Все вышеописанные генераторы высокого напряжения использовали в качестве энергоемких элементов конденсаторы. Однако особый интерес представляют устройства, в которых в роли накопителя энергии применяется индуктивность.
В большинстве первых конструкций таких преобразователей использовались механические коммутаторы индуктивности. Такой подход имел ярко выраженные минусы: быстро изнашиваемые контакты, необходимость регулярной их очистки и регулировки, а также возникновение значительных электромагнитных помех.
С развитием современных быстродействующих электронных коммутирующих элементов архитектура таких устройств заметно упростилась, что позволило значительно повысить их эффективность и конкурентоспособность.
Простой высоковольтный генератор
Классическая схема одного из самых простых высоковольтных генераторов (см. рис. 1) базируется на использовании индуктивного хранения энергии.
Рис. 1. Электрическая схема высоковольтного генератора с индуктивным аккумулятором энергии.
Этот генератор создали на базе микросхемы 555 (КР1006ВИ1), которая генерирует прямоугольные импульсы. Параметры этих импульсов настраиваются потенциометрами R2 и R3, а частота — зависит от величины емкости конденсатора С1, который задает временные интервалы.
Выходные импульсы с микросхемы передаются через резистор R5 на базу мощного транзистора VT1 — ключевого элемента схемы. В соответствии с частотой и длительностью импульсов транзистор коммутирует первичную цепь трансформатора Т1.
В результате преобразователь выдает импульсы высокого напряжения. Для защиты транзистора (например, 2N3055 или КТ819ГМ) рекомендуется подключить параллельно переходу эмиттер-коллектор диод — лучше КД226 — катодом к коллектору, что предотвращает пробой.
Высоковольтный генератор на микросхеме 555
Еще один вариант болгарской разработки — высоковольтный генератор (см. рис. 2), также основанный на задающем генераторе из микросхемы 555 (К1006ВИ1). Регулировка частоты импульсов осуществляется плавно потенциометром R2 в диапазоне от 85 до 100 Гц.
Полученные импульсы через RC-цепочки поступают к ключевым транзисторам VT1 и VT2. Защитные стабилитроны VD3 и VD4 обеспечивают безопасную работу транзисторов при работе с индуктивными нагрузками.
Рис. 2. Графическая схема высоковольтного генератора, построенного на индуктивных накопителях энергии.
Данный генератор может функционировать как самостоятельное устройство для получения высокого напряжения (до примерно 1.2 кВ) или служить промежуточной ступенью для питания других преобразователей.
В качестве силовых ключей используют транзисторы типа BD139 или их аналоги — КТ943В. В течение многих лет мощные биполярные транзисторы применялись в схемах с индуктивным накопителем энергии, однако они имеют существенный недостаток: остаточные напряжения при открытом ключе вызывают значительные потери энергии и перегрев транзистора.
В ходе развития технологии полевые транзисторы (MOSFET) начали вытеснять биполярные транзисторы за счет своих достоинств: низкого сопротивления открытого ключа — в пределах сотых долей омы, и высокого рабочего напряжения — вплоть до 1-2 кВ.
Преобразователь напряжения с выходным каскадом на транзисторе MOSFET
На рисунке 3 представлена схема преобразователя напряжения с выходным каскадом на полевом транзисторе MOSFET. В схему введен биполярный транзистор для согласования генератора с затвором MOSFET, повышая стабильность работы.
Рис. 3. Электрическая схема высоковольтного генератора с управлением на основе полевого транзистора.
Задающий генератор выполнен на микросхеме /ШО/7 — CD4049, по типовой схеме. Устройства формирования управляющих сигналов, а также выходных каскадов, изображены на схемах, показанных далее. Эти схемы взаимозаменяемы и могут комбинироваться по усмотрению.
Важно обратить внимание на правильное согласование импедансов в цепи управления, что обеспечивает более стабильную работу преобразователя и снижение потерь на переключение транзисторов. В качестве фильтров используют LC-цепи для стабилизации выходного напряжения и минимизации гармонических и высокочастотных помех.
