(Копипаст с — Мистерион)
Введение: (можно не читать 🙂 )
Совсем недавно, не помню по какой такой причине, меня вдруг потянуло достать из под дивана мой пыльный простейший генератор высокого напряжения, умножитель и попускать таки искорки. 🙂 Наигравшись сей нехитрой штуковиной, не знаю почему, но потянуло меня поискать в сети что-нибудь по теме и, после непродолжительных поисков, было обнаружено практически полное отсутствие дельной теоретической информации по некоторым вопросам построения высоковольтных девайсов. Зато предостаточно конкретных конструкций. Также был обнаружен крупнейший форум в рунете посвященный высоким напряжениям flyback.org.ru на котором была найдена схема, заинтересовавшая меня. А именно полумостовой преобразователь напряжения на микросхеме IR2153. Впоследствии схема была собрана не без помощи форума и отлажена. Появился некий опыт, который я и решил изложить в данной статье с целью облегчить поиск информации среди огромного её количества, представленного в сети. Данная статья представляет собой обобщение материалов найденных по крупицам и основываясь на собственном опыте. Надеюсь, что с помощью авторитетных спецов это творение будет претендовать на звание исчерпывающего руководства к действию для всех, решивших собрать несложный и очень универсальный агрегат для получения высокого напряжения.
Назначение: (кратенько, зачем это нужно 🙂 )
Данное устройство представляет собой полумостовой инвертор, питающийся от сети (с несколькими вариациями) и позволяющий питать нагрузку в виде трансформаторов, например на сердечнике от строчного трансформатора телевизора, имеющиеся практически у всех. В зависимости от трансформатора можно получить напряжение порядка 10 кВ со стандартных строчников с готовыми вторичными обмотками. Мощность устройства будет также зависить от конструкции трансформатора и лично я снимал с одного строчника порядка 300 Вт. Может применяться для питания разных высоковольтных устройств и для проведения опытов. Это идеальный источник питания лестницы Иакова или плазменного шара.
Описание: (кто дюже умный может не читать, всем желающим понять как это работает — вперед! 🙂 )
Схема устройства представлена на рисунке 1. и представляет собой полумостовой преобразователь (инвертор) на специализированной микросхеме IR2153. Она представляет собой генератор (такой же, как всем известный 555) со схемой реализации дет-тайма (мертвой паузы меж управляющими импульсами), гальванической развязки и пары ключей для управления мощными полевыми транзисторами. Микросхема вполне ходовая и распространённая, а за многие годы ее применения неплохо себя показавшая. Более подробную информацию можно найти в даташите
В данной схеме микросхема питается от сетевого выпрямителя на диодном мосте VD1 с конденсатором фильтра С1 через ограничивающий резистор R1. В микросхеме между выводами 1 и 4 установлен стабилитрон, поэтому напряжение питания микросхемы не превышает 15.6 В. Дополнительно оно сглаживается конденсатором С2. Об особенностях питания микросхемы поговорим позже.
Частота генерации задается резистором R2, конденсатором С3 и может находится в пределах от 80 Гц до 400 кГц. Минимальные значения R2 — 10 кОм, С2 — 330 пФ. Плавная регулировка осуществляется резистором R2 и в среднем его положении, при указанных номиналах, составляет примерно 70 кГц.
Микросхема управляет мощными ключами на полевых транзисторах. Такой выбор силовых ключей обусловлен тем, что они имеют очень низкое сопротивление сток-исток в открытом состоянии, достаточно легко управляются и неплохо работают на высоких частотах. (естественно, что все это относительно, например относительно биполярных транзисторов). Нижний ключ на транзисторе VT1 управляется импульсами с вывода 5 микросхемы через резистор R4, необходимый для ограничения бросков тока заряда емкости затвора. Верхний ключ на транзисторе VT2 управляется импульсами на выводе 7 микросхемы. Формируются они следующим образом: во время открытого состояния нижнего ключа происходит заряд бутстрепного конденсатора С4 через диод VD2. Конденсатор C4 обеспечивает взвешенным питанием интегрированный в IR2153 драйвер верхнего ключа. После времени открытого состояния нижнего ключа выдерживается пауза (дет-тайм) порядка 1,2 мкс, необходимая для разряда емкости затвора и полного закрывания VT1, что исключает протекание сквозного тока через одновременно открытые ключи. После выдержки паузы, на 7 выводе микросхемы появляется импульс и открывает верхний ключ. Потом он закрывается, небольшая пауза и все повторяется.
