Высоковольтная техника – особое направление в электронике, имеющее свой неповторимый дух, эстетику и особенности. Тысячи энтузиастов по всему миру строят различные конструкции, начиная от простых умножителей и заканчивая огромными генераторами Ван де Граафа и катушками Тесла – как правило, все эти устройства не имеют какого-либо практического применения, их ценность заключается именно в создании красочных высоковольтных разрядов.
Самым доступным элементом, способным вырабатывать высокое напряжение, с уверенностью можно назвать строчный трансформатор – этот элемент присутствует в любом кинескопном телевизоре, на данный момент цена на такие трансформаторы становится очень невелика, учитывая, что кинескопные телевизоры постепенно уходят в прошлое. Различить можно два типа таких трансформаторов – ТДКС, со встроенным умножителем, и ТВС – «голый» трансформатор, умножитель к которому можно подключить отдельно. И в том и в другом случае для того, чтобы заставить такой трансформатор вырабатывать высокое напряжение необходима специальная схема, которая будет «качать» его первичную обмотку напряжением высокой частоты, эта частота может варьироваться в пределах 1-100 кГц. Подобных схем в интернете представлено довольно большое количество, часто встречаются простые однотактные с использованием всего лишь одного мощного транзистора, который с нужной частотой замыкает и размыкает цепь первичной обмотки строчного трансформатора – такие схемы хоть и просты, но обладают довольно низким КПД (транзистор сильно греется) и малой мощностью, таким образом, не позволяют раскрыть весь потенциал трансформатора и снять с него максимально возможную мощность – а от мощности напрямую зависят длина, сила и яркость разрядов.
Схема
Представленная же в этой статье схема является классическим полумостовым преобразователем на основе микросхемы IR2153, она может развивать довольно большую мощность в нагрузке – до 500 ватт при применении соответствующих транзисторов на выходе, а с небольшими доработками и все несколько киловатт. При этом сама схема выглядит весьма простой для сборки, не содержит каких-либо дорогих элементов и обладает высокой повторяемостью.
Нагрузкой схемы служит индуктивность L1 – в нашем случае это первичная обмотка строчного трансформатора. Но также на основе данной схемы можно собирать и различные другие устройства, где требуется напряжение высокой частоты и большой амплитуды, например, индукционный нагреватель. Ниже на картинке для наглядности показана форма сигнала на выходе схемы без подключенной нагрузки – практически идеальные прямоугольные импульсы.
Немного о деталях и работе преобразователя
Микросхема IR2153 выступает в роли двухтактного генератора прямоугольных импульсов – двухтактный он потому, что выходов два (5 и 7 выводы) и микросхема управляет одновременно двумя полевыми транзисторами, верхним и нижним плечом. Данная микросхема не является дефицитной, на её основе построены некоторые сетевые блоки питания и другие импульсные устройства, цена на неё в магазинах радиодеталей обычно не превышает 100 рублей. Данная микросхема удобна тем, что уже содержит внутри стабилитрон, который позволяет питать микросхему от того же напряжения, что и нагрузка – это напряжение для эффективной работы полумоста должно составлять 100-300 вольт, таким образом, дополнительный низковольтный источник для питания логической части схемы не требуется. Резистором, ограничивающим ток через стабилитрон микросхемы является R1 – его номинал на схеме помечен звёздочкой. Сопротивление данного резистора будет зависеть от напряжения питания всей схемы – чем больше напряжение питания, тем выше будет значение сопротивления, рассчитать точное значение для любого напряжения питания можно воспользовавшись калькулятором для расчёта резистора стабилитрона. Указанный на схеме номинал подойдёт для питающего напряжения в 250 вольт. Также следует учитывать, что на данном резисторе будет рассеиваться некоторая мощность, поэтому необходимо использовать либо один резистор на 1-3 ватта, либо несколько маломощных параллельно, как сделано на печатной плате. Конденсатор С2 служит для фильтрации напряжения питания микросхемы, его номинал может составлять от 100 до 220 мкФ, напряжение не меньше 25 вольт. Конденсатор С1 – высоковольтный по питанию, на его ёмкости не стоит экономить, ведь от этого будет зависеть мощность на нагрузке – при слишком маленькой ёмкости могут возникнуть просадки по питанию и мощность снизится. Оптимальным будет значение в 470-680 мкФ, обратите внимание, что данный конденсатор должен быть рассчитан на высокое питающее напряжение + некоторый запас.
