Высокое напряжение и не только. Опасное развлечение: простой для повторения генератор высокого напряжения Как это работает

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

Мой генератор высокого напряжения (HV ) я использую во многих своих проектах ( , ):

Элементы -
1 - выключатель
2 - варистор
3 - конденсатор подавления э/м помех
4 - трансформатор понижающий от ИБП
5 - выпрямитель (диоды Шоттки) на радиаторе
6 - конденсаторы сглаживающего фильтра
7 - стабилизатор напряжения 10 В
8 - генератор прямоугольных импульсов с регулируемой переменным резистором скважностью

10 - включенные параллельно MOSFET-ы IRF540, закрепленные на радиаторе
11 - высоковольтная катушка на ферритовом сердечнике из монитора
12 - высоковольтный выход
13 - электрическая дуга

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

Входные цепи

Варистор служит для защиты от перенапряжения:

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

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

Источник постоянного напряжения

Трансформатор - из источника бесперебойного питания:

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

Действующее значение напряжения на выходе вторичной обмотки составляет 16 В.

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

SBL2040 CT - макс. средний выпрямленный ток 20 А, макс. пиковое обратное напряжение 40 В, макс. действующее обратное напряжение 28 В
соединены параллельно:
SBL1040 CT - макс. средний выпрямленный ток 10 А, макс. пиковое обратное напряжение 40 В, макс. действующее обратное напряжение 28 В
SBL1640 - макс. средний выпрямленный ток 16 А, макс. пиковое обратное напряжение 40 В, макс. действующее обратное напряжение 28 В

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

Стабилизатор напряжения собран на микросхеме IL317 :

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

Генератор импульсов

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

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

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

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

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

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

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

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

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


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

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

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

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

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

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

Прежде чем мы перейдём к описанию предлагаемого для сборки источника высокого напряжения, напомним о необходимости соблюдать общие меры безопасности при работе с высокими напряжениями. Хотя это устройство даёт выходной ток чрезвычайно малого уровня, оно может быть опасным и вызовет довольно неприятный и болезненный удар, если случайно каснуться в неположенном месте. С точки зрения безопасности, это один из самых безопасных высоковольтных источников, поскольку выходной ток сравним с током обычных электрошокеров. Высокое напряжение на выходных клеммах - постоянного тока около 10-20 киловольт, и если подключить разрядник, то можно получить дугу 15 мм.

Схема источника высокого напряжения

Напряжение может регулироваться изменением количества ступеней в умножителе, например, если вы хотите, чтобы оно зажгло неоновые лампы - можно использовать одну, если хотите, чтобы работали свечи зажигания - можно использовать две или три, и если нужно более высокое напряжение - можно использовать 4, 5 и более. Меньше каскадов означает меньшее напряжение, но больший ток, что может увеличить опасность этого устройства. Парадокс, но чем больше напряжение, тем менее сложным будет нанести ущерб из-за питания, поскольку ток падает до пренебрежительно малого уровня.

Как это работает

После нажатия кнопки, ИК-диод включается и луч света попадает на датчик оптрона, этот датчик имеет выходное сопротивление около 50 Ом, что достаточно для включения транзистора 2n2222. Этот транзистор подаёт энергию батареи для питания таймера 555. Частоту и скважность импульсов можно регулировать изменением номиналов компонентов обвязки. В данном случае частота может регулироваться с помощью потенциометра. Эти колебания, через транзистор BD679, усиливающий импульсы тока, поступают на первичную катушку. Со вторичной снимается переменное напряжение, увеличенное в 1000 раз, и выпрямляется ВВ умножителем.

Детали для сборки схемы

Микросхема - любой таймер серии КР1006ВИ1. Для катушки - трансформатор с отношением сопротивления обмоток 8 Ом:1 кОм. Первое, на что необходимо обратить внимание при выборе трансформатора - это размер, так как количество энергии, которое они могут обрабатывать, пропорционально их размерам. Например размером с большую монету даст нам больше энергии, чем небольшой трансформатор.