Конденсатор С5 служит для фильтрации постоянной составляющей, так как напряжение на средней точке соединения ключей равно половине питающего. На выходе напряжение достигает практически половины питающего (минус падение на транзисторах и конденсаторе). В качестве нагрузки можно использовать самые различные устройства. Как пример — повышающий трансформатор на ферритовом сердечнике от строчника телевизора с готовой вторичной обмоткой.
Питается это все дело напрямую от сети через выпрямитель на диодном мосте VD1 с конденсатором фильтра С1. После фильтра напряжение составляет 310 В.
Детали: (и попробуйте поставить что то другое……. если схема выживет, это будет исключение из правил 🙂 )
С1: конденсатор фильтра питания, чем его ёмкость больше — тем лучше. Минимальные параметры 470 мкФ х 400 В
С2: обычный оксидный конденсатор емкость порядка 220 мкФ напряжение 16 V
C3: емкость зависит от необходимой частоты. Керамика 1 нФ
С4: тантал (так как он обеспечивает более быстрый заряд емкости затвора и как следствие более четкое и быстрое открывание верхнего ключа, применение других типов нежелательно) 22мкФ х 25 В.
С5: бумага или пленка, емкость от 1 мкФ.
VD1: диодный мост, рабочее напряжение не менее 400 В максимальный ток не менее 4 А. Можно взять с запасом, так как при включении устройства в сеть происходит огромный бросок тока заряда конденсатора С1.
VD2: быстродействующий (ультрафаст) диод типа UF4007 или аналогичный с временем восстановления не более 200 нс, ток порядка 1 А. (применение быстрого диода необходимо так как схема работает на высоких частотах, и медленные выпрямительные диоды могут пропускать помехи в цепь питания микросхемы, что негативно сказывается на стабильности работы схемы).
R1: 33…56 кОм, 2 Вт (по возможности 5 Вт).
R2: подстроечный на 30 кОм.
R3, R4: 30 Ом, 0.5 Вт.
VT1, VT2: типа IRF740, IRF840 ( в зависимости от ваших потребностей, параметры распространенных мощных полевых транзисторов можно посмотреть на сайте тов. Сталина а именно тут. )
Конструкция: (ЧИТАТЬ ВСЕМ! иначе погорит все 🙂 )
Что касается конструкции устройства, то это отдельная тема. Глядя на опыт огромного количества людей собравших его, можно сделать вывод, что схема очень устойчива и надежна, но при ГРАМОТНОЙ конструкции. А именно, сборка должна быть на печатной плате, разработанной с учетом некоторых особенностей:
Мощные выходные цепи и слаботочные малосигнальные должны находиться на максимальном расстоянии, чтобы уменьшить наводки. Их необходимо развести таким образом, чтобы свести к минимуму их влияние друг на друга.
Затворные и силовые проводники должны иметь минимальную длину. Мощные проводники должны иметь достаточное сечение.
При кажущейся простоте обеспечить выполнение этих требований не так то просто, поэтому советую собирать устройство на уже опробованной печатной плате. Например на моей 🙂
Транзисторы установлены со стороны печати, выводы изогнуты, корпуса прижаты к теплоотводу. Плата, естественно, тоже крепится к теплоотводу и получается наиболее компактная и удобная конструкция. Резисторы R3 и R4 установлены вертикально. Конденсатор С2 шунтирован пленочным на 0.1 мкФ (для перестраховки), резистор R1 может не впаиваться, при этом питание микросхемы осуществляется от внешнего источника питания на 12 В (зачем так делать написано ниже). Выпрямитель и сетевой фильтр собранны на другой плате или навесным монтажом. Вот плата в формате .LAY
Также рекомендую собирать на плате от Николая, которую можно найти здесь. Только её неплохо бы немного доработать, а именно подогнать размещение деталей под имеющиеся детали, так как они бывают разных габаритов.
