Новостной и аналитический портал "время электроники". ¡ — Опыты с конденсаторами Зарядка конденсатора импульсным током

Генераторы высокого напряжения малой мощности широко используют в дефектоскопии, для питания портативных ускорите­лей заряженных частиц, рентгеновских и электронно-лучевых тру­бок, фотоэлектронных умножителей, детекторов ионизирующих излучений. Кроме этого, их также применяют для электроим­пульсного разрушения твердых тел, получения ультрадисперсных порошков, синтеза новых материалов, в качестве искровых те-чеискателей, для запуска газоразрядных источников света, при электроразрядной диагностике материалов и изделий, получении газоразрядных фотографий по методу С. Д. Кирлиан, тести­ровании качества вьюоковольтной изоляции. В быту подобнью устройства находят применение в качестве источников питания для электронных уловителей ультрадисперсной и радиоактивной пыли, систем электронного зажигания, для электроэффлювиаль-ных люстр (люстр А. Л. Чижевского), аэроионизаторов, устройств медицинского назначения, газовых зажигалок, электроизгородей, элек-трошокеров и т.д. .

Условно к генераторам высокого напряжения, нами отнесе­ны устройства, вырабатывающие напряжение выше 1 кВ.

Генератор вьюоковольтных импульсов с использованием ре­зонансного трансформатора (рис. 11.1) выполнен по классиче­ской схеме на газовом разряднике РБ-3 .

Конденсатор С2 заряжается пульсирующим напряжением через диод VD1 и резистор R1 до напряжения пробоя газового разрядника. В результате пробоя газового промежутка разряд­ника конденсатор разряжается на первичную обмотку трансфор­матора, после чего процесс повторяется. В итоге на выходе трансформатора Т1 формируются затухающие вьюоковольтные импульсы амплитудой до 3…20 кВ.

Для защиты выходной обмотки трансформатора от перена­пряжения параллельно ей подключен разрядник, выполненный в виде электродов с регулируемым воздушным зазором.

Рис. 11.1. Схема генератора высоковольтных импульсов с ис­пользованием газового разрядника

Рис. 11.2. Схема генератора высоковольтных импульсов с удвое­нием напряжения

Трансформатор Т1 генератора импульсов (рис. 11.1) вы­полнен на незамкнутом ферритовом сердечнике М400НН-3 диа­метром 8 и длиной 100 мм. Первичная (низковольтная) обмотка трансформатора содержит 20 витков провода МГШВ 0,75 мм с шагом намотки 5…6 мм. Вторичная обмотка содержит 2400 витков рядовой намотки провода ПЭВ-2 0,04 мм. Первичная обмотка намотана поверх вторичной через политетрафторэти-леновую (фторопластовую) прокладку 2×0,05 мм. Вторичная об­мотка трансформатора должна быть надежно изолирована от первичной.

Вариант выполнения генератора вьюоковольтных импуль­сов с использованием резонансного трансформатора показан на рис. 11.2 . В этой схеме генератора имеется гальвани­ческая развязка от питающей сети. Сетевое напряжение по­ступает на промежуточный (повышающий) трансформатор Т1. Снимаемое со вторичной обмотки сетевого трансформатора напряжение поступает на выпрямитель, работающий по схеме удвоения напряжения.

в результате работы такого выпрямителя на верхней по схе­ме обкладке конденсатора С2 относительно нулевого провода по­является положительное напряжение, равное V2L/„, где - напряжение на вторичной обмотке силового трансформатора.

На конденсаторе С1 формируется соответствующее напря­жение противоположного знака. В результате напряжение на об­кладках конденсатора СЗ будет равно 2 V2L/„.

Скорость заряда конденсаторов С1 и С2 (С1=С2) определя­ется величиной сопротивления R1.

Когда напряжение на обкладках конденсатора СЗ сравняет­ся с напряжением пробоя газового разрядника FV1, произойдет пробой его газового промежутка, конденсатор СЗ и, соответст­венно, конденсаторы С1 и С2 разрядятся, во вторичной обмотке трансформатора Т2 возникнут периодические затухающие коле­бания. После разряда конденсаторов и отключения разрядника процесс заряда и последующего разряда конденсаторов на пер­вичную обмотку трансформатора Т2 повторится снова.

Вьюоковольтный генератор, используемый для получения фотографий в газовом разряде, а также для сбора ультрадис­персной и радиоактивной пыли (рис. 11.3) состоит из удвоителя напряжения, релаксационного генератора импульсов и повышающего резонансного трансформатора.

Удвоитель напряжения выполнен на диодах VD1, VD2 и кон­денсаторах С1, С2. Зарядную цепочку образуют конденсаторы С1 - СЗ и резистор R1. Параллельно конденсаторам С1 - СЗ включен газовый разрядник на 350 В с последовательно соеди­ненной первичной обмоткой повышающего трансформатора Т1.

Как только уровень постоянного напряжения на конденсато­рах С1 - СЗ превьюит напряжение пробоя разрядника, конденса­торы разрядятся через обмотку повышающего трансформатора и в результате образуется вьюоковольтный импульс. Элементы схе­мы подобраны так, что частота формирования импульсов около 1 Гц. Конденсатор С4 предназначен для защиты выходного зажи­ма прибора от попадания сетевого напряжения.

Выходное напряжение устройства целиком определяется свойствами используемого трансформатора и может достигать 15 кВ. Высоковольтный трансформатор на выходное

Рис. 11.3. Схема генератора импульсов высокого напряжения с использованием газового разрядника или динисторов

напряжение порядка ^0 кВ выполнен на диэлектрической трубке с внешним диаметром 8 и длиной 150 мм, внутри расположен мед­ный электрод диаметром 1,5 мм. Вторичная обмотка содержит 3…4 тысячи витков провода ПЭЛШО 0,12, намотанных виток к витку в 10… 13 слоев (ширина намотки 70 мм) и пропитанных клеем ЁФ-2 с межслойной изоляцией из политетрафторэтилена. Первичная обмотка содержит 20 витков провода ПЭВ 0,75, пропу­щенного через кембрик из поливинилхлорида.

В качестве такого трансформатора можно также применить модифицированный выходной трансформатор строчной разверт­ки телевизора; трансформаторы электронных зажигалок, ламп-вспышек, катушек зажигания и др.

Газовый разрядник Р-350 может быть заменен переключае­мой цепочкой динисторов типа КН102 (рис. 11.3, справа), что по­зволит ступенчато изменять выходное напряжение . Для равномерного распределения напряжения на динисторах парал­лельно к каждому из них подключены резисторы одинакового но­минала сопротивлением 300…510 кОм.

Вариант схемы вьюоковольтного генератора с использова­нием в качестве порогово-коммутирующего элемента газонапол­ненного прибора - тиратрона показан на рис. 11.4 .

Сетевое напряжение, выпрямляется диодом VD1. Выпрям­ленное напряжение сглаживается конденсатором С1 и подается на зарядную цепочку R1, С2. Как только напряжение на конденса­торе С2 достигнет напряжения зажигания тиратрона VL1, он

Рис. 11.4. Схема генератора импульсов высокого напряжения с использованием тиратрона

вспыхивает. Конденсатор С2 разряжается через первичную об­мотку трансформатора Т1, тиратрон гаснет, конденсатор вновь начинает заряжаться и т.д.

В качестве трансформатора Т1 использована автомобиль­ная катушка зажигания .

Вместо тиратрона VL1 МТХ-90 можно включить один или несколько динисторов типа КН102. Амплитуду вьюокого напряже­ния можно регулировать количеством включенных динисторов.

Конструкция вьюоковольтного преобразователя с использо­ванием тиратронного коммутатора описана в работе . От­метим, что для разряда конденсатора могут быть использованы и другие виды газонаполненных приборов.

Более перспективно применение в современных генерато­рах вьюокого напряжения полупроводниковых переключающих приборов. Их достоинства отчетливо выражены: это вьюокая по­вторяемость параметров, меньшая стоимость и габариты, высо­кая надежность.

Ниже будут рассмотрены генераторы вьюоковольтных им­пульсов с использованием полупроводниковых коммутирующих приборов (динисторов, тиристоров, биполярных и полевых тран­зисторов).

Вполне равноценным, но слаботочным аналогом газовых разрядников являются динисторы.

На рис. 11.5 показана электрическая схема генератора, вы­полненного на динисторах . По своей структуре генератор полностью подобен описанным ранее (рис. 11.1, 11.4). Основное отличие заключается в замене газового разрядника цепочкой по­следовательно включенных динисторов.

Рис. 11.5. Схема генератора высоковольтных импульсов на динисторах

Рис. 11.6. Схема генератора высоковольтных импульсов с мосто­вым выпрямителем

Следует отметить, что КПД такого аналога и коммутируе­мые токи заметно ниже, чем у прототипа, однако динисторы бо­лее доступны и более долговечны.

Несколько усложненный вариант генератора высоковольт­ных импульсов представлен на рис. 11.6 . Сетевое напря­жение подается на мостовой выпрямитель на диодах VD1 - VD4. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором С1. На этом конденсаторе образуется постоянное напряжение около 300 В, которое используется для питания релаксационного генератора, составленного из элементов R3, С2, VD5 и VD6. Его нагрузкой является первичная обмотка трансформатора Т1. Со вторичной обмотки снимаются импульсы амплитудой примерно 5 kBv\ частотой следования до 800 Гц.

Цепочка динисторов должна быть рассчитана на напряже­ние включения около 200 В. Здесь можно использовать динисто­ры типа КН102 либо Д228 . При этом следует учитывать, что напряжение включения динисторов типа КН102А, Д228А со­ставляет 20 В; КН102Б, Д228Б - 28 В; КН102В, Д228В - 40 В;

КН102Г, Д228Г - 56 В; КН102Д, Д228Д - 80 В; КН102Е - 75 В; КН102Ж, Д228Ж - 120 В; КН102И, Д228И - 150 Б.

В качестве трансформатора Т1 в приведенных выше уст­ройствах может быть использован доработанный строчный трансформатор от черно-белого телевизора . Его высоковольтную обмотку оставляют, остальнью удаляют и вместо них наматывают низковольтную (первичную) обмотку - 15…30 витков провода ПЭВ диаметром 0,5…0,8 мм.

При выборе числа витков первичной обмотки следует учи­тывать количество витков вторичной обмотки. Необходимо также иметь в виду, что величина выходного напряжения генератора вы­соковольтных импульсов в большей степени зависит от настройки контуров трансформатора в резонанс, нежели от соотношения числа витков обмоток.

Характеристики некоторых видов телевизионных трансфор­маторов строчной развертки приведены в таблице 11.1 .

Таблица 11.1. Параметры высоковольтных обмоток унифицирован­ных телевизионных трансформаторов строчной развертки

Тип трансформатора	Число витков		R обмотки, Ом
ТВС-А, ТВС-Б
ТВС-110, ТВС-110М
Тип трансформатора	Число витков		R обмотки, Ои
ТВС-90ЛЦ2, ТВС-90ЛЦ2-1
ТВС-110ПЦ15
ТВС-110ПЦ16, ТВС-11РПЦ18

Рис. 11.7. Электрическая схема генератора высоковольтных импульсов

На рис. 11.7 представлена опубликованная на одном из сайтов схема двухступенчатого генератора высоковольтных им­пульсов, в котором в качестве элемента коммутации использо­ван тиристор. В свою очередь, в качестве порогового элемента, определяющего частоту следования вьюоковольтных импульсов и запускающего тиристор, выбран газоразрядный прибор - не­оновая лампа (цепочка HL1, HL2).