Первое, что необходимо сделать для его перемотки, это удалить ферритовый сердечник для доступа к самой катушке. В большинстве трансформаторов две части склеиваются клеем, просто держите трансформатор плоскогубцами над зажигалкой, только осторожно, чтоб не расплавить пластик. После минуты клей должен расплавиться и надо разломить его на две части сердечника.

Учитывайте, что феррит очень хрупкий и трескается довольно легко. Для намотки вторичной катушки использовался эмалированный медный провод 0,15 мм. Намотка почти до заполнения, чтоб потом хватило ещё на один слой более толстого провода 0,3 мм - это будет первичка. Она должна иметь несколько десятков витков, около 100.

Почему здесь установлен оптрон - он обеспечит полную гальваническую развязку от схемы, с ним не будет электрического контакта между кнопкой замыкания питания, микросхемой и высоковольтной частью. Если случайно пробьёт высокое напряжение по питанию, то вы будете в безопасности.

Сделать оптрон очень легко, любой ИК-светодиод и ИК-датчик вставьте в термоусадочную трубку, как показано на картинке. В крайнем случае, если не хочется усложнять дело, уберите все эти элементы и подавайте питание замкнув К-Э транзистора 2N2222.

Обратите внимание на два выключателя в схеме, так сделано потому, что каждая рука должна быть задействована чтобы активировать генератор - это будет безопасно, уменьшает риск случайного включения. Также при работе устройства вы не должны прикасаться к чему-либо еще, кроме кнопок.

При сборке умножителя напряжения не забудьте оставить достаточный зазор между элементами. Обрежьте все торчащие выводы, поскольку они могут привести к коронным разрядам, которые сильно снижают эффективность.

Рекомендуем изолировать все оголенные контакты умножителя с термоклеем или другим аналогичным изоляционным материалом и, после этого, обернуть в термоусадочную трубку или изоленту. Это не только уменьшит риск случайных ударов, но и повысит эффективность схемы путем уменьшения потерь через воздух. Также для страховки добавили кусок пенопласта между умножителем и генератором.

Потребляемый ток должен быть примерно 0,5-1 ампер. Если больше - значит схема плохо настроена.

Испытания генератора ВН

Было испытано два различных трансформатора - оба с отличными результатами. Первый имел меньший размер ферритового сердечника и, следовательно, меньше индуктивность, работал на частоте 2 кГц, а в другом около 1 кГц.

При первом запуске сначала проверьте генератор NE555, работает ли он. Подключите маленький динамик к ноге 3 - при изменении частоты вы должны услышать звук, исходящий из него. Если все сильно нагревается можно увеличить сопротивление первичной обмотки, намотав её проводом потоньше. И небольшой радиатор для транзистора рекомендуется. Да и правильная частота настройки является важной, чтобы избежать этой проблемы.

Здравствуйте. Сегодня речь пойдет об очень мощной и крутой самоделке. Сегодня я соберу мощный высоковольтный генератор напряжением около 25 кВ. Данную схему я собираю уже не в первый раз, так что каких то сложностей нет. Постараюсь объяснить все коротко и просто
Начну пожалуй со схемы высоковольтного генератора. Нашел ее еще когда собирал , да и сохранил на всякий случай. Схема всего из десятка компонентов
Как говорил схему собирал для второго осциллятора, схема сейчас успешно работает на сварке. Нижняя плата и есть высоковольтный генератор


Пока собирал успел наиграться с дугой иногда достигающей 3х сантиметром, что равнялось примерно 30 кВ. Еще тогда придумал собрать для себя такой же генератор, надо было только подходящие компоненты собрать и вот пришло время

Нашел цветной телевизор советского производства и вырвал с него плату строчной развертки


Собственно с этой платы нужны только строчный трансформатор и конденсатор к73-17 на 400В 0.47 мкФ. На первом генераторе у меня стояла их пара.
Плату очистил от старых дорожек болгаркой, строчный трансформатор установил на старое место намотав две обмотки по 5 витков. Из такого же трансформатора изготовил дроссель, который чуть позже переделаю.


