Регулируемый бестрансформаторный блок питания для "Люстры Чижевского"

Л. Зуев

Польза от применения “Люстры Чижевского” сейчас мало у кого вызывает сомнения. Однако многих радиолюбителей, желающих самостоятельно ее изготовить, останавливает сложность изготовления высоковольтного трансформатора. Предлагаемая статья посвящена описанию конструкции бестрансформаторного блока питания для “Люстры Чижевского”, в котором получение высокого напряжения происходит за счет резонансных процессов в колебательном контуре. Кроме этого, описываемый блок питания снабжен регулятором выходного напряжения, что позволяет эксплуатировать “Люстру” совместно с ним в помещениях различного объема.

Вебинар «Новинки и решения Traco для промышленных и отраслевых приложений» (28.10.2021)

Предлагаемый блок питания предназначен для подключения к питающей сети переменного тока с напряжением 220 В и имеет следующие технические характеристики:

  • пределы изменения напряжения питания - 80...250В;
  • t пределы регулировки выходного напряжения при напряжении питания 220 В и выходном токе 100 мкА - 12...45 кВ;
  • максимальная потребляемая из сети мощность - 10 Вт.

Схема соединения контура и нагрузки для получения повышенного напряжения

Центральным узлом блока питания является последовательный колебательный контур. Схема соединения контура и нагрузки для получения повышенного напряжения показана на рис. 1 (нагрузкой в данном случае является умножитель напряжения). Подобные решения применяются в промышленности в преобразователях напряжения в источники тока или в параметрических источниках тока [1].

Если устройство питается от источника синусоидального напряжения UBX, то сила тока в нагрузке определяется комплексным выражением:

Из уравнения видно, что если индуктивное сопротивление дросселя XL = jwL и емкостное сопротивление конденсатора выбрать из условия XL + Хс - 0, т. е. из условия резонанса на частоте питающего напряжения то ток в нагрузке не будет зависеть от величины ее сопротивления, и при больших сопротивлениях нагрузки напряжение на ней может значительно превышать UBX.

Однако следует отметить, что условие XL + Хс = 0 на практике можно выполнить лишь приближенно из-за наличия активных сопротивлений и потерь в элементах схемы. Это ограничивает максимально возможное напряжение на нагрузке для данной схемы.

Физической причиной возникновения повышенного напряжения на нагрузке являются колебания значительной энергии, запасаемой попеременно в электрическом поле конденсатора и магнитном поле дросселя. В условиях резонанса малые количества энергии, поступающей от источника, компенсируют энергию потерь в активном сопротивлении нагрузки, и обеспечивают поддержание незатухающих колебаний в контуре относительно больших количеств энергии магнитного и электрического полей.

Применение колебательного контура для получения высокого напряжения дает ряд преимуществ перед обычными (трансформаторными) устройствами:

  • меньшая сложность изготовления дросселя по сравнению с высоковольтным трансформатором (меньшее число витков, отсутствие необходимости выполнять несколько магнитосвязанных обмоток). Наличие одной обмотки позволяет вместо одного дросселя применить несколько включенных последовательно дросселей меньшей индуктивности. При этом уменьшается напряжение на каждом из них и, соответственно, снижаются требования к качеству изоляции обмоток; более простыми средствами достигается возможность регулирования выходного напряжения;
  • благодаря синусоидальности напряжения в высоковольтных цепях, преобразователь создает меньший уровень помех (особенно по сравнению с тиристорными устройствами); входная емкость умножителя напряжения не шунтирует выход преобразователя, так как она является частью резонансной цепи; отсутствует опасность выхода блока питания из строя при чрезмерном увеличении утечки в выходных цепях. Утечка приводит к снижению добротности колебательного контура, в результате чего ограничивается выходное напряжение блока и снижается потребляемый из сети ток;
  • меньшие (по сравнению с другими транзисторными схемами) динамические потери в транзисторах преобразователя, работающего в резонансном режиме.

Принципиальная электрическая схема блока питания показана на рис. 2.

Принципиальная электрическая схема блока питания 

Она включает в себя колебательный контур L1L2C5C6; умножитель напряжения на элементах VD11—VD22, С7—С18 с ограничивающим выходной ток резистором R12; генератор на транзисторах VT3, VT4 и трансформаторе Т1; сетевой выпрямитель VD1—VD4 и узел регулирования выходного напряжения на элементах VT1, VT2, VD5, VD6.C4,R9-R11.