При подаче напряжения питания генератор импульсов, вы­полненный на основе транзистора VT1 {2N2219A - КТ630Г), вырабатывает напряжение порядка 150 В. Это напряжение вы­прямляется диодом VD1 и заряжает конденсатор С2.

После того как напряжение на конденсаторе С2 превьюит напряжение зажигания неоновых ламп HL1, HL2, через токоогра-ничивающий резистор R2 произойдет разряд конденсатора на управляющий электрод тиристора VS1, тиристор отопрется. Раз­рядный ток конденсатора С2 создаст электрические колебания в первичной обмотке трансформатора 12.

Напряжение включения тиристора можно регулировать, подбирая неоновые лампы с разным напряжением зажигания. Ступенчато изменять величину напряжения включения тиристо­ра можно переключением числа последовательно включенных неоновых ламп (или заменяющих их динисторов).

Рис. 11.8. Диаграмма электрических процессов на электродах по­лупроводниковых приборов (к рис. 11.7)

Диаграмма напряжений на базе транзистора VT1 и на аноде тиристора показана на рис. 11.8. Как следует из представленных диаграмм, импульсы блокинг-генератора имеют длительность при­мерно 8 мс. Заряд конденсатора С2 происходит ступенчато-экспо­ненциально в соответствии с действием импульсов, снимаемых со вторичной обмотки трансформатора Т1.

На выходе генератора формируются импульсы напряжением примерно 4,5 кВ. В качестве трансформатора Т1 использован вы­ходной трансформатор для усилителей низкой частоты. В качестве высоковольтного трансформатора Т2 использован трансформатор от фотовспышки или переработанный (см. выше) телевизионный трансформатор строчной развертки.

Схема еще одного варианта генератора с использованием неоновой лампы в качестве порогового элемента приведена на рис. 11.9 .

Рис. 11.9. Электрическая схема генератора с пороговым элемен­том на неоновой лампе

Релаксационный генератор в нем выполнен на элементах R1, VD1, С1, HL1, VS1. Он работает при положительных полупе­риодах сетевого напряжения, когда конденсатор 01 заряжается до напряжения включения порогового элемента на неоновой лам­пе HL1 и тиристоре VS1. Диод VD2 демпфирует импульсы самоин­дукции первичной обмотки повышающего трансформатора Т1 и позволяет повьюить выходное напряжение генератора. Выходное напряжение достигает 9 кВ. Неоновая лампа одновременно явля­ется сигнализатором включения устройства в сеть.

Вьюоковольтный трансформатор намотан на отрезке стерж­ня диаметром 8 и длиной 60 мм из феррита М400НН. Вначале размещают первичную обмотку - 30 витков провода ПЭЛШО 0,38, а затем вторичную - 5500 витков ПЭЛШО 0,05 или больше­го диаметра. Между обмотками и через каждые 800… 1000 витков вторичной обмотки прокладывают слой изоляции из поливинил-хлоридной изоляционной ленты.

В генераторе возможно введение дискретной многоступен­чатой регулировки выходного напряжения переключением в по­следовательной цепи неоновых ламп либо динисторов (рис. 11.10). В первом варианте обеспечиваются две ступени регулирования, во втором - до десяти и более (при использовании динисторов КН102А с напряжением включения 20 В).

Рис. 11.10. Электрическая схема порогового элемента

Рис. 11.11. Электрическая схема генератора высокого напряжения с пороговым элементом на диоде

Простой генератор высокого напряжения (рис. 11.11) позво­ляет получить на выходе импульсы амплитудой до 10 .

Переключение управляющего элемента устройства проис­ходит с частотой 50 Гц (на одной полуволне сетевого напряже­ния). В качестве порогового элемента использован диод VD1 Д219А Щ220, Д223), работающий при обратном смещении в ре­жиме лавинного пробоя.

При превышении на полупроводниковом переходе диода напряжения лавинного пробоя происходит переход диода в прово­дящее состояние. Напряжение с заряженного конденсатора С2 подается на управляющий электрод тиристора VS1. После вклю­чения тиристора конденсатор С2 разряжается на обмотку транс­форматора Т1.

Трансформатор Т1 не имеет сердечника. Он выполнен на катушке диаметром 8 мм из полиметилметакрилата или политет-рахлорэтилена и содержит три разнесенных секции шириной по 9 мм. Повышающая обмотка содержит 3×1000 витков, намотан­ных проводом ПЭТФ, ПЭВ-2 0,12 мм. После намотки обмотка должна быть пропитана парафином. Поверх парафина наклады­вается 2 - 3 слоя изоляции, после чего наматывают первичную обмотку - 3×10 витков провода ПЭВ-2 0,45 мм.

Тиристор VS1 можно заменить другим на напряжение выше 150 В. Лавинный диод можно заменить цепочкой динисторов (рис. 11.10, 11.11 внизу).

Схема маломощного переносного источника импульсов вы­сокого напряжения с автономным питанием от одного гальваниче­ского элемента (рис. 11.12) состоит из двух генераторов . Первый построен на двух маломощных транзисторах, второй - на тиристоре и динисторе.

Рис. 11.12. Схема генератора напряжения с низковольтным пита­нием и тиристорно-динисторным ключевым элементом

Каскад на транзисторах разной проводимости преобразует низковольтное постоянное напряжение в высоковольтное им­пульсное. Времязадающей цепочкой в этом генераторе служат элементы С1 и R1. При включении питания открывается транзи­стор VT1, и перепад напряжения на его коллекторе открывает транзистор VT2. Конденсатор С1, заряжаясь через резистор R1, уменьшает базовый ток транзистора VT2 настолько, что транзи­стор VT1 выходит из насыщения, а это приводит к закрыванию и VT2. Транзисторы будут закрыты до тех пор, пока конденсатор С1 не разрядится через первичную обмотку трансформатора Т1.

Повышенное импульсное напряжение, снимаемое со вто­ричной обмотки трансформатора Т1, выпрямляется диодом VD1 и поступает на конденсатор С2 второго генератора с тиристором VS1 и динистором VD2. В каждый положительный полупериод накопительный конденсатор С2 заряжается до амплитудного зна­чения напряжения, равного напряжению переключения динистора VD2, т.е. до 56 В (номинальное импульсное отпирающее напряже­ние для динистора типа КН102Г).

Переход динистора в открытое состояние воздействует на цепь управления тиристора VS1, который в свою очередь тоже от­крывается. Конденсатор С2 разряжается через тиристор и пер­вичную обмотку трансформатора Т2, после чего динистор и тиристор вновь закрываются и начинается очередной заряд кон­денсатора - цикл переключений повторяется.

Со вторичной обмотки трансформатора Т2 снимаются им­пульсы с амплитудой в несколько киловольт. Частота искровых разрядов равна примерно 20 Гц, но она намного меньше частоты импульсов, снимаемых со вторичной обмотки трансформатора Т1. Происходит это потому, что конденсатор С2 заряжается до на­пряжения переключения динистора не за один, а за несколько положительных полупериодов. Величина емкости этого конденса­тора определяет мощность и длительность выходных разрядных импульсов. Безопасное для динистора и управляющего электрода тринистора среднее значение разрядного тока выбрано из расче­та емкости этого конденсатора и величины импульсного напряже­ния, питающего каскад. Для этого емкость конденсатора С2 должна быть примерно 1 мкФ.

Трансформатор Т1 выполнен на кольцевом ферритовом магнитопроводе типа К10х6х5. Он имеет 540 витков провода ПЭВ-2 0,1 с заземленным отводом после 20-го витка. Начало его намотки присоединяется к транзистору VT2, конец - к диоду VD1. Трансформатор Т2 намотан на катушке с ферритовым или пермаллоевым сердечником диаметром 10 мм, длиной 30 мм. Ка­тушку с внешним диаметром 30 мм и шириной 10 мм наматывают проводом ПЭВ-2 0,1 мм до полного заполнения каркаса. Перед окончанием намотки делается заземленный отвод, и последний ряд провода из 30…40 витков наматывается виток к витку поверх изолирующего слоя лакоткани.

Трансформатор Т2 по ходу намотки необходимо пропиты­вать изолирующим лаком или клеем БФ-2, затем тщательно просушить.

Вместо VT1 и VT2 можно применить любые маломощные транзисторы, способные работать в импульсном режиме. Тири­стор КУ101Е можно заменить на КУ101Г. Источник питания - гальванические элементы с напряжением не более 1,5 В, напри­мер, 312, 314, 316, 326, 336, 343, 373, или дисковые никель-кад-миевью аккумуляторы типа Д-0,26Д, Д-0,55С и т.п.

Тиристорный генератор вьюоковольтных импульсов с сете­вым питанием показан на рис. 11.13 .

Рис. 11.13. Электрическая схема генератора высоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии и коммута­тором на тиристоре

Во время положительного полупериода сетевого напряже­ния конденсатор С1 заряжается через резистор R1, диод VD1 и первичную обмотку трансформатора Т1. Тиристор VS1 при этом закрыт, поскольку отсутствует ток через его управляющий элек­трод (падение напряжения на диоде VD2 в прямом направлении мало по сравнению с напряжением, необходимым для открывания тиристора).

При отрицательном полупериоде диоды VD1 и VD2 закры­ваются. На катоде тиристора образуется падение напряжения от­носительно управляющего электрода (минус - на катоде, плюс - на управляющем электроде), в цепи управляющего электрода по­является ток, и тиристор открывается. В этот момент конденсатор С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора. Во вторичной обмотке появляется импульс вьюокого напряжения. И так - каждый период сетевого напряжения.

На выходе устройства формируются двухполярнью импуль­сы вьюокого напряжения (поскольку при разряде конденсатора в цепи первичной обмотки возникают затухающие колебания).

Резистор R1 может быть составлен из трех параллельно со­единенных резисторов МЛТ-2 сопротивлением по 3 кОм.

Диоды VD1 и VD2 должны быть рассчитаны на ток не менее 300 мА и обратное напряжение не ниже 400 В (VD1) и 100 Б (VD2). Конденсатор С1 типа МБМ на напряжение не ниже 400 Б. Его емкость - доли-единицы мкФ - подбирают экспериментально. Тиристор VS1 типа КУ201К, КУ201Л, КУ202К - КУ202Н. Транс­форматор Т1 - катушка зажигания Б2Б (на 6 Б) от мотоцикла или автомобиля.

В устройстве может быть использован телевизионный трансформатор строчной развертки ТВС-110Л6, ТВС-110ЛА, ТВС-110АМ.

Достаточно типичная схема генератора вьюоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии показана на рис. 11.14 .

Рис. 11.14. Схема тиристорного генератора высоковольтных им­пульсов с емкостным накопителем энергии

Генератор содержит гасящий конденсатор С1, диодный вы­прямительный мост VD1 - VD4, тиристорный ключ VS1 и схему управления. При включении устройства заряжаются конденсаторы С2 и СЗ, тиристор VS1 пока закрыт и ток не проводит. Предельное напряжение на конденсаторе С2 ограничено стабилитроном VD5 величиной 9 Б. В процессе зарядки конденсатора С2 через рези­стор R2 напряжение на потенциометре R3 и, соответственно, на управляющем переходе тиристора VS1 возрастает до определен­ного значения, после чего тиристор переключается в проводящее состояние, а конденсатор СЗ через тиристор VS1 разряжается через первичную (низковольтную) обмотку трансформатора Т1, генерируя вьюоковольтный импульс. После этого тиристор закры­вается и процесс начинается заново. Потенциометр R3 устанавли­вает порог срабатывания тиристора VS1.

