Die Hochspannungstechnik ist eine besondere Richtung in der Elektronik, die ihren eigenen Geist, ihre eigene Ästhetik und ihre eigenen Eigenschaften hat. Tausende Enthusiasten auf der ganzen Welt bauen verschiedene Designs, von einfachen Multiplikatoren bis hin zu riesigen Van-de-Graaff-Generatoren und Tesla-Spulen – in der Regel haben alle diese Geräte keine praktische Anwendung, ihr Wert liegt gerade in der Schaffung farbenfroher High- Spannungsentladungen.
Das kostengünstigste Element, das Hochspannung erzeugen kann, kann getrost als Leitungstransformator bezeichnet werden – dieses Element ist in jedem Röhrenfernseher vorhanden; im Moment wird der Preis für solche Transformatoren sehr niedrig, da Röhrenfernseher immer beliebter werden die Vergangenheit. Es können zwei Arten solcher Transformatoren unterschieden werden: TDKS mit eingebautem Multiplikator und TVS – ein „nackter“ Transformator, an den der Multiplikator separat angeschlossen werden kann.In beiden Fällen ist, damit ein solcher Transformator Hochspannung erzeugt, eine spezielle Schaltung erforderlich, die seine Primärwicklung mit einer Hochfrequenzspannung „pumpt“. Diese Frequenz kann zwischen 1 und 100 kHz variieren. Im Internet gibt es eine ganze Reihe ähnlicher Schaltungen, oft einfache Single-Ended-Schaltungen mit nur einem leistungsstarken Transistor, der den Stromkreis der Primärwicklung eines Netztransformators mit der erforderlichen Frequenz schließt und öffnet – solche Schaltungen sind zwar einfach, haben einen relativ geringen Wirkungsgrad (der Transistor wird sehr heiß) und eine geringe Leistung, sodass das volle Potenzial des Transformators nicht ausgeschöpft und die maximal mögliche Leistung daraus entnommen werden kann – und die Länge, Stärke und Helligkeit des Transformators Entladungen hängen direkt von der Leistung ab.
Planen
Bei der in diesem Artikel vorgestellten Schaltung handelt es sich um einen klassischen Halbbrückenwandler auf Basis der IR2153-Mikroschaltung; er kann in der Last recht viel Leistung entwickeln – bis zu 500 Watt bei Verwendung entsprechender Transistoren am Ausgang, mit geringfügigen Modifikationen sogar eine ein paar Kilowatt. Gleichzeitig scheint die Schaltung selbst sehr einfach zu montieren zu sein, enthält keine teuren Elemente und ist sehr wiederholbar.
Die Last des Stromkreises ist die Induktivität L1 – in unserem Fall die Primärwicklung des Netztransformators. Aber auch auf Basis dieser Schaltung ist es möglich, verschiedene andere Geräte aufzubauen, die eine Hochfrequenzspannung und große Amplitude benötigen, beispielsweise eine Induktionsheizung. Zur Verdeutlichung zeigt das Bild unten die Signalform am Ausgang der Schaltung ohne angeschlossene Last – nahezu ideale Rechteckimpulse.