ВНИМАНИЕ: вы можете собрать схему как вам заблагорассудится, хоть навесным монтажом на коленке, 🙂 но если схема при этом выживет, чего нельзя исключать, это будет исключением из правил и является очень маловероятной перспективой.
Запуск: (если вы спаяли это дело и не боитесь его запустить, внимательно читайте ниже написанное и следуйте указаниям)
Запускать данное дело советую через балласт в виде мощного резистора на 100…300 Ом, включенного в разрыв цепи питания после конденсатора фильтра. Это поможет уберечь транзисторы от возможного выхода из строя. Также можно использовать лампу накаливания, например на 60 Вт. При выходе на номинальный режим и удостоверении в том, что схема работает правильно, ток потребляет нормальный, балласт можно (и нужно) замкнуть. Также желательно включить амперметр в разрыв цепи питания. Очень здорово питать устройство временно от ЛАТРа, плавно увеличивая напряжение, постоянно контролируя потребляемый ток. Так можно полностью исключить возможность выхода транзисторов из строя. При этом, естественно, микросхему надо питать от внешнего источника, иначе запускаться схема начнет с достаточно большого напряжения (порядка 80В). Еще было бы здорово (но не необходимо) контролировать форму сигнала на затворах транзисторов осциллографом. Для начала надо подключить трансформатор на сердечнике от телевизорного строчника с первичной обмоткой в виде 50 витков провода, диаметром около 0.5 мм. Вторичную обмотку пока НЕ СТАВИТЬ.
Подав питание, плавно увеличиваем напряжение ЛАТРом (если он есть) и контролируем потребление схемы. На холостом ходу при такой нагрузке при полном питании (310 В) схема должна потреблять ток не более 200 мА. Если ток неимоверно больше чем надо, значит что то явно не то. Я даже предположить не могу в чем может быть дело, потому что при таких условиях схема ничего не делает и просто не может ничего особого выкинуть. Проверьте монтаж и детали. Если все ОК едем дальше………..
Ставим вторичку (например от строчника готовую или самодельную на нужное число витков, например 500 🙂 ) и плавненько увеличиваем напряжение ЛАТРом (если такой имеется). Смотрим потребление. На холостом ходу схема должна потреблять опять же не более 200 мА. Если ток очень резко растет и превышает норму на порядок, а без вторички все было ОК, значит вторичка горелая или вы попали в резонанс. Необходимо покрутить резистор регулировки частоты, чтобы добиться минимального потребления схемы на холостом ходу. Если не помогает, значит ищем другую вторичку. Работа схемы в резонансе крайне неустойчива и практически всегда приводит к взрыву выходных транзисторов. Если все было ОК, едем дальше……..
А если все работает замечательно, то нам остается только проверить наличие высокого напряжения на выходе транса. С типичным строчником от лампового телека на вторичке будет около 7 кВ. При этом можно вытянуть неплохие дуги. Дальше будем разгонять схему для получения большей мощности и более длинных и горячих дуг. Правильно собранная схема работает очень надежно и практически не греются выходные транзисторы. Если не загонять ее в экстремальные режимы, но об этом позже 🙂
Важным вопросом является выбор частоты работы схемы. Дело в том, что с увеличением частоты можно увеличить мощность, снимаемую с трансформатора и улучшить ряд параметров. НО при увеличении частоты начинает сказываться емкость затворов мощных полевых транзисторов. Это приводит к многочисленным неприятным моментам и ведет к нестабильности работы схемы. По сему для данной схемы можно считать оптимальной работу на частотах не выше 100 кГц. При дальнейшем увеличении частоты необходимо применять более специальные драйверы мощных ключей. Да, и еще, к частоте. Опасайтесь резонансов. При этом резко растут токи и напряжения в силовой цепи, что неминуемо приведет к выходу из строя ключей. Поэтому всегда подбирайте частоту, максимально удаленную от области резонанса. Это можно сделать контролируя потребление схемы при работе через балласт (для ограничения токов, и защиты транзисторов) и плавно регулируя частоту. Определяют нужный момент по минимуму потребления на холостом ходу.