Генератор вырабатывает на своем выходе напряжение в форме меандра. Частота генерации соответствует частоте резонанса колебательного контура (при указанных номиналах— 35 кГц). В генераторе реализован принцип пропорционально-токового управления, позволяющий минимизировать потери энергии на управление ключевыми транзисторами VT3, VT4 [2] и обеспечить резонансный режим работы устройства.

Токовое управление ключевыми транзисторами осуществляется за счет положительной обратной связи по току через обмотки трансформатора Т1. Цепочки VD7C2R4R5 и VD9C3R7R8 служат для запуска генератора при подаче питающего напряжения.

Через диоды VD8 и VD10 осуществляется частичный возврат энергии из колебательного контура в источник питания. Резисторы R3, R6 препятствуют возникновению паразитного колебательного процесса на фронтах импульсов в контуре, образованном индуктивностью рассеяния обмоток трансформатора Т1 и емкостями переходов транзисторов VT3, VT4.

Сетевой выпрямитель выполнен по мостовой схеме на диодах VD1 —VD4. Конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Резистор R1 служит для ограничения импульса тока при включении блока в сеть. Резистор R2 является вспомогательным и служит для контроля формы тока, потребляемого генератором, в процессе наладки.

Узел регулирования образует стабилизирующую отрицательную обратную связь. Он контролирует выходное напряжение блока и воздействует на сдвиг фазы между напряжением на выходе генератора и током дросселей L1, L2. Это воздействие проявляется в виде некоторого повышения частоты генерации по отношению к частоте резонанса контура и приводит к снижению амплитуды напряжения на его элементах.

Выходное напряжение в описываемом блоке питания контролируется косвенным способом по величине переменного напряжения на конденсаторе С4, образующем совместно с конденсаторами С5, С6 делитель напряжения с коэффициентом деления 1 /500. Такой способ измерения выходного напряжения позволяет избавиться от громоздкого высоковольтного резистивного делителя напряжения, вносящего дополнительные потери мощности.

Органом регулирования напряжения является переменный резистор R10, который совместно с резисторами R9, R11 образует регулируемый делитель напряжения. Напряжение с делителя поступает на базы транзисторе VT1, VT2, работающих в ключевом режиме и открывающихся поочередно в каждом полупериоде выходного напряжения генератора при достижении мгновенным значением переменного напряжения на их базах величины + 0,65 или - 0,65 В соответственно.

Открываясь в соответствующий полупериод, один из этих транзисторов шунтирует обмотку I трансформатора Т1. Это вызывает реверсирование базового тока открытого в данный момент ключевого транзистора (VT3 или VT4) и более раннюю смену полярности напряжения на выходе генератора по отношению к моменту перехода через ноль тока дросселей L1, L2.

В результате этого происходит частичный возврат энергии из колебательного контура в источник питания генератора и, соответственно, уменьшается общее количество энергии, поступающей в контур. Перемещение движка резистора R10 приводит к изменению (разы отпирания транзисторов VT1, VT2, в результате чего изменяется доля энергии, выводимая из колебательного контура. Это приводит к изменению амплитуды напряжения на его элементах и. в конечном итоге, к изменению выходного напряжения блока.

На рис. 3 показаны диаграммы напряжений, поясняющие работу узла регулирования, Диаграммы сняты при напряжении питания устройства 220 В, выходном токе 100 мкА и крайнем левом по схеме положении движка резистора R10, соответствующем максимальному выходному напряжению.

диаграммы напряжений, поясняющие работу узла регулирования

На рис. 3, а показано напряжение на конденсаторе С4. имеющее синусоидальную форму. Штриховыми линиями отмечены пороговые напряжения открывания транзисторов VT1. VT2. На рис. 3, б

Недостатком примененного узла регулирования является низкий коэффициент стабилизации (1,5. ..2). Положительной стороной является простота схемного решения и отсутствие необходимости применения вспомогательных цепей питания.

Примененные в устройстве транзисторы КТ872А могут быть заменены на любые другие с аналогичными параметрами. Эти транзисторы устанавливаются без теплоотвода, так как рассеиваемая каждым из них мощность не превышает 200 мВт.