Приступил к сборке управляющей части схемы. Монтаж будет навесной, не хочу морочится платой. Установил полевые транзисторы 40N60 на радиатор, через изолирующие прокладки


На следующем этапе сборки припаял мощные трехамперные диоды Шотки


Дело за малым припаять конденсатор между стоками транзисторов и припаять резисторы 390 Ом в затворы. Стабилитроны я не ставил, так как их нет у меня, но схема отлично работает и без них


Припаял трансформатор к стокам и перемотал дроссель, так как индуктивность предыдущего слишком мала. Новый дроссель индуктивностью 50 мкГн.

Пора и попробовать запустить высоковольтный генератор. Подключаю плату к . На фото дуга примерно пол сантиметра, что равно 5кВ. Питание 20В


Попробовал раздвинуть дугу до 2,5 см, напряжение поднялось до 25кВ. Дуга стала широкой и мошной, сигарету в доли секунды зажигает 🙂 Но начал плавиться провод и пришлось прервать эксперимент


Что бы провода не подгорали, один вывод высоковольтной обмотки подключил к саморезу закрученному в плату, а на второй прикрутил болт.
Питание подал 20В, ток холостого хода 0,6А

Теперь попробую разжечь дугу до 25 кВ и сделать замер. Напряжение просело до 13,2В, ток потребления 6,25А. Потребляемая мощность 82,5Вт, карандаш загорается вообще без проблем




К сожалению мой лабораторный не может разжечь дугу посильней и так трансформатор перегружен. Надо найти что то мощнее и посмотреть, на что еще способен высоковольтный генератор
Я тут снял коротенькое видео работы генератора, надеюсь вам будет интересно.

А пока грузил это видео, нашел еще одно интересное видео работы данного генератора от 30В, ребята это вообще жесть

Иногда возникает необходимость получения высокого напряжения из подручных материалов. Строчная развертка отечественных телевизоров и есть готовый высоковольтный генератор, мы лишь чуток переделаем генератор.
Из блока строчной развертки нужно выпаять умножитель напряжения и строчный трансформатор. Для нашей цели был использован умножитель УН9-27.

Строчный трансформатор подойдет буквально любой.

Строчный трансформатор сделан с огромным запасом, в телевизорах используется лишь 15-20% мощности.
Строчник имеет высоковольтную обмотку, один конец которого можно увидеть прямо на катушке, второй конец высоковольтной обмотки находится на стенде, вместе с основными контактами внизу катушки (13-ый вывод). Найти высоковольтные выводы очень легко, если взглянуть на схему строчного трансформатора.

Используемый умножитель имеет несколько выводов, ниже представлена схема подключения.

Схема умножителя напряжения

После подключения умножителя к высоковольтной обмотке строчного трансформатора, нужно думать о конструкции генератора, который будет питать всю схему. С генератором не мудрил, решил взять готовый. Была использована схема управления ЛДС с мощностью в 40 ватт, иными словами просто балласт ЛДС.

Балласт китайского производства, можно найти в любом магазине, цена не более 2-2,5$. Такой балласт удобен тем, что работает на высоких частотах (17-5кГц в зависимости от типа и производителя). Единственный недостаток заключается в том, что выходное напряжение имеет повышенный номинал, поэтому мы не можем напрямую подключить такой балласт к строчному трансформатору. Для подключения используется конденсатор с напряжением 1000-5000 вольт, емкость от 1000 до 6800пкФ. Балласт может быть заменен на другой генератор, он не критичен, тут важен только разгон строчного трансформатора.

ВНИМАНИЕ!!!
Выходное напряжение от умножителя составляет порядка 30.000 вольт , это напряжение в некоторых случаях может быть смертельно опасным, поэтому просим быть предельно осторожными. После выключения схемы в умножителе остается заряд, замыкайте высоковольтные выводы , чтобы полностью разрядить его. Все опыты с высоким напряжением делайте вдали от электронных устройств.
Вообще вся схема находится под высоким напряжением, поэтому не дотрагивайтесь компонентов во время работы.

Установка может использоваться в качестве демонстрационного генератора высокого напряжения, с которым можно проводить ряд интересных опытов.