Цепочка из элементов R2-C3 задаёт частоту, поэтому здесь важно применить качественный высокочастотный конденсатор, подойдёт и обычный плёночный. Чем больше ёмкость конденсатора – тем ним ниже частота работы схемы, при указанных номиналах она примерно равна 80 кГц. Можно собрать схему с фиксированной частотой, но наилучшие результаты можно получить при возможности регулировать частоту, поэтому вместо постоянного резистора рекомендую установить подстроечный на 20 кОм, диапазон регулировок частоты можно подбирать также ёмкостью конденсатора. Конденсатор С4 – желательно применить неполярный танталовый, ёмкостью 20-30 мкФ, но подойдёт и обычный электролитический. Резисторы R3, R4 служат для ограничения тока в затворах транзисторов, подойдут на 10-30 Ом.
Особое внимание стоит уделить выбору силовых транзисторов, ведь именно они будут коммутировать нагрузку и от них будет зависеть как КПД схемы, так и её надёжность. Самым недорогим, но не самым мощным вариантом являются IRF630 – они подойдут для работы на напряжениях не более 150 вольт при не слишком большой мощности, я использую именно их. Использовать здесь можно практически любые мощные полевые транзисторы, учитывать при выборе следует их максимальное рабочее напряжение, ток и сопротивление открытого канала. Подходящими вариантами будут также IRF740, IRF840, IRFP450, IRFP460, последние два являются более дорогими, но позволят работать на более высоких мощностях, до 500 ватт. Конденсаторы C5 и C6 образуют делитель напряжения, который необходим для работы полумостового преобразователя, применить здесь можно плёночные конденсаторы ёмкостью 1-2 мкФ, их рабочее напряжение должно быть также рассчитано на напряжение питания + некоторый запас. VD1 – диод, использовать здесь нужно не обычные диоды, а ультрабыстрые, например UF4007 и аналогичные.
Сборка преобразователя
Вся схема собирается на печатной плате, которая прилагается к статье. Обратите внимание, что схема «капризна» в плане разводки, данный вариант платы является проверенным, никаких артефактов в работе на нём не выявлено. Плата выполняется стандартным методом ЛУТ, фотографии процесса изготовления платы и запайки деталей ниже.
Несколько слов о первичной обмотке – её необходимо намотать на ферритовом сердечнике трансформатора самостоятельно, так как штатные первичные обмотки не рассчитаны на большую мощность. Намотка не занимает много времени, достаточно всего 30-40 витков медного эмалированного провода, его сечения не должно быть слишком маленьким, иначе возникнут потери. Получившуюся обмотку необходимо соединить с платой проводами, при этом их длина не должна быть слишком большой.
Как нетрудно догадаться, высокое напряжение снимается с «горячего» вывода трансформатора, обычно его можно отличить по толстой изоляции. Минусовой контакт на ТДКС расположен в нижней части корпуса вместе со всеми остальными выводами, найти его просто – достаточно посмотреть, на каком контакте зажжётся дуга при поднесении «горячего» вывода. Обратите внимание, что нижняя часть ТДКС на фотографии имеет почернения – они образовались при работе ТДКС с данной полумостовой схемой, так как трансформатор используется практически на пределе своих возможностей, иногда между разными его выводами возникают пробои. Чтобы их избежать, следует залить все выводы диэлектрическим компаундом, вывести только нужный минусовой отдельным проводом.
Питать всю конструкцию нужно от источника с соответствующей мощностью, удобно, если, питающее напряжение можно регулировать. В моём случае источником питания служит старый трансформатор их лампового телевизора ТС-160, для выпрямления отдельно подключен диодный мост с конденсаторами на небольшой плате, его видно на фото.
Даже такие «маломощные» транзисторы, как IRF630 в данной схеме не сильно нагреваются, после нескольких минут непрерывной работы они остаются лишь тёплыми на небольших радиаторах. Хоть и тепловыделение маленькое, особенно при использовании, например, IRFP450-560, небольшие радиаторы как на фото для надёжности не будут лишними. Общий вид конструкции:
Заключающие фотографии – на которых запечатлены высоковольтные дуги, а также видео. Напряжение пробоя воздуха примерно равно 3-м сантиметрам. Как видно на видео, если высоковольтные электроды отнесены на некоторое расстояние друг от друга, дуга не горит, и трансформатор работает в холостую, при этом с его «горячего» вывода, а также самого корпуса коронируют фиолетовые разряды – при их появлении желательно изолировать все возможные места пробоев диэлектрическим компаундом. Обратите внимание, что ТДКС обладает не только высоким напряжением, но и достаточной мощностью для того, чтобы нанести электротравму, если коснуться руками высоковольтных выводов. Для возникновения дуги прикосновение даже не обязательно, учитывая довольно большое расстояние пробоя. Следует также помнить, что после выключения схемы высокое напряжение на выходе ТДКС по-прежнему сохраняется, так как внутри присутствует конденсатор, поэтому после выключения следует замыкать между собой высоковольтные выводы для разрядки этого конденсатора. Удачной сборки!