Частота повторения импульсов составляет 100 Гц. В ка­честве вьюоковольтного трансформатора может быть использо­вана автомобильная катушка зажигания. В этом случае выходное напряжение устройства достигнет 30…35 кВ. Тиристорный ге­нератор высоковольтных импульсов (рис. 11.15) управляется импульсами напряжения, снимаемого с релаксационного генера­тора, выполненного на динисторе VD1 . Рабочая частота генератора управляющих импульсов (15…25 Гц) определяется ве­личиной сопротивления R2 и емкостью конденсатора С1.

Рис. 11.15. Электрическая схема тиристорного генератора высоко­вольтных импульсов с импульсным управлением

Релаксационный генератор связан с тиристорным ключом через импульсный трансформатор Т1 типа МИТ-4. В качестве выходного трансформатора Т2 используется вьюокочастотный трансформатор от аппарата для дарсонвализации «Искра-2». На­пряжение на выходе устройства может доходить до 20…25 кВ.

На рис. 11.16 показан вариант подачи импульсов управле­ния на тиристор VS1 .

Преобразователь напряжения (рис. 11.17), разработанный в Болгарии, содержит два каскада. В первом из них нагрузкой ключевого элемента, выполненного на транзисторе VT1, являет­ся обмотка трансформатора Т1. Управляющие импульсы прямо­угольной формы периодически включают/выключают ключ на транзисторе VT1, подключая/отключая тем самым первичную об­мотку трансформатора.

Рис. 11.16. Вариант управления тиристорным коммутатором

Рис. 11.17. Электрическая схема двухступенчатого генератора вы­соковольтных импульсов

Во вторичной обмотке наводится повышенное напряже­ние, пропорциональное коэффициенту трансформации. Это на­пряжение выпрямляется диодом VD1 и заряжает конденсатор С2, который подключен к первичной (низковольтной) обмотке вьюоковольтного трансформатора Т2 и тиристору VS1. Управле­ние работой тиристора осуществляется импульсами напряже­ния, снимаемыми с дополнительной обмотки трансформатора Т1 через цепочку элементов, корректирующих форму импульса.

В результате тиристор периодически включается/отключа­ется. Конденсатор С2 разряжается на первичную обмотку вьюоко­вольтного трансформатора.

Генератор вьюоковольтных импульсов, рис. 11.18, содержит в качестве управляющего элемента генератор на основе однопе-реходного транзистора .

Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом VD1 - VD4. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживает

Рис. 11.18. Схема генератора высоковольтных импульсов с управ­ляющим элементом на однопереходном транзисторе

конденсатор С1, ток заряда конденсатора в момент включения устройства в сеть ограничивает резистор R1. Через резистор R4 заряжается конденсатор СЗ. Одновременно вступает в действие генератор импульсов на однопереходном транзисторе VT1. Его «спусковой» конденсатор С2 заряжается через резисторы R3 и R6 от параметрического стабилизатора (балластный резистор R2 и стабилитроны VD5, VD6). Как только напряжение на кон­денсаторе 02 достигает определенного значения, транзистор VT1 переключается, и на управляющий переход тиристора VS1 поступает открывающий импульс.

Конденсатор 03 разряжается через тиристор VS1 на пер­вичную обмотку трансформатора Т1. На его вторичной обмотке формируется импульс вьюокого напряжения. Частота следования этих импульсов определяется частотой генератора, которая, в свою очередь, зависит от параметров цепочки R3, R6 и 02. Под-строечным резистором R6 можно изменять выходное напряжение генератора примерно в 1,5 раза. При этом частота импульсов ре­гулируется в пределах 250… 1000 Гц. Кроме того, выходное на­пряжение изменяется при подборе резистора R4 (в пределах от 5 до 30 кОму.

Конденсаторы желательно применять бумажнью (01 и 03 - на номинальное напряжение не менее 400 В); на такое же напря­жение должен быть рассчитан диодный мост. Вместо указанного на схеме можно использовать тиристор Т10-50 или в крайнем слу­чае КУ202Н. Стабилитроны VD5, VD6 должны обеспечить сум­марное напряжение стабилизации около 18 Б.

Трансформатор изготовлен на основе ТВС-110П2 от чер­но-белых телевизоров. Все первичные обмотки удаляют и нама­тывают на освободившееся место 70 витков провода ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,5.. .0,8 мм.

Электрическая схема генератора импульсов вьюокого напря­жения, рис. 11.19 , состоит из диодно-конденсаторного умно­жителя напряжения (диоды VD1, VD2, конденсаторы С1 - С4). На его выходе получается постоянное напряжение примерно 600 В.

Рис. 11.19. Схема генератора высоковольтных импульсов с удвои­телем напряжения сети и генератором запускающих импульсов на однопереходном транзисторе

В качестве порогового элемента устройства использован однопереходный транзистор VT1 типа КТ117А. Напряжение на одной из его баз стабилизировано параметрическим стабилиза­тором на стабилитроне VD3 типа КС515А (напряжение стабилиза­ции 15 Б). Через резистор R4 осуществляется заряд конденсатора С5, и когда напряжение на управляющем электроде транзистора VT1 превысит напряжение на его базе, произойдет переключение VT1 в проводящее состояние, а конденсатор С5 разрядится на управляющий электрод тиристора VS1.

При включении тиристора цепочка конденсаторов С1 - С4, заряженных до напряжения около 600…620 Б, разряжается на низковольтную обмотку повышающего трансформатора Т1. По­сле этого тиристор отключается, зарядно-разряднью процессы повторяются с частотой, определяемой постоянной R4C5. Рези­стор R2 ограничивает ток короткого замыкания при включении тиристора и одновременно является элементом зарядной цепи конденсаторов С1 - С4.

Схема преобразователя (рис. 11.20) и его упрощенного варианта (рис. 11.21) подразделяется на следующие узлы: сете­вой заградительный фильтр (фильтр помех); электронный регуля­тор; высоковольтный трансформатор .

Рис. 11.20. Электрическая схема генератора высокого напряжения с сетевым фильтром

Рис. 11.21. Электрическая схема генератора высокого напряжения с сетевым фильтром

Схема на рис. 11.20 работает следующим образом. Конден­сатор СЗ заряжается через диодный выпрямитель VD1 и резистор R2 до амплитудного значения напряжения сети (310 Б). Это напря­жение попадает через первичную обмотку трансформатора Т1 на анод тиристора VS1. По другой ветви (R1, VD2 и С2) медленно за­ряжается конденсатор С2. Когда в процессе его заряда достигает­ся пробивное напряжение динистора VD4 (в пределах 25…35 Б), конденсатор С2 разряжается через управляющий электрод тири­стора VS1 и открывает его.

Конденсатор СЗ практически мгновенно разряжается через открытый тиристор VS1 и первичную обмотку трансформатора

Т1. Импульсный изменяющийся ток индуцирует во вторичной обмотке Т1 вьюокое напряжение, величина которого может пре-вьюить 10 кВ. После разряда конденсатора СЗ тиристор VS1 за­крывается, и процесс повторяется.

В качестве вьюоковольтного трансформатора используют телевизионный трансформатор, у которого удаляют первичную обмотку. Для новой первичной обмотки используется обмоточный провод диаметром 0,8 мм. Количество витков - 25.

Для изготовления катушек индуктивности заградительного фильтра L1, L2 лучше всего подходят вьюокочастотные феррито­вые сердечники, например, 600НН диаметром 8 мм и длиной 20 мм, имеющие примерно по 20 витков обмоточного провода диаметром 0,6…0,8 мм.

Рис. 11.22. Электрическая схема двухступенчатого генератора вы­сокого напряжения с управляющим элементом на поле­вом транзисторе

Двухступенчатый генератор вьюокого напряжения (автор - Andres Estaban de la Plaza ) содержит трансформаторный генератор импульсов, выпрямитель, времязадающую RC-цепоч-ку, ключевой элемент на тиристоре (симисторе), высоковольтный резонансный трансформатор и схему управления работой тири­стора (рис. 11.22).

Аналог транзистора TIP41 - КТ819А.

Низковольтный трансформаторный преобразователь на­пряжения с перекрестными обратными связями, собранный на транзисторах VT1 и VT2, вырабатывает импульсы с частотой повторения 850 Гц. Транзисторы VT1 и VT2 для облегчения ра­боты при протекании больших токов установлены на радиато­рах, выполненных из меди или алюминия.

Выходное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Т1 низковольтного преобразователя, выпрямля­ется диодным мостом VD1 - VD4 и через резистор R5 заряжает конденсаторы СЗ и С4.

Управление порогом включения тиристора производится регулятором напряжения, в состав которого входит полевой тран­зистор VT3.

Далее работа преобразователя существенно не отличает­ся от описанных ранее процессов: происходит периодический заряд/разряд конденсаторов на низковольтную обмотку транс­форматора, генерируются затухающие электрические колеба­ния. Выходное напряжение преобразователя при использовании на выходе в качестве повышающего трансформатора катушки зажигания от автомобиля, достигает 40…60 кВ при резонансной частоте примерно 5 кГц.

Трансформатор Т1 (выходной трансформатор строчной раз­вертки), содержит 2×50 витков провода диаметром 1,0 мм, намо­танных бифилярно. Вторичная обмотка содержит 1000 витков диаметром 0,20…0,32 мм.

Отметим, что в качестве управляемых ключевых элементов могут быть использованы современнью биполярные и полевые транзисторы.

Генераторы высокого напряжения малой мощности широко используют в дефектоскопии, для питания портативных ускорителей заряженных частиц, рентгеновских и электронно-лучевых трубок, фотоэлектронных умножителей, детекторов ионизирующих излучений. Кроме этого, их также применяют для электроимпульсного разрушения твердых тел, получения ультрадисперсных порошков, синтеза новых материалов, в качестве искровых те-чеискателей, для запуска газоразрядных источников света, при электроразрядной диагностике материалов и изделий, получении газоразрядных фотографий по методу С. Д. Кирлиан, тестировании качества высоковольтной изоляции. В быту подобные устройства находят применение в качестве источников питания для электронных уловителей ультрадисперсной и радиоактивной пыли, систем электронного зажигания, для электроэффлювиаль-ных люстр (люстр А. Л. Чижевского), аэроионизаторов, устройств медицинского назначения (аппараты Д’Арсонваля, франклизации, ультратонотерапии), газовых зажигалок, электроизгородей, элек-трошокеров и т.д.

Условно к генераторам высокого напряжения нами отнесены устройства, вырабатывающие напряжение выше 1 кВ.

Генератор высоковольтных импульсов с использованием резонансного трансформатора (рис. 11.1) выполнен по классической схеме на газовом разряднике РБ-3.

Конденсатор С2 заряжается пульсирующим напряжением через диод VD1 и резистор R1 до напряжения пробоя газового разрядника. В результате пробоя газового промежутка разрядника конденсатор разряжается на первичную обмотку трансформатора, после чего процесс повторяется. В итоге на выходе трансформатора Т1 формируются затухающие высоковольтные импульсы амплитудой до 3...20 кВ.

Для защиты выходной обмотки трансформатора от перенапряжения параллельно ей подключен разрядник, выполненный в виде электродов с регулируемым воздушным зазором.

Рис. 11.1. Схема генератора высоковольтных импульсов с использованием газового разрядника.

Рис. 11.2. Схема генератора высоковольтных импульсов с удвоением напряжения.

Трансформатор Т1 генератора импульсов (рис. 11.1) выполнен на незамкнутом ферритовом сердечнике М400НН-3 диаметром 8 и длиной 100 мм. Первичная (низковольтная) обмотка трансформатора содержит 20 витков провода МГШВ 0,75 мм с шагом намотки 5...6 мм. Вторичная обмотка содержит 2400 витков рядовой намотки провода ПЭВ-2 0,04 мм. Первичная обмотка намотана поверх вторичной через политетрафторэти-леновую (фторопластовую) прокладку 2x0,05 мм. Вторичная обмотка трансформатора должна быть надежно изолирована от первичной.