Для повышения надежности и долговечности схемы рекомендуется использовать защитные элементы, такие как диоды-шоттки в цепи стробирования и TVS-борты в случае высоковольтных нагрузок. Кроме того, следует обеспечить хорошее охлаждение транзисторов и других мощных элементов при эксплуатации в высоковольтных режимах, чтобы избежать перегрева и повреждения компонентов.
Генератора высокого напряжения на составном транзисторе
Выходной каскад генератора высокого напряжения системы электронного зажигания, разработанной П. Брянцевым, выполнен с применением современных отечественных компонентов.
Рис. 4. Электрическая схема выходного каскада генератора высокого напряжения по конструкции П. Брянцева, с использованием составного транзистора.
При подаче управляющих импульсов транзисторы VT1 и VT2 открываются на короткое время, что создает импульс в катушке индуктивности. Этот короткий замык на индуктивность вызывает его магнитный потенциал, обеспечивая высокое напряжение.
Конденсатор С2 сглаживает пики импульсов, а делитель (R3 и R5) позволяет ограничить и стабилизировать максимальное напряжение на транзисторе VT2.
Генератор высокого напряжения с задающим генератором на триггерах Шмитта
В числе разработок, воспользоваться которыми успели специалисты, — схемы высоковольтных генераторов, созданные Андресом Эстебаном де ла Пласа. На рисунках 5 и 6 изображены устройства с индуктивными накопителями, использующие триггеры Шмитта для формирования импульсов.
Рис. 5. Схема высоковольтного генератора с задающим генератором на триггерах Шмитта.
Первый вариант включает в себя генератор прямоугольных импульсов, промежуточный и финальный каскад, а также трансформатор высокого напряжения. Управление реализовано при помощи триггера Шмитта (микросхема 4093), что позволяет получать резко фронтированные импульсы и минимизировать энергетические потери.
Для согласования с силовым транзистором VT2 используется предусилитель на транзисторе VT1. В качестве выходного элемента выбран силовой биполярный транзистор, установленный на теплоотводке.
Частоты импульсов регулируются переключателем SA1 и потенциометрами R1 и R2, которые задают длительность импульса, паузы и их частоту последовательно.
Чтобы управлять выходной мощностью, применяют переключатель SA2, включающий или отключающий резистор R6, который последовательно соединен с первичной обмоткой трансформатора.
Рабочий диапазон частот — от 0,6 до 8,5 кГц, 1,5-20 кГц, 5,3-66 кГц, 13-170 кГц и свыше 200 кГц.
Обмотка трансформатора Т1, выполненная на сердечнике от строчного трансформатора, содержит 40 витков провода диаметром 1 мм. При частотах ниже 5 кГц выходное напряжение достигает около 20 кВ, а при повышении частоты до 70 кГц оно снижается до 5-10 кВ.
Мощность сигнала может достигать 30 Вт, что требует особых мер по ограничению тока при использовании таких схем, например, для газоразрядной фотосъемки.
Дополнительные меры безопасной эксплуатации включают использование защитных диодов и резисторов для ограничения тока в цепи высокого напряжения, а также экранирование устройства для снижения радиопомех и защиты оператора.
Рекомендуется также использовать специальные разрядники, например, электровоздушные или искровые, для защиты схемы от перенапряжений и коротких замыканий.
Наконец, при сборке и эксплуатации подобных генераторов необходимо соблюдать меры электробезопасности, использовать соответствующую изоляцию и избегать контакта с рабочими элементами во время работы устройства.
Высоковольтный генератор с задающим генератором на основе ОУ
Более сложная схема представлена в виде генератора, выполненного на операционном усилителе DA1 (СА3140), с дополнительным стабилизатором напряжения 12 В — микросхемой DA2 (7812). Этот генератор управляется через предоконечный каскад на комплементарных транзисторах VT1 и VT2, а конечное усиление осуществляется на мощном транзисторе VTЗ.
Параметры формирования сигнала регулируются потенциометрами R7 (длительность/пауза) и R4 (частота). Настройка частоты возможна балансировкой емкости конденсатора С1.