Если вдруг руки кривые, в голове пустота и прочие обстоятельства не дадут таки запустить схему, транзисторы будут лететь косяками в ведро и вам наконец то станет жалко деньги и время, могу посоветовать поискать дополнительную информацию на форуме flyback.org.ru. Там есть целый раздел, посвященный подобным устройствам, где можно найти ответ практически на любой вопрос или задать его и получить таки что надо. Только убедительная просьба: пораскиньте мозгами и паяльником сами, как следует пораскиньте! И если все глухо как в танке, тогда отправляйтесь на поиски дополнительного материала.
Вариации на тему, что можно еще такого сделать с этим зверьком:
(если вам все таки хочется сжечь ведерко, другое фетов — этот раздел для вас 🙂 )
Итак схема собрана и вроде вполне неплохо работает. Что дальше? А дальше можно попробовать выжать из схемы все на что она способна. Правда, при этом возможно ее полное уничтожение, но если все делать аккуратно, то можно значительно поднять возможности этого простенького девайса.
Для начала надо сделать хорошую первичку. А именно, надо рассчитать количество витков. Как пример наиболее распространенного случая, предложу для трансформатора на сердечнике от телевизорного строчника 35…40 витков первичной обмотки. С таким трансформатором схема будет работать очень стабильно и надежно.
Также возможно дальнейшее уменьшение числа витков с целью повышения напряжения во вторичке и мощности схемы. Но это уже сопряжено с возможно нестабильной работой схемы. Для сердечника на одном строчнике минимумом можно считать 20 витков первички. При этом мощность схемы может достигать около 500 Вт. Но возможна нестабильная работа схемы. Дальше необходимо увеличивать сечение сердечника, например сложив вместе несколько строчников. Например, при трех сложенных вместе можно уже до 10 витков уменьшить первичку. И так далее. Но учтите, что тут все зависит от вашего опыта и если по глупости вы чего то накосячите (например намотав на одном строчнике 5 витков первички, сославшись на то, что так все вроде не плохо работает через балласт и пока не горит), то выходные транзисторы точно сгорят и не дай бог вам задать вопрос, почему это произошло 🙂 35 витков для одного строчника это предел! Дальше вопросы отпадают.
При увеличении мощности необходимо предусмотреть хороший отвод тепла от выходных ключей. Также первичку нужно выполнять проводом достаточного сечения. Еще нужно увеличивать емкость конденсатора С5. Можно применить несколько иную схему фильтрации постоянной составляющей, как показано на рисунке ниже:
Это даст уменьшение потерь мощности и позволит применять более низковольтные конденсаторы. Естественно, емкость конденсаторов может быть любой разумной и для увеличения мощности схемы, помимо прочего, надо и емкость этих конденсаторов увеличить. Но не ставьте вместо пленок электролиты. Они плохо работают на ВЧ.
Так же есть еще одно очень полезное дело, а именно питание микросхемы от внешнего источника. Это позволит еще больше повысить стабильность работы и проводить самые убийственные опыты по разгону схемы не боясь спалить что либо. Очень советую, по крайней мере на этапе настройки и первых запусков, а так же при разгоне, питать именно так. На рисунке показана измененная часть схемы.
Как видите, мы просто убрали резистор R1 и теперь микросхема очень хорошо развязана по питанию от выходных цепей.
Еще, при использовании больших емкостей конденсаторов фильтра питания, существенную проблему представляют броски тока заряда конденсатора. При этом подгорают (а иногда и сплавляются) контакты сетевых выключателей. Для ограничения этого броска рекомендую использовать термисторы.
Параметры схемы ПОЛНОСТЬЮ зависят от нагрузки и примененных транзисторов. Это могут быть любые разумные напряжения на выходе и мощности порядка киловатта при соответствующем трансформаторе.
Примеры из моего личного опыта: (чего добился я и можете вы 🙂 )
Фотки сняты телефоном — за качество извиняйте. Дуги аццки горячие, с самопальной вторичкой (500 витков) гвозди и отвертки плавятся моментально. С вторичкой на третьей фотке без ветра дуги вытягиваются сантиметров на 12. (в принципе, длина дуги на последней фотке такая и есть, но с сильным ветром и при сильном свете) Дужки громко хлопают и извиваются 🙂 Видео не дам, ибо трафик дорогой. Лестница Иакова и плазм не засняты, ибо лампочки взрываются и от лестницы телефон слепнет.
(фоток нет, по происшествии времени)