Вариант выполнения генератора высоковольтных импульсов с использованием резонансного трансформатора показан на рис. 11.2. В этой схеме генератора имеется гальваническая развязка от питающей сети. Сетевое напряжение поступает на промежуточный (повышающий) трансформатор Т1. Снимаемое со вторичной обмотки сетевого трансформатора напряжение поступает на выпрямитель, работающий по схеме удвоения напряжения.

В результате работы такого выпрямителя на верхней по схеме обкладке конденсатора С2 относительно нулевого провода появляется положительное напряжение, равное квадратный корень из 2Uii, где Uii — напряжение на вторичной обмотке силового трансформатора.

На конденсаторе С1 формируется соответствующее напряжение противоположного знака. В результате напряжение на обкладках конденсатора СЗ будет равно 2 квадратных кореня из 2Uii.

Скорость заряда конденсаторов С1 и С2 (С1=С2) определяется величиной сопротивления R1.

Когда напряжение на обкладках конденсатора СЗ сравняется с напряжением пробоя газового разрядника FV1, произойдет пробой его газового промежутка, конденсатор СЗ и, соответственно, конденсаторы С1 и С2 разрядятся, во вторичной обмотке трансформатора Т2 возникнут периодические затухающие колебания. После разряда конденсаторов и отключения разрядника процесс заряда и последующего разряда конденсаторов на первичную обмотку трансформатора 12 повторится снова.

Высоковольтный генератор, используемый для получения фотографий в газовом разряде, а также для сбора ультрадис-персной и радиоактивной пыли (рис. 11.3) состоит из удвоителя напряжения, релаксационного генератора импульсов и повышающего резонансного трансформатора.

Удвоитель напряжения выполнен на диодах VD1, VD2 и конденсаторах С1, С2. Зарядную цепочку образуют конденсаторы С1 — СЗ и резистор R1. Параллельно конденсаторам С1 — СЗ включен газовый разрядник на 350 В с последовательно соединенной первичной обмоткой повышающего трансформатора Т1.

Как только уровень постоянного напряжения на конденсаторах С1 — СЗ превысит напряжение пробоя разрядника, конденсаторы разрядятся через обмотку повышающего трансформатора и в результате образуется высоковольтный импульс. Элементы схемы подобраны так, что частота формирования импульсов около 1 Гц. Конденсатор С4 предназначен для защиты выходного зажима прибора от попадания сетевого напряжения.

Рис. 11.3. Схема генератора импульсов высокого напряжения с использованием газового разрядника или динисторов.

Выходное напряжение устройства целиком определяется свойствами используемого трансформатора и может достигать 15 кВ. Высоковольтный трансформатор на выходное напряжение порядка 10 кВ выполнен на диэлектрической трубке с внешним диаметром 8 и длиной 150 мм, внутри расположен медный электрод диаметром 1,5 мм. Вторичная обмотка содержит 3...4 тысячи витков провода ПЭЛШО 0,12, намотанных виток к витку в 10... 13 слоев (ширина намотки 70 мм) и пропитанных клеем БФ-2 с межслойной изоляцией из политетрафторэтилена. Первичная обмотка содержит 20 витков провода ПЭВ 0,75, пропущенного через кембрик из поливинилхлорида.,

В качестве такого трансформатора можно также применить модифицированный выходной трансформатор строчной развертки телевизора; трансформаторы электронных зажигалок, ламп-вспышек, катушек зажигания и др.

Газовый разрядник Р-350 может быть заменен переключаемой цепочкой динисторов типа КН102 (рис. 11.3, справа), что позволит ступенчато изменять выходное напряжение. Для равномерного распределения напряжения на динисторах параллельно к каждому из них подключены резисторы одинакового номинала сопротивлением 300...510 кОм.

Вариант схемы высоковольтного генератора с использованием в качестве порогово-коммутирующего элемента газонаполненного прибора — тиратрона показан на рис. 11.4.

Рис. 11.4. Схема генератора импульсов высокого напряжения с использованием тиратрона.

Сетевое напряжение выпрямляется диодом VD1. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором С1 и подается на зарядную цепочку R1, С2. Как только напряжение на конденсаторе С2 достигнет напряжения зажигания тиратрона VL1, он вспыхивает. Конденсатор С2 разряжается через первичную обмотку трансформатора Т1, тиратрон гаснет, конденсатор вновь начинает заряжаться и т.д.

В качестве трансформатора Т1 использована автомобильная катушка зажигания.

Вместо тиратрона VL1 МТХ-90 можно включить один или несколько динисторов типа КН102. Амплитуду высокого напряжения можно регулировать количеством включенных динисторов.

Конструкция высоковольтного преобразователя с использованием тиратронного коммутатора описана в работе. Отметим, что для разряда конденсатора могут быть использованы и другие виды газонаполненных приборов.

Более перспективно применение в современных генераторах высокого напряжения полупроводниковых переключающих приборов. Их достоинства отчетливо выражены: это высокая повторяемость параметров, меньшая стоимость и габариты, высокая надежность.

Ниже будут рассмотрены генераторы высоковольтных импульсов с использованием полупроводниковых коммутирующих приборов (динисторов, тиристоров, биполярных и полевых транзисторов).

Вполне равноценным, но слаботочным аналогом газовых разрядников являются динисторы.

На рис. 11.5 показана электрическая схема генератора, выполненного на динисторах. По своей структуре генератор полностью подобен описанным ранее (рис. 11.1, 11.4). Основное отличие заключается в замене газового разрядника цепочкой последовательно включенных динисторов.

Рис. 11.5. Схема генератора высоковольтных импульсов на динисторах.

Рис. 11.6. Схема генератора высоковольтных импульсов с мостовым выпрямителем.

Следует отметить, что КПД такого аналога и коммутируемые токи заметно ниже, чем у прототипа, однако динисторы более доступны и более долговечны.

Несколько усложненный вариант генератора высоковольтных импульсов представлен на рис. 11.6. Сетевое напряжение подается на мостовой выпрямитель на диодах VD1 — VD4. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором С1. На этом конденсаторе образуется постоянное напряжение около 300 В, которое используется для питания релаксационного генератора, составленного из элементов R3, С2, VD5 и VD6. Его нагрузкой является первичная обмотка трансформатора Т1. Со вторичной обмотки снимаются импульсы амплитудой примерно 5 кВ и частотой следования до 800 Гц.

Цепочка динисторов должна быть рассчитана на напряжение включения около 200 В. Здесь можно использовать динисторы типа КН102 либо Д228. При этом следует учитывать, что напряжение включения динисторов типа КН102А, Д228А составляет 20 В; КН102Б, Д228Б — 28 В; КН102В, Д228В — 40 В; КН102Г, Д228Г — 56 В; КН102Д, Д228Д — 80 В; КН102Е — 75 В; КН102Ж, Д228Ж — 120 В; КН102И, Д228И — 150 В.

В качестве трансформатора Т1 в приведенных выше устройствах может быть использован доработанный строчный трансформатор от черно-белого телевизора. Его высоковольтную обмотку оставляют, остальные удаляют и вместо них наматывают низковольтную (первичную) обмотку — 15...30 витков провода ПЭВ диаметром 0,5...0,8 мм.

При выборе числа витков первичной обмотки следует учитывать количество витков вторичной обмотки. Необходимо также иметь в виду, что величина выходного напряжения генератора высоковольтных импульсов в большей степени зависит от настройки контуров трансформатора в резонанс, нежели от соотношения числа витков обмоток.

Характеристики некоторых видов телевизионных трансформаторов строчной развертки приведены в таблице 11.1.

Таблица 11.1. Параметры высоковольтных обмоток унифицированных телевизионных трансформаторов строчной развертки.

Тип трансформатора	Число витков		R обмотки, Ом
ТВС-А, ТВС-Б
ТВС-110, ТВС-110М

Тип трансформатора	Число витков		R обмотки, Ом
ТВС-90ЛЦ2, ТВС-90ЛЦ2-1
ТВС-110ПЦ15
ТВС-110ПЦ16, ТВС-110ПЦ18

Рис. 11.7. Электрическая схема генератора высоковольтных импульсов.

На рис. 11.7 представлена опубликованная на одном из сайтов схема двухступенчатого генератора высоковольтных импульсов, в котором в качестве элемента коммутации использован тиристор. В свою очередь, в качестве порогового элемента, определяющего частоту следования высоковольтных импульсов и запускающего тиристор, выбран газоразрядный прибор — неоновая лампа (цепочка HL1, HL2).

При подаче напряжения питания генератор импульсов, выполненный на основе транзистора VT1 (2N2219A — КТ630Г), вырабатывает напряжение порядка 150 В. Это напряжение выпрямляется диодом VD1 и заряжает конденсатор С2.

После того как напряжение на конденсаторе С2 превысит напряжение зажигания неоновых ламп HL1, HL2, через токоограничивающий резистор R2 произойдет разряд конденсатора на управляющий электрод тиристора VS1, тиристор отопрется. Разрядный ток конденсатора С2 создаст электрические колебания в первичной обмотке трансформатора Т2.

Напряжение включения тиристора можно регулировать, подбирая неоновые лампы с разным напряжением зажигания. Ступенчато изменять величину напряжения включения тиристора можно переключением числа последовательно включенных неоновых ламп (или заменяющих их динисторов).

Рис. 11.8. Диаграмма электрических процессов на электродах полупроводниковых приборов (к рис. 11.7).

Диаграмма напряжений на базе транзистора VT1 и на аноде тиристора показана на рис. 11.8. Как следует из представленных диаграмм, импульсы блокинг-генератора имеют длительность примерно 8 мс. Заряд конденсатора С2 происходит ступенчато-экспоненциально в соответствии с действием импульсов, снимаемых со вторичной обмотки трансформатора Т1.

На выходе генератора формируются импульсы напряжением примерно 4,5 кВ. В качестве трансформатора Т1 использован выходной трансформатор для усилителей низкой частоты. В качестве

высоковольтного трансформатора Т2 использован трансформатор от фотовспышки или переработанный (см. выше) телевизионный трансформатор строчной развертки.

Схема еще одного варианта генератора с использованием неоновой лампы в качестве порогового элемента приведена на рис. 11.9.

Рис. 11.9. Электрическая схема генератора с пороговым элементом на неоновой лампе.

Релаксационный генератор в нем выполнен на элементах R1, VD1, С1, HL1, VS1. Он работает при положительных лолупе-риодах сетевого напряжения, когда конденсатор С1 заряжается до напряжения включения порогового элемента на неоновой лампе HL1 и тиристоре VS1. Диод VD2 демпфирует импульсы самоиндукции первичной обмотки повышающего трансформатора Т1 и позволяет повысить выходное напряжение генератора. Выходное напряжение достигает 9 кВ. Неоновая лампа одновременно является сигнализатором включения устройства в сеть.

Высоковольтный трансформатор намотан на отрезке стержня диаметром 8 и длиной 60 мм из феррита М400НН. Вначале размещают первичную обмотку — 30 витков провода ПЭЛШО 0,38, а затем вторичную — 5500 витков ПЭЛШО 0,05 или большего диаметра. Между обмотками и через каждые 800... 1000 витков вторичной обмотки прокладывают слой изоляции из поливинилхлоридной изоляционной ленты.