Обмотка трансформатора, выполненная по типу строчной развертки, содержит 5–10 витков, его индуктивность примерно 0,5 мГн. Защиту от перенапряжения осуществляют посредством варистора R9, подключенного параллельно обмотке.
В схему допускается замена транзисторов на отечественные аналоги: 2N2222 — на КТ3117А или КТ645, 2N3055 — на КТ819ГМ, а диодов 1N4148 — на КД521 или КД503. Микросхему DA2 можно заменить аналогом КР142ЕН8Б или К561ТЛ1.
Для увеличения надежности и стабильности работы рекомендуется использовать радиаторы охлаждения для мощных транзисторов, таких как VTЗ (КТ827ГМ или КТ848). Также важно следить за полярностью подключения элементов и обеспечить надежную защиту от коротких замыканий и перенапряжений.
Для расширения функциональности модуля можно добавить индикатор работы или блок автоматической регулировки частоты, основанный на сравнению выходного сигнала с эталонным. Это улучшит стабильность генерации и сделает схему более универсальной для различных применений, включая тестирование электронных компонентов и источники высокой напряженности.
Импульсный преобразователь напряжения с самовозбуждением
Еще одна разновидность высоковольтных генераторов — автогенераторные схемы с индуктивной обратной связью, которые работают по принципу самовозбуждения, генерируя высокочастотные колебания (см. рис. 7). Такие преобразователи широко применяются в импульсных источниках питания, импульсных модулях питания для радиотехники и других электронных устройств, где важно быстрое преобразование напряжения и минимальные потери.
Рис. 7. Электрическая схема импульсного преобразователя с автоматическим самовозбуждением.
В этом устройстве транзистор VT1 получает обратный сигнал от трансформатора T1, который, в свою очередь, питается от катушки зажигания T2. Частота — около 150 Гц. Конденсаторы С* и С2, а также резистор R4 задают режим работы цепи. Важной особенностью является возможность настройки параметров генерации путем изменения емкости конденсаторов и сопротивления резистора R4, что позволяет оптимизировать работу преобразователя под конкретные условия.
Трансформатор T1 выполнен на магнитопроводе с витками по 18 и 72 из провода ПЭВ-2 и ПЭЛШО соответственно. Такой трансформатор обеспечивает необходимые уровни индуктивности и трансформацию напряжения. Стандартный стабилитрон VD2 размещен на радиаторе из алюминия размером 40x40x4 мм, и его можно заменить наборами стабилитронов с общей стабилизирующей характеристикой около 150 В. Это обеспечивает стабильность выходного высокого напряжения, а также защиту цепи от перенапряжения и коротких замыканий.
Транзистор VT1 также установлен на радиатор, обеспечивая эффективный теплообмен, что особенно важно при длительной работе устройства или повышенных нагрузках. Для повышения надежности схемы рекомендуется использовать радиаторы с достаточной площадью поверхности и обеспечить хорошую вентиляцию или принудительный охлаждение.
Дополнительно, для повышения устойчивости и снижения помех рекомендуется использовать фильтры на входе и выходе преобразователя, а также соблюдать правила электромонтажа и заземления. В целом, импульсные преобразователи с самовозбуждением позволяют эффективно получать высокие напряжения при относительно простом исполнении и высокой надежности, что делает их востребованными в различных областях техники и электроники.
Резонансный преобразователь напряжения с самовозбуждением
Известный пример такого генератора — изделие, выполненное на мощном высокочастотном транзисторе типа КТ909А (см. рис. 8). Он построен на ферритовом трансформаторе с фторопластовым каркасом диаметром 12 мм и параметрами намоток: L1 — 50 витков, L2 — 35 витков провода ЛЭШО 7×0,07 мм.
Нижний слой катушек содержит по одному витку провода, покрытому политетрафторэтиленовой изоляцией, и размещен поверх катушки L2. Высоковольтное напряжение при переходных режимах достигает 1,5 кВ, а частота — около 2,5 МГц, что дает мощность до 5 Вт. При этом выходное напряжение можно регулировать в диапазоне от 50% до 100% в зависимости от напряжения питания (8-24 В).