Ein wenig über die Details und die Funktionsweise des Konverters
Die Mikroschaltung IR2153 fungiert als Push-Pull-Rechteckimpulsgenerator – sie ist Push-Pull, da zwei Ausgänge (Pins 5 und 7) vorhanden sind und die Mikroschaltung gleichzeitig zwei Feldeffekttransistoren steuert, den oberen und den unteren Arm. An dieser Mikroschaltung mangelt es nicht; einige Netzstromversorgungen und andere Schaltgeräte sind auf ihrer Basis aufgebaut; der Preis dafür in Funkkomponentengeschäften beträgt normalerweise nicht mehr als 100 Rubel. Diese Mikroschaltung ist insofern praktisch, als sie im Inneren bereits eine Zenerdiode enthält, die es ermöglicht, die Mikroschaltung mit der gleichen Spannung wie die Last zu versorgen – diese Spannung für einen effektiven Betrieb der Halbbrücke sollte 100–300 Volt betragen, also eine zusätzliche Für die Stromversorgung des logischen Teils der Schaltung ist keine Niederspannungsquelle erforderlich. Der Widerstand, der den Strom durch die Zenerdiode der Mikroschaltung begrenzt, ist R1 – sein Wert ist im Diagramm mit einem Sternchen gekennzeichnet. Der Widerstandswert dieses Widerstands hängt von der Versorgungsspannung des gesamten Stromkreises ab – je höher die Versorgungsspannung, desto höher ist der Widerstandswert; Sie können den genauen Wert für jede Versorgungsspannung berechnen, indem Sie den Zenerdiodenwiderstand mit einem Taschenrechner berechnen . Die im Diagramm angegebene Leistung ist für eine Versorgungsspannung von 250 Volt geeignet. Es sollte auch berücksichtigt werden, dass über diesen Widerstand etwas Leistung verloren geht. Daher ist es notwendig, entweder einen 1-3-Watt-Widerstand oder mehrere parallel geschaltete Widerstände mit geringer Leistung zu verwenden, wie dies auf einer Leiterplatte der Fall ist. Der Kondensator C2 dient zum Filtern der Versorgungsspannung der Mikroschaltung; sein Wert kann zwischen 100 und 220 μF liegen, die Spannung beträgt mindestens 25 Volt.Der Kondensator C1 ist ein Hochspannungsnetzteil. An seiner Kapazität sollten Sie nicht sparen, da die Leistung an der Last davon abhängt. Wenn die Kapazität zu gering ist, kann es zu Leistungseinbußen kommen und die Leistung sinkt. Der optimale Wert wäre 470-680 uF; beachten Sie, dass dieser Kondensator für eine hohe Versorgungsspannung + etwas Spielraum ausgelegt sein muss.
Die Kette der Elemente R2-C3 bestimmt die Frequenz, daher ist es wichtig, hier einen hochwertigen Hochfrequenzkondensator zu verwenden; ein normaler Folienkondensator reicht aus. Je größer die Kapazität des Kondensators ist, desto niedriger ist die Betriebsfrequenz der Schaltung; bei den angegebenen Nennwerten beträgt sie etwa 80 kHz. Sie können eine Schaltung mit einer festen Frequenz zusammenbauen, aber die besten Ergebnisse können erzielt werden, wenn Sie die Frequenz anpassen können. Daher empfehle ich anstelle eines Konstantwiderstands die Installation eines 20-kOhm-Trimmers. Der Bereich der Frequenzanpassungen kann auch über den eingestellt werden Kapazität des Kondensators. Kondensator C4 – es empfiehlt sich, einen unpolaren Tantalkondensator mit einer Kapazität von 20-30 µF zu verwenden, ein normaler Elektrolytkondensator reicht jedoch auch aus. Die Widerstände R3, R4 dienen zur Begrenzung des Stroms in den Gates von Transistoren, geeignet für 10-30 Ohm.
Besonderes Augenmerk sollte auf die Wahl der Leistungstransistoren gelegt werden, da diese die Last schalten und sowohl die Effizienz der Schaltung als auch ihre Zuverlässigkeit von ihnen abhängen. Die kostengünstigste, aber nicht leistungsstärkste Option ist der IRF630 – er eignet sich für den Betrieb mit Spannungen von nicht mehr als 150 Volt und nicht zu viel Leistung, ich verwende ihn.Hier können Sie nahezu alle leistungsstarken Feldeffekttransistoren einsetzen, bei der Auswahl sollten Sie deren maximale Betriebsspannung, Strom und Leerlaufwiderstand berücksichtigen. Geeignete Optionen wären auch IRF740, IRF840, IRFP450, IRFP460. Die letzten beiden sind teurer, ermöglichen aber den Betrieb mit höheren Leistungen, bis zu 500 Watt. Die Kondensatoren C5 und C6 bilden einen Spannungsteiler, der für den Betrieb eines Halbbrückenwandlers notwendig ist; hier können Folienkondensatoren mit einer Kapazität von 1-2 µF eingesetzt werden; deren Betriebsspannung muss ebenfalls auf die Versorgungsspannung + einige ausgelegt sein Reservieren. VD1 ist eine Diode; Sie müssen hier keine gewöhnlichen Dioden verwenden, sondern ultraschnelle, zum Beispiel UF4007 und ähnliche.