Вместо транзисторов КТ315Г и КТ361Г могут использоваться любые высокочастотные транзисторы соответствующей структуры с коэффициентом передачи тока базы более 50 при токе коллектора 20 мА.

Вместо диодного моста КЦ407А могут использоваться любые выпрямительные диоды с допустимым средневыпрямленным током не менее 100 мА и обратным напряжением не ниже 400 В. Диоды VD5—VD7. VD9 могут быть любыми из серий КД521 или КД522. Вместо импортных диодов 1 N4005 могут использоваться отечественные выпрямительные быстродействующие диоды КД247В—Д. Диодные столбы КЦ106Г могут быть заменены на КЦ106В. Конденсаторы С1 —СЗ могут быть любыми оксидными, но С1 должен быть рассчитан на напряжение не ниже 350В; С4— К73-17 или К73-9 на напряжение 63 В; остальные конденсаторы—высоковольтные К15-5 на напряжение 6,3 кВ. Конденсаторы С5, С6 соединены последовательно для снижения потерь на переменном токе, они должны иметь группу ТКЕ Н20. Конденсаторы С7—С18 могут иметь емкость в пределах 100,. .220 пФ.

Резистор R10—любой переменный с удлиненной регулировочной характеристикой. Резистор R12—г высоковольтный СЗ-5, СЗ-9, СЗ-12, СЗ-Н или КЭВ мощностью 2 Вт.

Остальные резисторы—МЯТ. Трансформатор Т1 намотан на кольце К20 х 12 x 6 из феррита 2QOOHM1. Обмотка I содержит 60 витков; II, II'—по 15 витков; III—3 витка. Все обмотки намотаны проводом ПЭЛШО-0,25. Перед намоткой трансформатора необходимо сточить у кольца острые кромки и обмотать его слоем лакоткани.

Вначале наматывается обмотка I. Ее витки распределяются равномерно по окружности сердечника. Поверх обмотки I наматываются остальные обмотки, причем обмотки II, II' мотаются одновременно в два провода. Дроссели L1, L2 выполнены на базе дросселей ДФ110ПЦ, используемых сетевом фильтре телевизоров 3УСЦТ. Дроссели имеют магнитопровод Ш7 х 7 из феррита 2500НМС1 и двухсекционный каркас. Обмотку с дросселей удаляют и на ее место наматывают новую проводом ПЭЛ ШО-0,25. Каждый дроссель должен содержать 780 витков (по 390 витков в секции).

Обмотка выполняется виток к витку без изоляции между слоями. При намотке необходимо следить, чтобы внешние витки у краев не проваливались внутрь обмотки.

Для выводов от начала обмоток в каркасах перед намоткой необходимо просверлить отверстия диаметром 0,8...1 мм.

Выводы каждой секции обмотки подсоединяются к своим контактам на каркасе (последовательное соединение секций производится печатным проводником на плате).

Сердечники обоих дросселей склеиваются с зазором. Для этого между половинами сердечника вставляется прокладка из плотного картона толщиной 0,4 мм. После сборки дроссели желательно пропитать специальным лаком, используемым для обмоток электродвигателей.

смонтированы на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита

Все узлы блока, за исключением умножителя напряжения, смонтированы на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита, показанной со стороны проводников на рис. 4.

При изготовлении платы необходимо обратить внимание на то, что на ней смонтированы высоковольтные цепи колебательного контура. Для снятия перед монтажом окислов с печатных проводников нельзя пользоваться наждачной бумагой, так как после нее остается проводящая пыль, которая проникает в шероховатости платы и целиком не смывается.

После монтажа с платы необходимо тщательно смыть спиртом или ацетоном остатки канифоли, а после наладки для увеличения электрической прочности плату желательно залить эпоксидной смолой. Умножитель напряжения выполнен навесным монтажом.

При его сборке не стоит стремиться к компактности, желательно его вытянуть в длину на 15...20 см. После сборки умножитель помещается в пенал или трубу подходящего размера из диэлектрического материала и заливается расплавленным парафином, имеющим очень низкую электропроводность (3-10 -- 18Ом-см).