Параметр переменной емкости конденсатора C4 служит для настройки трансформатора на резонансную частоту, что обеспечивает его оптимальную работу. Регулировка уровня положительной обратной связи, а также формы генерируемых сигналов осуществляется посредством резистора R2, который устанавливает рабочую точку транзистора.
Безопасность преобразователя подкрепляется его низкоомной нагрузкой: при такой характеристике высокочастотная генерация стабильно прерывается, что исключает возможные аварийные ситуации или перегрузки.
Источник импульсного напряжения с двухкаскадным преобразованием
Следующая схема высокого напряжения, предназначенная для получения импульсных электропитаний с двухкаскадным повышением напряжения, показана на рисунке 9. Конструкция первого каскада этого устройства носит классический характер и на практике практически не отличается от ранее изученных схем.
Модель, приведенная на рис. 9, отличается применением второго каскада повышения напряжения на трансформаторе, что значительно повышает надежность всей системы. Такой подход также упрощает дизайн трансформаторов и способствует более эффективной изоляции между входом и выходом устройства.
На изображении изображена схема высоковольтного преобразователя с использованием трансформаторной обратной связи и двухступенчатым преобразованием напряжения.
Трансформатор Т1 изготовлен на Ш-образном сердечнике из трансформаторной стали с поперечным сечением 16×16 мм. Обмотки первичной стороны (коллекторные) состоят из 2×60 витков провода диаметром 1,0 мм.
Катушки обратной связи (вторичные) имеют по 2×14 витков, провод диаметром 0,7 мм. Обмотка, повышающая напряжение — III, намотана на Т1 через несколько слоев межслойной изоляции и содержит 20 или 130 витков провода диаметром 1,0 мм. Для получения высокого напряжения в качестве выходного трансформатора применяется катушка зажигания автомобиля на 12 или 6 В.
К устройствам, формирующим высокие напряжения с помощью индуктивных накопителей энергии, стоит относить и рассмотренные ниже модели.
Для создания наносекундных высоковольтных импульсов, разработанных В. С. Белкиным и Г. И. Шульженко, была предложена схема формирователя, основанная на дрейфовых диодах и насыщающейся индуктивности. В схемотехнике применен однотактный преобразователь, синхронизированный с формирователем, с возможностью совмещения функций ключа и преобразователя.
Формирователи высоковольтных импульсов с общим и раздельными ключами
Позиционированная на рисунке 10 схема преобразователя, управляемая синхронизированным формирователем, представлена вместе с альтернативным вариантом на рисунке 11, где ключевые элементы разделены. Временные диаграммы, иллюстрирующие последовательность работы каждого узла, запечатлены на рисунке 12.
На рисунке 10 изображена схема формирователя высокого напряжения с одним общим ключом, который управляет и преобразованием, и формированием импульсов. В свою очередь, схема, представленная на рисунке 11, предусматривает использование отдельных ключей для каждого функционального блока.
Временная диаграмма работы преобразователя, приведенная на рис. 12, демонстрирует последовательность формирования импульсов и работу ключевых элементов схемы.
В исходных данных заложено, что генератор прямоугольных импульсов (рис. 10) посылает сигналы, которые переводят транзисторный ключ VT1 в открытое состояние на время tH и закрывают его на промежутке t3 (изображено на рис. 12). Эти временные интервалы определяют повторяемость импульсов.
На промежутке tH через индуктивность L1 протекает ток Ин. После закрытия транзистора ток Ин транзирует через диод VD1, заряжая накопительный конденсатор С1 до напряжения Uн. После этого диод VD1 закрывается, блокируя дальнейшее питание.