В генераторе возможно введение дискретной многоступенчатой регулировки выходного напряжения переключением в последовательной цепи неоновых ламп либо динисторов (рис. 11.10). В первом варианте обеспечиваются две ступени регулирования, во втором — до десяти и более (при использовании динисторов КН102А с напряжением включения 20 В).

Рис. 11.10. Электрическая схема порогового элемента.

Рис. 11.11. Электрическая схема генератора высокого напряжения с пороговым элементом на диоде.

Простой генератор высокого напряжения (рис. 11.11) позволяет получить на выходе импульсы амплитудой до 10 кВ.

Переключение управляющего элемента устройства происходит с частотой 50 Гц (на одной полуволне сетевого напряжения). В качестве порогового элемента использован диод VD1 Д219А (Д220, Д223), работающий при обратном смещении в режиме лавинного пробоя.

При превышении на полупроводниковом переходе диода напряжения лавинного пробоя происходит переход диода в проводящее состояние. Напряжение с заряженного конденсатора С2 подается на управляющий электрод тиристора VS1. После включения тиристора конденсатор С2 разряжается на обмотку трансформатора Т1.

Трансформатор Т1 не имеет сердечника. Он выполнен на катушке диаметром 8 мм из полиметилметакрилата или политет-рахлорэтилена и содержит три разнесенных секции шириной по

9 мм. Повышающая обмотка содержит 3x1000 витков, намотанных проводом ПЭТФ, ПЭВ-2 0,12 мм. После намотки обмотка должна быть пропитана парафином. Поверх парафина накладывается 2 — 3 слоя изоляции, после чего наматывают первичную обмотку — 3x10 витков провода ПЭВ-2 0,45 мм.

Тиристор VS1 можно заменить другим на напряжение выше 150 В. Лавинный диод можно заменить цепочкой динисторов (рис. 11.10, 11.11 внизу).

Схема маломощного переносного источника импульсов высокого напряжения с автономным питанием от одного гальванического элемента (рис. 11.12) состоит из двух генераторов. Первый построен на двух маломощных транзисторах, второй — на тиристоре и динисторе.

Рис. 11.12. Схема генератора напряжения с низковольтным питанием и тиристорно-динисторным ключевым элементом.

Каскад на транзисторах разной проводимости преобразует низковольтное постоянное напряжение в высоковольтное импульсное. Времязадающей цепочкой в этом генераторе служат элементы С1 и R1. При включении питания открывается транзистор ѴТ1, и перепад напряжения на его коллекторе открывает транзистор ѴТ2. Конденсатор С1, заряжаясь через резистор R1, уменьшает базовый ток транзистора ѴТ2 настолько, что транзистор ѴТ1 выходит из насыщения, а это приводит к закрыванию и ѴТ2. Транзисторы будут закрыты до тех пор, пока конденсатор С1 не разрядится через первичную обмотку трансформатора Т1.

Повышенное импульсное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Т1, выпрямляется диодом VD1 и поступает на конденсатор С2 второго генератора с тиристором VS1 и динистором VD2. В каждый положительный полупериод

накопительный конденсатор С2 заряжается до амплитудного значения напряжения, равного напряжению переключения динистора VD2, т.е. до 56 В (номинальное импульсное отпирающее напряжение для динистора типа КН102Г).

Переход динистора в открытое состояние воздействует на цепь управления тиристора VS1, который в свою очередь тоже открывается. Конденсатор С2 разряжается через тиристор и первичную обмотку трансформатора Т2, после чего динистор и тиристор вновь закрываются и начинается очередной заряд конденсатора — цикл переключений повторяется.

Со вторичной обмотки трансформатора Т2 снимаются импульсы с амплитудой в несколько киловольт. Частота искровых разрядов равна примерно 20 Гц, но она намного меньше частоты импульсов, снимаемых со вторичной обмотки трансформатора Т1. Происходит это потому, что конденсатор С2 заряжается до напряжения переключения динистора не за один, а за несколько положительных полупериодов. Величина емкости этого конденсатора определяет мощность и длительность выходных разрядных импульсов. Безопасное для динистора и управляющего электрода тринистора среднее значение разрядного тока выбрано из расчета емкости этого конденсатора и величины импульсного напряжения, питающего каскад. Для этого емкость конденсатора С2 должна быть примерно 1 мкФ.

Трансформатор Т1 выполнен на кольцевом ферритовом магнитопроводе типа К10x6x5. Он имеет 540 витков провода ПЭВ-2 0,1 с заземленным отводом после 20-го витка. Начало его намотки присоединяется к транзистору VT2, конец — к диоду VD1. Трансформатор Т2 намотан на катушке с ферритовым или пермаллоевым сердечником диаметром 10 мм, длиной 30 мм. Катушку с внешним диаметром 30 мм и шириной 10 мм наматывают проводом ПЭВ-2 0,1 мм до полного заполнения каркаса. Перед окончанием намотки делается заземленный отвод, и последний ряд провода из 30...40 витков наматывается виток к витку поверх изолирующего слоя лакоткани.

Трансформатор Т2 по ходу намотки необходимо пропитывать изолирующим лаком или клеем БФ-2, затем тщательно просушить.

Вместо VT1 и VT2 можно применить любые маломощные транзисторы, способные работать в импульсном режиме. Тиристор КУ101Е можно заменить на КУ101Г. Источник питания — гальванические элементы с напряжением не более 1,5 В, например, 312, 314, 316, 326, 336, 343, 373, или дисковые никель-кад-миевые аккумуляторы типа Д-0,26Д, Д-0,55С и т.п.

Тиристорный генератор высоковольтных импульсов с сетевым питанием показан на рис. 11.13.

Рис. 11.13. Электрическая схема генератора высоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии и коммутатором на тиристоре.

Во время положительного полупериода сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через резистор R1, диод VD1 и первичную обмотку трансформатора Т1. Тиристор VS1 при этом закрыт, поскольку отсутствует ток через его управляющий электрод (падение напряжения на диоде VD2 в прямом направлении мало по сравнению с напряжением, необходимым для открывания тиристора).

При отрицательном полупериоде диоды VD1 и VD2 закрываются. На катоде тиристора образуется падение напряжения относительно управляющего электрода (минус — на катоде, плюс — на управляющем электроде), в цепи управляющего электрода появляется ток, и тиристор открывается. В этот момент конденсатор С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора. Во вторичной обмотке появляется импульс высокого напряжения. И так — каждый период сетевого напряжения.

На выходе устройства формируются двухполярные импульсы высокого напряжения (поскольку при разряде конденсатора в цепи первичной обмотки возникают затухающие колебания).

Резистор R1 может быть составлен из трех параллельно соединенных резисторов МЛТ-2 сопротивлением по 3 кОм.

Диоды VD1 и VD2 должны быть рассчитаны на ток не менее 300 мА и обратное напряжение не ниже 400 В (VD1) и 100 Б (VD2). Конденсатор С1 типа МБМ на напряжение не ниже 400 В. Его емкость — доли-единицы мкФ — подбирают экспериментально. Тиристор VS1 типа КУ201К, КУ201Л, КУ202К — КУ202Н. Трансформатори — катушка зажигания Б2Б (на 6 В) от мотоцикла или автомобиля.

В устройстве может быть использован телевизионный трансформатор строчной развертки ТВС-110Л6, ТВС-1 ЮЛА, ТВС-110АМ.

Достаточно типичная схема генератора высоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии показана на рис. 11.14.

Рис. 11.14. Схема тиристорного генератора высоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии.

Генератор содержит гасящий конденсатор С1, диодный выпрямительный мост VD1 — VD4, тиристорный ключ VS1 и схему управления. При включении устройства заряжаются конденсаторы С2 и СЗ, тиристор VS1 пока закрыт и ток не проводит. Предельное напряжение на конденсаторе С2 ограничено стабилитроном VD5 величиной 9В. В процессе зарядки конденсатора С2 через резистор R2 напряжение на потенциометре R3 и, соответственно, на управляющем переходе тиристора VS1 возрастает до определенного значения, после чего тиристор переключается в проводящее состояние, а конденсатор СЗ через тиристор VS1 разряжается через первичную (низковольтную) обмотку трансформатора Т1, генерируя высоковольтный импульс. После этого тиристор закрывается и процесс начинается заново. Потенциометр R3 устанавливает порог срабатывания тиристора VS1.

Частота повторения импульсов составляет 100 Гц. В качестве высоковольтного трансформатора может быть использована автомобильная катушка зажигания. В этом случае выходное напряжение устройства достигнет 30...35 кВ. Тиристорный генератор высоковольтных импульсов (рис. 11.15) управляется импульсами напряжения, снимаемого с релаксационного генератора, выполненного на динисторе VD1. Рабочая частота генератора управляющих импульсов (15...25 Гц) определяется величиной сопротивления R2 и емкостью конденсатора С1.

Рис. 11.15. Электрическая схема тиристорного генератора высоковольтных импульсов с импульсным управлением.

Релаксационный генератор связан с тиристорным ключом через импульсный трансформатор Т1 типа МИТ-4. В качестве выходного трансформатора Т2 используется высокочастотный трансформатор от аппарата для дарсонвализации «Искра-2». Напряжение на выходе устройства может доходить до 20...25 кВ.

На рис. 11.16 показан вариант подачи импульсов управления на тиристор VS1.

Преобразователь напряжения (рис. 11.17), разработанный в Болгарии, содержит два каскада. В первом из них нагрузкой ключевого элемента, выполненного на транзисторе ѴТ1, является обмотка трансформатора Т1. Управляющие импульсы прямоугольной формы периодически включают/выключают ключ на транзисторе ѴТ1, подключая/отключая тем самым первичную обмотку трансформатора.

Рис. 11.16. Вариант управления тиристорным коммутатором.

Рис. 11.17. Электрическая схема двухступенчатого генератора высоковольтных импульсов.

Во вторичной обмотке наводится повышенное напряжение, пропорциональное коэффициенту трансформации. Это напряжение выпрямляется диодом VD1 и заряжает конденсатор С2, который подключен к первичной (низковольтной) обмотке высоковольтного трансформатора Т2 и тиристору VS1. Управление работой тиристора осуществляется импульсами напряжения, снимаемыми с дополнительной обмотки трансформатора Т1 через цепочку элементов, корректирующих форму импульса.

В результате тиристор периодически включается/отключается. Конденсатор С2 разряжается на первичную обмотку высоковольтного трансформатора.

Генератор высоковольтных импульсов, рис. 11.18, содержит в качестве управляющего элемента генератор на основе однопереходного транзистора.

Рис. 11.18. Схема генератора высоковольтных импульсов с управляющим элементом на однопереходном транзисторе.

Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом VD1 — VD4. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживает конденсатор С1, ток заряда конденсатора в момент включения устройства в сеть ограничивает резистор R1. Через резистор R4 заряжается конденсатор СЗ. Одновременно вступает в действие генератор импульсов на однопереходном транзисторе ѴТ1. Его «спусковой» конденсатор С2 заряжается через резисторы R3 и R6 от параметрического стабилизатора (балластный резистор R2 и стабилитроны VD5, VD6). Как только напряжение на конденсаторе С2 достигает определенного значения, транзистор ѴТ1 переключается, и на управляющий переход тиристора VS1 поступает открывающий импульс.

Конденсатор СЗ разряжается через тиристор VS1 на первичную обмотку трансформатора Т1. На его вторичной обмотке формируется импульс высокого напряжения. Частота следования этих импульсов определяется частотой генератора, которая, в свою очередь, зависит от параметров цепочки R3, R6 и С2. Под-строечным резистором R6 можно изменять выходное напряжение генератора примерно в 1,5 раза. При этом частота импульсов регулируется в пределах 250... 1000 Гц. Кроме того, выходное напряжение изменяется при подборе резистора R4 (в пределах от 5 до 30 кОм).