Konvertermontage
Die gesamte Schaltung ist auf einer Leiterplatte montiert, die am Artikel befestigt ist. Bitte beachten Sie, dass die Schaltung hinsichtlich der Verkabelung „kapriziös“ ist; diese Version der Platine wurde getestet, bei der Arbeit daran wurden keine Artefakte festgestellt. Die Platine wird mit der Standard-LUT-Methode hergestellt. Unten finden Sie Fotos vom Herstellungsprozess der Platine und der Versiegelung der Teile.
Noch ein paar Worte zur Primärwicklung: Sie muss selbst auf den Ferritkern des Transformators gewickelt werden, da Standard-Primärwicklungen nicht für hohe Leistungen ausgelegt sind. Das Wickeln nimmt nicht viel Zeit in Anspruch, nur 30-40 Windungen Kupferlackdraht reichen aus, sein Querschnitt sollte nicht zu klein sein, sonst entstehen Verluste. Die resultierende Wicklung muss mit Drähten mit der Platine verbunden werden und ihre Länge sollte nicht zu groß sein.
Wie Sie sich vorstellen können, wird die Hochspannung vom „heißen“ Anschluss des Transformators entfernt, der normalerweise an der dicken Isolierung erkennbar ist.Der negative Kontakt des TDKS befindet sich zusammen mit allen anderen Anschlüssen im unteren Teil des Gehäuses; er ist leicht zu finden – schauen Sie einfach, an welchem Kontakt der Lichtbogen aufleuchtet, wenn man sich dem „heißen“ Anschluss nähert. Bitte beachten Sie, dass der untere Teil des TDKS auf dem Foto Schwärzungen aufweist – diese entstanden, als das TDKS mit dieser Halbbrückenschaltung arbeitete, da der Transformator fast bis an die Grenzen seiner Leistungsfähigkeit ausgelastet ist und es manchmal zu Ausfällen zwischen seinen verschiedenen Anschlüssen kommt . Um dies zu vermeiden, sollten Sie alle Anschlüsse mit einer dielektrischen Masse füllen und nur den erforderlichen Minusdraht mit einem separaten Draht herausführen.
Die gesamte Struktur muss von einer Quelle mit entsprechender Leistung gespeist werden; es ist praktisch, wenn die Versorgungsspannung angepasst werden kann. In meinem Fall ist die Stromquelle der alte Transformator ihres TS-160-Röhrenfernsehers; zur Gleichrichtung ist eine Diodenbrücke mit Kondensatoren auf einer kleinen Platine separat angeschlossen, wie auf dem Foto zu sehen ist.
Selbst „Low-Power“-Transistoren wie der IRF630 in dieser Schaltung werden nicht sehr heiß; nach mehreren Minuten Dauerbetrieb bleiben sie nur auf kleinen Heizkörpern warm. Obwohl die Wärmeableitung gering ist, insbesondere bei Verwendung von beispielsweise IRFP450-560, sind kleine Strahler wie auf dem Foto aus Gründen der Zuverlässigkeit nicht überflüssig. Gesamtansicht des Designs:
Abschließende Fotos – die Hochspannungslichtbögen zeigen, sowie Videos. Die Durchschlagsspannung von Luft beträgt etwa 3 Zentimeter. Wie im Video zu sehen ist, brennt der Lichtbogen nicht, wenn die Hochspannungselektroden in einem bestimmten Abstand voneinander platziert werden, und der Transformator arbeitet im Leerlauf, während von seinem „heißen“ Anschluss ebenfalls violette Entladungen austreten B. vom Gehäuse selbst – wenn sie auftreten, ist es ratsam, alle möglichen Durchschlagsstellen durch dielektrische Verbindung zu isolieren.Bitte beachten Sie, dass TDKS nicht nur Hochspannung hat, sondern auch ausreichend Strom hat, um elektrische Verletzungen zu verursachen, wenn Sie die Hochspannungsanschlüsse mit Ihren Händen berühren. Aufgrund der relativ großen Durchschlagsstrecke ist für die Entstehung eines Lichtbogens nicht einmal eine Berührung erforderlich. Es ist auch zu beachten, dass nach dem Ausschalten des Stromkreises die Hochspannung am TDKS-Ausgang immer noch bestehen bleibt, da sich im Inneren ein Kondensator befindet. Daher sollten nach dem Ausschalten die Hochspannungsanschlüsse miteinander verbunden werden, um diesen Kondensator zu entladen. Viel Spaß beim Bauen!
