мм.

Посмотрим как работает высоковольтный источник:

Как видим, вполне неплохо! Создаётся достаточно мощное электростатическое поле, заряд которого притягивает сигарету на расстояние около 10 сантиметров, считаю что это более чем достаточно.

После умножителя идёт сборка из резисторов мощностью 1-2 ватт (минимум два) общим сопротивлением 40-100 мегаом, резисторы убирают никому не нужную «искру» и уберегают схему от повреждения в случае короткого замыкания. Для примера, диоды умножителя 2CL77 рассчитаны на 20kV 5mA, падение на диоде ~50v. Трансформатор даёт около 7kV, соответственно, в случае короткого замыкания мы получим 7kv/44Mom = ток короткого замыкания около 159 микроампер, мощность около 1 ватт (без учета падения напряжения на диодах). Таким образом, даже в случае короткого замыкания устройство не будет перегружено и не сгорит, что в свою очередь позволило дополнительно упростить схему исключив из нее цепь контроля тока.

В данных устройствах эффективнее работать будет умножитель с отрицательным потенциалом на выходе, его схема ниже:

Каждый каскад состоит из двух диодов и двух конденсаторов, количество каскадов подбирается по желанию и зависит от выходного напряжения высоковольтного трансформатора, так, для флокатора и пистолета порошковой покраски обычно используется 10-12 каскадов, для высоковольтной коптильни хватит 4-6.

Делаем дроссель

Для изготовление дросселя нам потребуется Ш образный сердечник или кольцо из распыленного железа, которые можно взять в компьютерном блоке питания:

И если кольцо можно отделить обкусив все обмотки ведущие к плате, то с трансформатором придётся повозиться. Сперва выпаиваем, что проще всего сделать используя тонкую оплётку-экран от любого коаксиального кабеля. Смачиваем кончик оплётки флюсом или канифолью, прислоняем к контакту и греем паяльником, весь припой уходит в оплётку. Откусываем набравший припоя кончик оплётки и переходим к следующему контакту. Без усилий достаём трансформатор.

Как разобрать трансформатор? Есть несколько способов. Первый: наливаем в емкость воды, бросаем в нее трансформатор и доводим до кипения, затем вынимаем пинцетом и острым скальпелем/иголкой без усилий пытаемся подцепить верхнюю половинку сердечника (место указано стрелкой). Второй способ: берем банку 0.5 литра, наливаем в нее ацетон миллиметров на 5 высотой, бросаем туда трансформатор, взбалтываем, закрываем пластиковой крышкой и ждём сутки.

Разбирать нужно крайне аккуратно, феррит очень хрупкий и легко ломается, поэтому, если сразу не получается разъединить сердечник, следует попробовать другой способ. Скальпелем или иглой удалить видимый компауд, попробовать «пошатать» половинки сердечника руками и т.д. Лучше не спешить! Не вышло с первого раза – подержать еще сутки в ацетоне.

Для сборки дросселя будем использовать сердечник без зазора (сердечник с зазором не подходит, на фото отмечен стрелкой), зазор мы сделаем сами. Если есть LCR meter, просто мотаем 6 витков эмальпровода диаметром 0.6-1мм и с помощью прокладок под крайние керны добиваемся индуктивности 6uh. Мотать можно как сразу на сердечник, предварительно изолировав его скотчем (сложнее, но меньше размер), так и на каркас. Я мотал на сердечник. Вместо эмальпровода можно использовать два провода в изоляции от витой пары.

Если измерителя индуктивности нет, нужно изготовить 2 прокладки толщиной ~0.09 мм. Я взял прозрачную плёнку для лазерных принтеров с заявленной толщиной 0.1мм, отрезал тонкую полоску и прижав к наждачной бумаге 240 потёр ее с двух сторон, далее смотрим фото.

  1. Две полоски плёнки, после наждака (матовая) и обычная, без обработки;
  2. подкладываем под крайние керны необработанную плёнку;
  3. измеряем индуктивность: 4.5uh, этого мало, зазор слишком велик;
  4. вставляем немного утонченную после наждака плёнку;
  5. измеряем индуктивность: 6uh, то что надо;
  6. отрезам два небольших кусочка;
  7. стягиваем скотчем, изолируем им же центральный керн, наматываем 6 витков;
  8. проверяем: 6uh, ничего не изменилось, отлично;
  9. если нет сердечника, можно сделать дроссель на желто-белом кольце (внутренний диаметр ~13.5-14мм, внешний ~23мм), мотаем 9 витков (как на фото) эмальпроводом 0.6-1мм, или сдвоенным проводом витой пары (кольцо гораздо хуже – будет греться).