Конденсаторы желательно применять бумажные (С1 и СЗ — на номинальное напряжение не менее 400 В); на такое же напряжение должен быть рассчитан диодный мост. Вместо указанного на схеме можно использовать тиристор Т10-50 или в крайнем случае КУ202Н. Стабилитроны VD5, VD6 должны обеспечить суммарное напряжение стабилизации около 18 В.

Трансформатор изготовлен на основе ТВС-110П2 от чер-но-белых телевизоров. Все первичные обмотки удаляют и наматывают на освободившееся место 70 витков провода ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,5...0,8 мм.

Электрическая схема генератора импульсов высокого напряжения, рис. 11.19, состоит из диодно-конденсаторного умножителя напряжения (диоды VD1, VD2, конденсаторы С1 — С4). На его выходе получается постоянное напряжение примерно 600 В.

Рис. 11.19. Схема генератора высоковольтных импульсов с удвоителем напряжения сети и генератором запускающих импульсов на однопереходном транзисторе.

В качестве порогового элемента устройства использован однопереходный транзистор VT1 типа КТ117А. Напряжение на одной из его баз стабилизировано параметрическим стабилизатором на стабилитроне VD3 типа КС515А (напряжение стабилизации 15 Б). Через резистор R4 осуществляется заряд конденсатора С5, и когда напряжение на управляющем электроде транзистора VT1 превысит напряжение на его базе, произойдет переключение VT1 в проводящее состояние, а конденсатор С5 разрядится на управляющий электрод тиристора VS1.

При включении тиристора цепочка конденсаторов С1 — С4, заряженных до напряжения около 600...620 В, разряжается на низковольтную обмотку повышающего трансформатора Т1. После этого тиристор отключается, зарядно-разрядные процессы повторяются с частотой, определяемой постоянной R4C5. Резистор R2 ограничивает ток короткого замыкания при включении тиристора и одновременно является элементом зарядной цепи конденсаторов С1 — С4.

Схема преобразователя (рис. 11.20) и его упрощенного варианта (рис. 11.21) подразделяется на следующие узлы: сетевой заградительный фильтр (фильтр помех); электронный регулятор; высоковольтный трансформатор.

Рис. 11.20. Электрическая схема генератора высокого напряжения с сетевым фильтром.

Рис. 11.21. Электрическая схема генератора высокого напряжения с сетевым фильтром.

Схема на рис. 11.20 работает следующим образом. Конденсатор СЗ заряжается через диодный выпрямитель VD1 и резистор R2 до амплитудного значения напряжения сети (310 В). Это напряжение попадает через первичную обмотку трансформатора Т1 на анод тиристора VS1. По другой ветви (R1, VD2 и С2) медленно заряжается конденсатор С2. Когда в процессе его заряда достигается пробивное напряжение динистора VD4 (в пределах 25...35 В), конденсатор С2 разряжается через управляющий электрод тиристора VS1 и открывает его.

Конденсатор СЗ практически мгновенно разряжается через открытый тиристор VS1 и первичную обмотку трансформатора Т1. Импульсный изменяющийся ток индуцирует во вторичной обмотке Т1 высокое напряжение, величина которого может превысить 10 кВ. После разряда конденсатора СЗ тиристор VS1 закрывается, и процесс повторяется.

В качестве высоковольтного трансформатора используют телевизионный трансформатор, у которого удаляют первичную обмотку. Для новой первичной обмотки используется обмоточный провод диаметром 0,8 мм. Количество витков — 25.

Для изготовления катушек индуктивности заградительного фильтра L1, L2 лучше всего подходят высокочастотные феррито-вые сердечники, например, 600НН диаметром 8 мм и длиной 20 мм, имеющие примерно по 20 витков обмоточного провода диаметром 0,6...0,8 мм.

Рис. 11.22. Электрическая схема двухступенчатого генератора высокого напряжения с управляющим элементом на полевом транзисторе.

Двухступенчатый генератор высокого напряжения (автор — Andres Estaban de la Plaza) содержит трансформаторный генератор импульсов, выпрямитель, времязадающую RC-цепоч-ку, ключевой элемент на тиристоре (симисторе), высоковольтный резонансный трансформатор и схему управления работой тиристора (рис. 11.22).

Аналог транзистора TIP41 — КТ819А.

Низковольтный трансформаторный преобразователь напряжения с перекрестными обратными связями, собранный на транзисторах VT1 и VT2, вырабатывает импульсы с частотой повторения 850 Гц. Транзисторы VT1 и VT2 для облегчения работы при протекании больших токов установлены на радиаторах, выполненных из меди или алюминия.

Выходное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Т1 низковольтного преобразователя, выпрямляется диодным мостом VD1 — VD4 и через резистор R5 заряжает конденсаторы СЗ и С4.

Управление порогом включения тиристора производится регулятором напряжения, в состав которого входит полевой транзистор ѴТЗ.

Далее работа преобразователя существенно не отличается от описанных ранее процессов: происходит периодический заряд/разряд конденсаторов на низковольтную обмотку трансформатора, генерируются затухающие электрические колебания. Выходное напряжение преобразователя при использовании на выходе в качестве повышающего трансформатора катушки зажигания от автомобиля, достигает 40...60 кВ при резонансной частоте примерно 5 кГц.

Трансформатор Т1 (выходной трансформатор строчной развертки), содержит 2x50 витков провода диаметром 1,0 мм, намотанных бифилярно. Вторичная обмотка содержит 1000 витков диаметром 0,20...0,32 мм.

Отметим, что в качестве управляемых ключевых элементов могут быть использованы современные биполярные и полевые транзисторы.

Конденсатор – это элемент электрической цепи, который способен накапливать электрический заряд. Важной особенностью конденсатора является его свойство не только накапливать, но и отдавать заряд, причем практически мгновенно.

Согласно второму закону коммутации напряжение на конденсаторе не может измениться скачком. Эта особенность активно используется в различных фильтрах, стабилизаторах, интегрирующих цепях, колебательных контурах и тд.

В том, что напряжение не может измениться мгновенно, можно убедиться из формулы

Если бы напряжение в момент коммутации изменилось скачком, это означало бы, что скорость изменения du/dt = ∞, чего в природе быть не может, так как потребовался бы источник бесконечной мощности.

Процесс заряда конденсатора

На схеме представлена RC – цепь (интегрирующая), запитанная от постоянного источника питания. При замыкании ключа в положение 1 происходит заряд конденсатора. Ток проходит по цепи: “плюс” источника – резистор – конденсатор - “минус” источника.

Напряжение на обкладках конденсатора изменяется по экспоненциальному закону. Ток, протекающий через конденсатор, также изменяется по экспоненте. Причем эти изменения взаимообратны, чем больше напряжение, тем меньше ток, протекающий через конденсатор. Когда напряжение на конденсаторе сравняется с напряжением источника, процесс заряда прекратится, и ток в цепи перестанет течь.

Теперь, если мы переключим ключ в положение 2, то ток потечет в обратную сторону, а именно по цепи: конденсатор – резистор – “минус” источника. Таким образом, конденсатор разрядится. Процесс будет носить также экспоненциальный характер.

Важной характеристикой данной цепи является произведение RC , которую еще называют постоянной времени τ . За время τ конденсатор заряжается или разряжается на 63%. За 5 τ конденсатор отдает или принимает заряд полностью.

От теории перейдем к практике. Возьмем конденсатор на 0,47 мкФ и резистор номиналом 10 КОм.

Рассчитаем примерное время, за которое должен зарядиться конденсатор.

Теперь соберем данную схему в multisim и попробуем промоделировать

Собранная схема, запитана от батареи 12 В. Меняя положение переключателя S1, мы сначала заряжаем, а затем разряжаем конденсатор через сопротивление R = 10 КОм. Для того чтобы увидеть наглядно работу схемы посмотрите видео ниже.

Ток зарядки при 100Дж и ~1 сек. при запуске холодных конденсаторов (первое включение) до 10 ампер в пике, в процессе работы до 6А, а в момент включения вообще ужас - 100А. При удачном попадании в пик напряжения 310в / 3 Ом = 103А.

Итак, даже исходя из 6А получим импульсную нагрузку в сети эквивалентную 1-1,5kW - 6A * 220V = 1320W !!

И это 100 Дж, а если вспышек несколько я бы на месте автомата на такой импульс обиделся и после первой хорощей вспышки тока больше бы не дал.
Если брать схему с БЗ без удвоителя, то там начальный бросок тока еще больше и явная асимметрия - используется только один полупериод.

С другой стороны - 100Дж при зарядке 1 сек. эквивалентно 100 Ватт, ну 130 со всевозможными потерями - совсем не страшная мощность. А что, если заряжать конденсатор через подобие корректора коэфициента мощности - бустерный преобразователь напряжения без конденсатора на входе?

Форма тока при этом будет примерно такая:

Получается профиль сетевого напряжения, заполненный высокочастотными импульсами тока. Если схема управления будет работать в режиме ограничения тока на выходе, а прерывание зарядки по достижению заданного напряжения, то мы получим и быструю зарядку - например при 350W - 300Дж/сек. и плавную регулировку мощности.
И автомат доволен, и зарядные цепи сравнительно слаботочные, и больших горячих резисторов нет, и постоянкой питать можно, и энергонадзор доволен - коэффициент мощности как у самовара...

Вот только одно НО! Я делал вспышку ПОЧТИ по приведенной схеме Вальдемара Шиманского. Вот использованная мной схема.

если не вдаваться в подробности то только гасящий резистор ставил 5,1 Ом и конденсаторы в удвоителе стоят на 22mF, так вот там предохранитель на 1А живёт долго и счастливо, если схема работает правильно. А если нет, так этот самый предохранитель там и стоит для аварийного отключения. Так что, или что то в рассчётах намудрили, или теория с практикой не совпадает.

Взять микросхему и дизайн из даташита не получится - нужно адаптировать и начинаются странные вопросы - например как поведет себя схема при действительно большом конденсаторе? - будет греться, пока не зарядит его до 310В, а только потом начнет работать...

В расчетах все впорядке - вопервых я исходил из 100мкФ зарядного конденсатора и резистора 3 Ом, во вторых плавкий предохранитель достаточно инерционный прибор и с легкостью выдерживает короткий импульс в несколько раз больше номинала, да и автомат о котором я упомянул тоже срабатывает на импульсную перегрузку в 5 - 15 раз больше номинала (в зависимости от класса).
В реальных условиях при таком импульсе в сети разве-что свет слегка моргнет. Я, например, четко вижу как включается у-х киловатный электрочайник на кухне. Тут скорее хочется получить элегантное решение без перегрузок и нагрева.

Все то же самое, что и с конденсатором, ПОРЦИЯМИ. Только ПОРЦИЯ накапливается на заряд, А МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В КАТУШКЕ.

Нет ограничения тока в случае аварии...
Единственный недостаток решения в отличие от емкости - индуктивность сама по себе не может ограничить ток после набора электромагнитной энергии и ток может течь впустую.
А конденсатор - не возьмет больше чем в него влезет. И в конце - ток оборвется. А катушку нужно еще и выключать... Опасно это и ненадежно...

Если без умножителя, то согласен - даже при пробое ключа конденсатор выживет, но при разумных токах будет слишком долго заряжаться, а вот с умножителем - если не выключить вовремя бахнет. Импульсные блоки питания довольно хорошо проработаны, но при зарядке конденсатора блок будет работать на КЗ - нужно как-то это учитывать.