В таблице 1 приведены оптимальные параметры и типы полупроводниковых элементов, применяемых в формирующих устройствах для высоковольтных импульсов. Значения амплитуды указаны для нагрузки с сопротивлением 50 Ом, что соответствует низкоомным условиям.
| Длительность импульса, нс |
Амплитуда импульса, В | ||
| 300 | 500 | 1000 | |
| 4-6 | КД204, КД226 (КТ858, КТ862) |
КД212 | |
| 7-10 | ДЛ112-25 (КТ847) |
ДЛ122-40 (КП953) |
|
| 11-15 | КД213 (КТ847) |
ДЛ132-80 (КП953) |
|
Дваполярные формирователи импульсов с использованием серии диодов способны выдавать амплитуду каждой полуволны в диапазоне 0,2–1 кВ при нагрузке в 50–75 Ом, длительностью импульса от 4 до 30 нс и частотой повторения до 20 кГц.
Данный материал основан на трудах Шустова М. А. «Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения».
Области применения устройств высокого напряжения в промышленности и медицине
В промышленных процессах аппараты с высоковольтным источником служат для формирования разрядов в сварке металлов, например, в электросварке способом дуговой сварки. Высокое напряжение обеспечивает стабильное горение дуги при выполнении точных соединений, а также способствует эффективной обработке заготовок с помощью плазменных технологий.
Техническое оборудование для проверки материалов использует струи и разряды для выявления дефектов внутри систем, например, при неразрушающем контроле. Использование электромагнитных излучений с высокими потенциалами позволяет обнаруживать внутренние трещины и поры без разрушения конструкции.
Значение высокотехнологических устройств в медицинской практике состоит в применении методов стерилизации и обработки биологических образцов. Высоковольтные разряды применяются для ионизации воздуха или стерилизации инструментов, что повышает эффективность борьбы с патогенами.
В области электронной промышленности эти источники обеспечивают процессы формирования наноструктур и кристаллов в рамках производства полупроводниковых элементов. Прецизионные разряды помогают контролировать рост кристаллических решеток и достижение заданных характеристик материалов.
Для исследований и научных экспериментов используется генерация стабильных разрядов с высокой интенсивностью для изучения физических свойств материалов, взаимодействия частиц и других аспектов фундаментальной науки. Модификации устройств позволяют получать управляемые разряды для экспериментальных целей.
Поддержка технологий жидкостных разрядов, включая использование високовольтных импульсов, служит для распыления веществ в аэрозольных терапиях или при нанесении покрытий на поверхности разнообразных материалов. Устройства позволяют регулировать параметры разряда для достижения оптимальной эффективности.
Материалы и компоненты для сборки генераторов высокого напряжения
В качестве сердечных элементов используются ферромагнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью, такие как железо или ферритовые ферки, обеспечивающие снижение энергеточных потерь и увеличение эффективности преобразования энергии.
Для обмоток возбуждения применяют медную или алюминиевую проволоку с изоляцией из полиэтилена или поливинилхлорида. Оптимальным выбором являются многопроволочные кабели с изоляцией, устойчивой к высоким электродвижущим силам и нагреву, что предохраняет от пробоев и коротких замыканий.
В катушках индуктивности используют стальное или ферритовое сердечники, покрытые лаком или эмалью, обеспечивающими стабильность параметров при изменениях температуры и магнитных полях. В роликах и стержнях применяются сплавы с минимальными потерями на гистерезис, например, amorphous или порошковые материалы.
Конденсаторы, стабилизирующие параметры периферийных цепей, выбирают с керамическим или полимерным диэлектриком. Они должны иметь номинальные напряжения, превышающие рабочие параметры схемы для предотвращения пробоя и деградации электролитов.
Для крепежных и изоляционных элементов используют диэлектрические пластмассы, такие как п polypropylene или полиэфирные композиты, устойчивые к высоким температурам и коррозии. Ключевым фактором также является надежность контактов и соединений, что достигается через использование штырьковых и винтовых разъемов из нержавеющей стали или серебристого латуни.
Некоторые схемы используют высокопрочные диэлектрические стойки и изоляционные промежуточные вставки из к?адеја и кварца, что позволяет снизить риск пробоя при сильных электрических полях.
В процессе сборки важным является подбор компонентов с максимальным запасом по параметрам, чтобы обеспечить долговечность и безопасность устройства при эксплуатации в условиях повышенных физических или температурных нагрузок.