Делаем высоковольтный трансформатор

С оригинального китайского трансформатора снимаем скотч, разъединяем половинки сердечника, удаляем с оправки две первичных обмотки, эмальпроводом 0.6-0.8мм мотаем 9 витков.

Индуктивность первичной обмотки подбирается с помощью зазора и должна составлять 15uh, у кого нет измерителя индуктивности но есть пленка для лазерных принтеров с заявленной толщиной 0.1мм: отрезаем полоску, наклеиваем на нее обычный скотч в один слой, вырезаем две прокладки под керн (круглую и прямоугольную), собираем трансформатор, стягиваем половинки сердечника скотчем.

Если пленки нет, прокладки вырезаем из обычной офисной бумаги А4, в этом случае под круглый конец керна подкладывается две бумажки, под прямоугольный одна.

После сборки трансформатор необходимо залить эпоксидной смолой, желательно под вакуумом. Как это сделать можно поискать в сети. Форму для заливки проще всего сделать из картонки которую необходимо предварительно оклеить скотчем. Из картонки нужно согнуть «коробочку» без верха, в которой и будет залит трансформатор, скотч не имеет адгезии с эпоксидкой, поэтому после отвержения форма будет легко отделена от смолы. Так же и снаружи, коробочку необходимо оклеить скотчем чтобы смола не вытекла из формы.

Делаем умножитель напряжения

Собираем умножитель напряжения на 5 каскадов, схема приведена выше. Компоновку деталей можно понять по фото.

Запуск и настройка

Перед пробным запуском необходимо проверить работоспособность генератора, берем плату (без высоковольтного трансформатора!), подаём питание 12 вольт, и в режиме вольтметра постоянного напряжения черный щуп мультиметра на минус, красный щуп на 6 ножку микросхемы (Out), если все в порядке, мультиметр покажет напряжение в районе 5+ вольт. Если напряжения нет – покрутить резистор, найти проблему в монтаже.

Затем переходим к следующему этапу: подстройке частоты. Т.к. преобразователь у нас резонансный, управлять им в достаточно широких пределах будем с помощью изменения частоты генератора, номиналы Rt/Ct цепочки позволяют подстроечным резистором регулировать частоту в пределах 38-250кГц.

Итак, собираем всё в кучу: плата + трансформатор + умножитель напряжения + выходные резисторы общим сопротивлением 47-100 мегаом + высоковольтный провод. В качестве высоковольтного провода можно использовать центральную жилу из антенного кабеля, желательно как можно большего диаметра т.к. изоляция на центральной жиле будет толще, дополнительно усилить изоляцию можно надев на кабель 2-3 слоя термоусадки, обычные изолированные провода здесь применять нельзя – во первых будут утечки, во вторых прошьет.

Вся высоковольтная часть должна быть обязательно изолирована! Включать «на воздухе» категорически нельзя! Для тестов помещаем половинку трансформатора с выходными высоковольтными проводами, умножитель и резисторы в масло, например машинное. Наружу должен торчать только высоковольтный провод.

Берем две небольшие железки и устанавливаем их на расстоянии 4-6 сантиметров друг от друга. Ко второй подключаем проводок «земля», к нему особых требований нет.

Далее берем питание 12 вольт и амперметр (обязательно), буквально на секунду подаём питание и смотрим показания.

Скорее всего будет что-то адское, как на видео, такого не надо :-) Подкручивая резистор мы должны найти режим, в котором схема потребляет около 250-350 миллиампер. Искать следует в диапазоне 38-100кгц – это примерно соответствует сопротивлению резистора от 10 до 5кОм, частота будет зависеть от типа вашего трансформатора.

Обратите внимание что во время такой сильной ионизации выделяется вредное вещество – озон, которое относится к первому классу опасности, поэтому надолго в таких режимах источник не включать, озоном не дышать.

Соответственно включили, посмотрели потребляемый ток, немного подкрутили резистор, включили еще раз и т.д., не забывая при этом контролировать нагрев транзистора и дросселя. Когда будет найден режим с минимальным потреблением, аккуратно подстраиваем частоту под значение тока в 250-350мА, при котором все детали должны оставаться холодными даже в случае продолжительной работы.

dc-dc