Итого - что я пока нарыл - больше всего подходит обратноходовая схема

У нее выходное напряжение не зависит от входного и от соотношения витков тоже мало зависит и можно легко зарядить конденсатор до любого напряжения. Получается, что ненужно ставить после выпрямителя конденсатор и заряжаться основной конденсатор будет не только пиками синусоиды, а почти весь период.
Получаем полную гальваническую развязку от сети, хороший коэффициент мощности (если без входного конденсатора). Силовой транзистор нужен на довольно небольшой ток - на 100Дж/сек около 3А (IRF830-IRF840). Теоретически можно заставить работать от 12В без переделки.

Из минусов - схема явно сложнее в расчете (а наглазок ее не сделаешь) и наладке чем тирристорные. Нужен довольно высоковольтный транзистор - если верить книжкам - в два раза больше амплитуды сетевого напряжения + запас - около 800-900В, или более сложная схема с 2-мя транзисторами на 400В, но все равно это дешевле мощного IGBT и сравнимо с тирристором.
НУЖНО мотать трансформатор
Если не задаваться целью изолировать от сети, то красиво выглядит buck конвертор,
но он понижающий и для меня пока непонятен вопрос - что удобней 300В и больше емкость, или например 400В-500В с последовательным соединением конденсаторов?

Блок заряжает 1300 мкФ до 310В за 2,5-4 сек, в зависимости от состояния аккумуляторов! Предусмотрена защита конденсаторов вспышки от перенапряжения, пороговая импульсная защита силового транзистора по току и что-то там ещё...

Вот такой дежурный комплект получился. Да, возможность зарядки от сети 220В сохранена. Но, при запитке от блока, энергия вспышек почти в полтора раза больше...

Про сетевой обратноход мысль хорошая, если бы не:

1) IRF840, мало по напряжению бздыньк будет. Надо 1200в

2) Диод, если напряжение на конденсаторах делать 600--1200В диода может не хватить.

3) ультрафасты на такие напряжения будут иметь падение 2-3вольта. КПД 80-85 выше не получится.

4) Чтоб не мучить себя можите примерно оценить по всем идеалогиямhttp://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps_e/smps_e.html#Aww

5) Про заряд конденсатора от сети до 300в, это вилами на воде, у меня допустим верхушка синусоиды срезана вольт на 25-30. А китайский тестер покажет в сети 220в, а банку до 300 вольт хрен зарядишь.

6) Энергия считается как напряжение в квадрате на ёмкость, всегда выгоднее поднимать напряжение.

7) Надёжный импульсный блок сложнее дороже чем тиристорный зарядник. Смысл его использовать есть только в нескольких случаях:

Зарядка от батарей
--- высокая скорость зарядки при малых габаритах (имеется в виду скорость 600-1000 дж\сек)
--- Гальваническая развязка от сети (обычно решается грамотными конструктивами)

Будете приятно удивлены! Дроссель при том же габарите раз в полтора мощней и нет удвоения напряжения на диоде! А без гальванической развязки переживёте как-нибудь! Жили же мы без неё... Работаете в диапазоне 240-410В (после сетевого выпрямителя и сглаживания. Для выходного напряжения 410В вам даже вольтодобавочной обмотки не потребуется.

в Косом мосте забыли один диодик и выходной дроссель, без дросселя ключикам уж очень тяжко будет.

По простоте конечно обратноход конечно лучше, минимум деталей, не боится кз и т.д.

О чем речь. Это и есть обратноходовая 2-х ключевая схема.

Но тогда основное преимущество обратнохода (простота) теряется, надо драйвер верхнего плеча ставить, или трансформаторный драйвер.

итак: для заряда конденсатора вспышки подходит только обратноходовая схема, т.к. она является источником тока (все прямоходы - источники напряжения - а источник напряжения у нас уже есть - сеть 220 вольт).

рассмотрим немного теории. схему не привожу, ее все отлично знают.

Максимальное напряжение на транзисторе определяется суммой выпрямленного питающего напряжения сети и обратного напряжения на первичной обмотке. С питающим все понятно, это 310 вольт (плюс, минус). Обратное же напряжение на первичной обмотке зависит _только_ от скважности импульса или duty cycle! Объясняю - в установившемся режиме работы энергия, запасаемая на прямом ходу должна быть вся передана в нагрузку на обратном (если она вся не передается, то она начинает накапливаться в сердечнике, мы доходим до ограничения по току первичной обмотки (и, возможно, насыщения) и ШИМ-контроллер уменьшает длительность импульсов). Вспоминаем формулу:

U = L(dI/dt)

т.е. если T обратного хода будет в два раза больше, чем прямого, то U обратного хода будет в два раза меньше. О тсюда при D = 33% мы получаем обратное напряжение в 155 вольт. все. Это наша расчетная величина, на нее мы опираемся. Т аким образом, не считая выброса за счет индуктивности рассеяния, на ключе будет всего 310 + 155 = 465 вольт! При _любом_ выходном напряжении (выходное напряжение рассчитывается как N2*155/N1, где N1 и N2 - количество витков в первичной и вторичной обмотках, соответственно). N1 выбирается исходя из T прямого хода и энергии, которую необходимо передать за один импульс. N2 выбирается для достижения заданного максимального выходного напряжения. О сталась проблема выброса за счет индуктивности рассеяния. Его амплитуда не ограничена ничем, а мощность зависит от тока через первичную обмотку и, собственно, индуктивности рассеяния. Можно пойти по стандартному пути и поставить снаббер, тогда вся эта энергия выделится на его резисторе (или стабилитроне). можно не ставить снаббер, тогда энергия будет выделяться на ключе (мосфеты достаточно устойчивы к лавинным процессам и позволяют рассеивать достаточно большую мощность выбросов без выхода из строя или ухудшения параметров, чего нельзя сказать о биполярниках).
Но, в нашем случае нет никакой необходимости делать развязку вспышки с сетью, поэтому мы можем сделать импульсный трансформатор в виде автотрансформатора (или дросселя с отводом) и... тогда у нас не будет индуктивности рассеяния вообще! В этом случае, напряжение на ключе будет всегда 465 вольт! Ч то касается обратного напряжения на выходном диоде, то да, оно будет большим и вполне может превысить киловольт (т.е. напряжение, на которое рассчитано большинство современных диодов). но мы тут можем соединить два диода последовательно и получить выпрямитель на 2 киловольта.

Итак, мы рассчитали схему на максимальное выходное напряжение. что же с ней будет, если мы захотим остановить заряд конденсатора на напряжении в два (например) раза меньше? а ничего плохого. амплитуда напряжения на ключе не достигнет даже 465 вольт - она будет 310 + 155/2 вольт.

основной проблемой в данной схеме будет являться изготовление трансформатора - он должен будет запасть достаточно большое количество энергии на каждом импульсе, чтобы заряжать выходной конденсатор с нужной скоростью. его можно изготовить на достаточно крупном Ш-образном сердечнике с зазором или же дроссельном кольце с низкой проницаемостью. параметры можно рассчитать и/или подобрать опытным путем, намотав обмотку, пропуская через нее ток и смотря момент насыщения. М аксимальный ток через ключ будет более чем скромным - 4-6 ампер в зависимости от режима схемы (разрывные или неразрывные токи) и мощности (я считал примерно на 300-320 ватт).

Представляю набросок схемы. Схема основана на UC3842 (или 3844) – недорогом ШИМ-контроллере (в принципе, можно адаптировать схему и для любого другого).

Кратко расскажу, как все работает.

При подключении питания (входной фильтр, выпрямитель и конденсатор я оставляю на ваш выбор) через резистор R7 конденсатор С3 заряжается до напряжения 16.5 вольта, которое является пороговым для запуска ШИМ-контроллера. После этого питание берется с обмотки III трансформатора через выпрямитель и фильтр R9, VD4, C8. Диод VD1 необходим для того, чтобы через резистор R7 заряжался только конденсатор С3, но не С8. Следует обратить внимание, что обмотка III включена таким образом, что напряжение на ней берется на прямом ходу, а не на обратном и, таким образом, не зависит от выходного напряжения блока, а зависит только от питающего напряжения. По такому же принципу включена обмотка IV, которая обеспечивает питание цепи обратной связи. Поскольку, токи в этих цепях небольшие (ограничены резисторами R8 и R9), такое их включение практически не влияет на работу схемы.

Частоту и максимальный рабочий цикл генератора ШИМ задают конденсатор С1 и резистор R1. На схеме привожу ориентировочные данные, возможно, эти элементы придется подобрать (я планировал частоту 100КГц). Общий принцип работы генератора ШИМ такой – в начале конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от опорного напряжения микросхемы (5 вольт), затем разряжается через внутренний источник тока. При этом, в процессе разряда конденсатора выходное напряжение микросхемы всегда низкое (т.е. мертвое время).

На резисторе R2 выделяется напряжение, пропорциональное току через ключ. При достижении 4А (напряжение 1В на входе CS) ШИМ закрывает транзистор. Фильтр R3C6 предназначен для подавления помех, связанных с переключением транзистора. Резистор R1 и диод VD2 предназначены для относительно медленного открывания ключа и максимально быстрого его закрывания.

Итак, теперь рассмотрим получение выходного напряжения. Пока ключ открыт, через обмотку I трансформатора протекает ток. При этом, на диодах VD5-VD6 напряжение обратное и они закрыты. Когда ключ закрывается, напряжение на обмотках I и II резко меняет знак, диоды открываются и начинают заряжать конденсатор линейно спадающим током. За счет того, что в этом случае напряжение берется и с первичной обмотки тоже, мы не имеем индуктивности рассеяния вообще, и нам нет необходимости ставить снаббер. Недостаток этой схемы только в том, что выходное напряжение имеет другой «общий» провод и гальванически связано с сетью. Но для питания вспышек это значения не имеет.

На TL431A и оптроне 817C сделан стабилизатор выходного напряжения, которое регулируется резистором R16 примерно от 150 до 350 вольт. Резистор R13 нужен для того, чтобы конденсатор постоянно немного разряжался и ШИМ-контроллер при достижении заданного напряжения не выключался (т.к. он питает себя и цепь обратной связи). Хотя, я до конца не уверен, что такое питание будет надежно работать – надо собрать и проверить. Альтернативно можно питать контроллер и обратную связь от отдельного источника питания на трансформаторе, но это увеличит габариты конструкции.

Как я и говорил ранее, приблизительные данные трансформатора – обмотки I и II по 500 мкГн, обмотки III и IV – такие, чтобы на прямом ходу на них формировались нужные напряжения (около 16 в и 12 в соответственно). Трансформатор должен выдерживать ток 4А в первичной обмотке без насыщения. В принципе, ток может быть и другим – от этого изменится только мощность блока и скорость заряда конденсатора (только R2 надо подобрать под максимальный допустимый ток обмотки).

Если соединить резистор и конденсатор, то получится пожалуй одна из самых полезных и универсальных цепей.

О многочисленных способах применения которой я сегодня и решил рассказать. Но вначале про каждый элемент в отдельности:

Резистор — его задача ограничивать ток. Это статичный элемент, чье сопротивление не меняется, про тепловые погрешности сейчас не говорим — они не слишком велики. Ток через резистор определяется законом ома — I=U/R , где U напряжение на выводах резистора, R — его сопротивление.

Конденсатор штука поинтересней. У него есть интересное свойство — когда он разряжен то ведет себя почти как короткое замыкание — ток через него течет без ограничений, устремляясь в бесконечность. А напряжение на нем стремится к нулю. Когда же он заряжен, то становится как обрыв и ток через него течь перестает, а напряжение на нем становится равным заряжающему источнику. Получается интересная зависимость — есть ток, нет напряжения, есть напряжение — нет тока.

Чтобы визуализировать себе этот процесс, представь ган… эмм.. воздушный шарик который наполняется водой. Поток воды — это ток. Давление воды на упругие стенки — эквивалент напряжения. Теперь смотри, когда шарик пуст — вода втекает свободно, большой ток, а давления еще почти нет — напряжение мало. Потом, когда шарик наполнится и начнет сопротивляться давлению, за счет упругости стенок, то скорость потока замедлится, а потом и вовсе остановится — силы сравнялись, конденсатор зарядился. Есть напряжение натянутых стенок, но нет тока!

Теперь, если снять или уменьшить внешнее давление, убрать источник питания, то вода под действием упругости хлынет обратно. Также и ток из конденсатора потечет обратно если цепь будет замкнута, а напряжение источника ниже чем напряжение в конденсаторе.

Емкость конденсатора. Что это?
Теоретически, в любой идеальный конденсатор можно закачать заряд бесконечного размера. Просто наш шарик сильней растянется и стенки создадут большее давление, бесконечно большое давление.
А что же тогда насчет Фарад, что пишут на боку конденсатора в качестве показателя емкости? А это всего лишь зависимость напряжения от заряда (q = CU). У конденсатора малой емкости рост напряжения от заряда будет выше.

Представь два стакана с бесконечно высокими стенками. Один узкий, как пробирка, другой широкий, как тазик. Уровень воды в них — это напряжение. Площадь дна — емкость. И в тот и в другой можно набузолить один и тот же литр воды — равный заряд. Но в пробирке уровень подскочит на несколько метров, А в тазике будет плескаться у самого дна. Также и в конденсаторах с малой и большой емкостью.
Залить то можно сколько угодно, но напряжение будет разным.

Плюс в реале у конденсаторов есть пробивное напряжение, после которого он перестает быть конденсатором, а превращается в годный проводник:)

А как быстро заряжается конденсатор?
В идеальных условиях, когда у нас бесконечно мощный источник напряжения с нулевым внутренним сопротивлением, идеальные сверхпроводящие провода и абсолютно безупречный конденсатор — этот процесс будет происходить мгновенно, с временем равным 0, равно как и разряд.

Но в реальности всегда существуют сопротивления, явные — вроде банального резистора или неявные, такие как сопротивление проводов или внутреннее сопротивление источника напряжения.
В этом случае скорость заряда конденсатора будет зависить от сопротивлений в цепи и емкости кондера, а сам заряд будет идти по экспоненциальному закону .

А у этого закона есть пара характерных величин:

• Т — постоянная времени , это время при котором величина достигнет 63% от своего максимума. 63% тут взялись не случайно, тут прямая завязка на такую формулу VALUE T =max—1/e*max.
• 3T — а при троекратной постоянной значение достигнет 95% своего максимума.

Постоянная времени для RC цепи Т=R*C .

Чем меньше сопротивление и меньше емкость, тем быстрей конденсатор заряжается. Если сопротивление равно нулю, то и время заряда равно нулю.

Рассчитаем за сколько зарядится на 95% конденсатор емкостью 1uF через резистор в 1кОм:
T= C*R = 10 -6 * 10 3 = 0.001c
3T = 0.003c через такое время напряжение на конденсаторе достигнет 95% от напряжения источника.

Разряд пойдет по тому же закону, только вверх ногами. Т.е. через Твремени в на конденсаторе остаенется всего лишь 100% — 63% = 37% от первоначального напряжения, а через 3T и того меньше — жалкие 5%.

Ну с подачей и снятием напряжения все ясно. А если напряжение подали, а потом еще ступенчато подняли, а разряжали также ступеньками? Ситуация тут практически не изменится — поднялось напряжение, конденсатор дозарядился до него по тому же закону, с той же постоянной времени — через время 3Т его напряжение будет на 95% от нового максимума.
Чуть понизилось — подразрядился и через время 3Т напряжение на нем будет на 5% выше нового минимума.
Да что я тебе говорю, лучше показать. Сварганил тут в мультисиме хитровыдрюченный генератор ступечнатого сигнала и подал на интегрирующую RC цепочку:

Видишь как колбасится:) Обрати внимание, что и заряд и разряд, вне зависимости от высоты ступеньки, всегда одной длительности!!!

А до какой величины конденсатор можно зарядить?
В теории до бесконечности, этакий шарик с бесконечно тянущимися стенками. В реале же шарик рано или поздно лопнет, а конденсатор пробьет и закоротит. Вот поэтому у всех конденсаторов есть важный параметр — предельное напряжение . На электролитах его часто пишут сбоку, а на керамических его надо смотреть в справочниках. Но там оно обычно от 50 вольт. В общем, выбирая кондер надо следить, чтобы его предельное напряжение было не ниже того которое в цепи. Добавлю что при расчете конденсатора на переменное напряжение следует выбирать предельное напряжение в 1.4 раза выше. Т.к. на переменном напряжении указывают действующее значение, а мгновенное значение в своем максимуме превышает его в 1.4 раза.

Что следует из вышеперечисленного? А то что если на конденсатор подать постоянное напряжение, то он просто зарядится и все. На этом веселье закончится.

А если подать переменное? То очевидно, что он будет то заряжаться, то разряжаться, а в цепи будет туда и обратно гулять ток. Движуха! Ток есть!

Выходит, несмотря на физический обрыв цепи между обкладками, через конденсатор легко протекает переменный ток, а вот постоянному слабо.

Что нам это дает? А то что конденсатор может служить своего рода сепаратором, для разделения переменного тока и постоянного на соответствующие составляющие.

Любой изменяющийся во времени сигнал можно представить как сумму двух составляющих — переменной и постоянной.

Например, у классической синусоиды есть только переменная часть, а постоянная равна нулю. У постоянного же тока наоборот. А если у нас сдвинутая синусоида? Или постоянная с помехами?

Переменная и постоянная составляющие сигнала легко разделяются!
Чуть выше я тебе показал как конденсатор дозаряжается и подразряжается при изменениях напряжения. Так что переменная составляющая сквозь кондер пройдет на ура, т.к. только она заставляет конденсатор активно менять свой заряд. Постоянная же как была так и останется и застрянет на конденсаторе.

Но чтобы конденсатор эффективно разделял переменную составляющую от постоянной частота переменной составляющей должна быть не ниже чем 1/T

Возможны два вида включения RC цепочки:
Интегрирующая и дифференцирующая . Они же фильтр низких частот и фильтр высоких частот.

Фильтр низких частот без изменений пропускает постоянную составляющую (т.к. ее частота равна нулю, ниже некуда) и подавляет все что выше чем 1/T. Постоянная составляющая проходит напрямую, а переменная составляющая через конденсатор гасится на землю.
Такой фильтр еще называют интегрирующей цепочкой потому, что сигнал на выходе как бы интегрируется. Помнишь что такое интеграл? Площадь под кривой! Вот тут она и получается на выходе.

А дифференцирующей цепью ее называют потому, что на выходе у нас получается дифференциал входной функции, который есть не что иное как скорость изменения этой функции.

• На участке 1 происходит заряд конденсатора, а значит через него идет ток и на резисторе будет падение напряжения.
• На участке 2 происходит резкое увеличение скорости заряда, а значит и ток резко возрастет, а за ним и падение напряжения на резисторе.
• На участке 3 конденсатор просто удерживает уже имеющийся потенциал. Ток через него не идет, а значит на резисторе напряжение тоже равно нулю.
• Ну и на 4м участке конденсатор начал разряжаться, т.к. входной сигнал стал ниже чем его напряжение. Ток пошел в обратную сторону и на резисторе уже отрицательное падение напряжения.

А если подать на вход прямоугольнй импульс, с очень крутыми фронтами и сделать емкость конденсатора помельче, то увидим вот такие иголки:

прямоугольник. Ну, а чо? Правильно — производная от линейной функции есть константа, наклон этой функции определяет знак константы.

Короче, если у тебя сейчас идет курс матана, то можешь забить на богомерзкий Mathcad, отвратный Maple, выбросить из головы матричную ересь Матлаба и, достав из загашников горсть аналоговой рассыпухи, спаять себе истинно ТРУЪ аналоговый компьютер:) Препод будет в шоке:)

Правда на одних только резисторах кондерах интеграторы и диффернциаторы обычно не делают, тут юзают операционные усилители. Можешь пока погуглить на предмет этих штуковин, любопытная вещь:)

А вот тут я подал обычный приямоугольный сигнал на два фильтра высоких и низких частот. А выходы с них на осциллограф:

Вот, чуть покрупней один участок:

При старте кондер разряжен, ток через него вваливат на полную, а напряжение на нем мизерное — на входе RESET сигнал сброса. Но вскоре конденсатор зарядится и через время Т его напряжение будет уже на уровне логической единицы и на RESET перестанет подаваться сигнал сброса — МК стартанет.
А для AT89C51 надо с точностью наоборот RESET организовать — вначале подать единицу, а потом ноль. Тут ситуация обратная — пока кондер не заряжен, то ток через него течет большой, Uc — падение напряжения на нем мизерное Uc=0. А значит на RESET подается напряжение немногим меньше напряжения питания Uпит-Uc=Uпит.
Но когда кондер зарядится и напряжение на нем достигнет напряжения питания (Uпит=Uс), то на выводе RESET уже будет Uпит-Uc=0

Аналоговые измерения
Но фиг сними с цепочками сброса, куда прикольней использовать возможность RC цепи для замера аналоговых величин микроконтроллерами в которых нет АЦП.
Тут используется тот факт, что напряжение на конденсаторе растет строго по одному и тому же закону — экспоненте. В зависимости от кондера, резистора и питающего напряжения. А значит его можно использовать как опорное напряжение с заранее известными параметрами.

Работает просто, мы подаем напряжение с конденсатора на аналоговый компаратор, а на второй вход компаратора заводим измеряемое напряжение. И когда хотим замерить напряжение, то просто вначале дергаем вывод вниз, чтобы разрядить конденсатор. Потом возвращем его в режим Hi-Z, cбрасываем и запускаем таймер. А дальше кондер начинает заряжаться через резистор и как только компаратор доложит, что напряжение с RC догнало измеряемое, то останавливаем таймер.

Зная по какому закону от времени идет возрастание опорного напряжения RC цепи, а также зная сколько натикал таймер, мы можем довольно точно узнать чему было равно измеряемое напряжение на момент сработки компаратора. Причем, тут не обязательно считать экспоненты. На начальном этапе зарядки кондера можно предположить, что зависимость там линейная. Или, если хочется большей точности, аппроксимировать экспоненту кусочно линейными функциями, а по русски — отрисовать ее примерную форму несколькими прямыми или сварганить таблицу зависимости величины от времени, короче, способов вагон просто.

Если надо заиметь аналоговую крутилку, а АЦП нету, то можно даже компаратор не юзать. Дрыгать ножкой на которой висит конденсатор и давать ему заряжаться через перменный резистор.

По изменению Т, которая, напомню T=R*C и зная что у нас С = const, можно вычислить значение R. Причем, опять же необязательно подключать тут математический аппарат, в большинстве случаев достаточно сделать замер в каких-нибудь условных попугаях, вроде тиков таймера. А можно пойти другим путем, не менять резистор, а менять емкость, например, подсоединяя к ней емкость своего тела… что получится? Правильно — сенсорные кнопки!

Если что то непонятно, то не парься скоро напишу статью про то как прикрутить к микроконтроллеру аналоговую фиговину не используя АЦП. Там подробно все разжую.