Блок питания, собранный из исправных деталей, начинает работать сразу. Во время наладки устройство желательно питать через разделительный трансформатор, заземлив при этом минусовой вывод сетевого выпрямителя (точка соединения диодного моста VD1 —VD4, конденсатора С1 и резистора R2),

При работе с устройством необходимо помнить, что в нем присутствует опасное напряжение, и принимать необходимые меры предосторожности.

Наладка устройства производится без умножителя напряжения. Вместо него собирается одна ячейка удвоения напряжения (диоды VD21, VD22 и конденсаторы С7, С18) и параллельно конденсатору С18 подключается резистор сопротивлением 12 МОм (четыре последовательно включенных резистора МЛТ-2 сопротивлением 3 МОм).

При первом включении питающее напряжение необходимо увеличивать плавно от нуля (например, при помощи ЛАТР) и осциллографом контролировать форму напряжения на резисторе R2. При этом движок резистора R10 должен находиться в крайнем левом по схеме положении. Важно, чтобы выходное напряжение генератора во всем диапазоне питающих напряжений опережало по фазе ток дросселей L1,12.

При этом форма напряжения на резисторе R2 будет такой, как показано на рис. 3, г. В противном случае она примет вид показанный на рис. 3, д. В этом случае значительно увеличиваются динамические потери энергии в транзисторах VT3: VT4 и может произойти их перегрев. Для устранения этого необходимо увеличить сопротивление резистора R9.

Если это не помогает, необходимо проверить правильность фразировки обмотки I трансформатора Т1. После выполнения этих операций необходимо проконтролировать работоспособность узла регулирования. Для этого на устройство подают напряжение 220 В и, контролируя форму напряжения на резисторе R2, перемещают движок резистора R10 вправо.

При этом должно происходить плавное увеличение длительности отрицательного участка кривой напряжения и уменьшение положительной. После этого контролируют форму напряжения на обмотке I трансформатора Т1 и на выходе генератора.

Эти напряжения должны соответствовать показанным на рис. 3, б и е соответственно. В форме этих напряжений не должно быть вспышек высокочастотных колебаний. Далее, перемещая движок резистора R10, контролируют изменение амплитуды напряжения на конденсаторе С4. Амплитуда этого напряжения, показанная на рис. 3, а, соответствует выходному напряжению блока 45 кВ.

Для получения максимального выходного напряжения можно попробовать в небольших пределах подобрать емкость конденсаторов С5, С6, однако следует иметь ввиду, что при некоторой минимальной величине этой емкости переходный процесс в контуре становится апериодическим. При этом устройство не будет работать вообще. При подборе конденсаторов С5, С6 не стоит бояться сбить частоту настройки контура, так как генератор всегда работает на частоте резонанса. После выполнения всех указанных операций восстанавливают цепи подключения умножителя напряжения.

В заключение можно проконтролировать выходное напряжение устройства в целом. Это можно сделать по методике, изложенной в [3], При измерениях необходимо тщательно изолировать выходные цепи блока.

В ходе экспериментов удалось получить выходное напряжение более 60 кВ. При этом конденсаторы К15-5. примененные в умножителе, длительное время выдерживали постоянное напряжение более 10 кВ (на открытом воздухе при таком напряжении проводит пробой воздушного промежутка между 4-х выводами).

нагрузочная характеристика
зависимость выходного напряжения блока от напряжения питания

На рис. 5 и 6 показаны соответственно нагрузочная характеристика и зависимость выходного напряжения блока от напряжения питания. На каждом графике показаны по две зависимости. соответствующие крайним положениям движка резистора R10 (нижняя кривая — крайнее правое положение, верхняя—крайнее левое). Указанныe зависимости получены экспериментально. При их построении напряжение измерялось на выходе первой ячейки умножителя (на конденсаторе С18), а остальные ячейки были отключены. После измерений полученные результаты были пересчитаны к выходу всего умножителя:

U = U'n; I = l'/n; R = R'n2; где U. I, R—напряжение, ток и сопротивление соответственно на выходе всего умножителя; U', I', R' - напряжение, ток и сопротивление, соответвенно измеренена выходе первой ячейки умножения; n - число ячеек умножения (п=6).

Литература:

  1. И. М. Чиженко. В, С. Руденко. В. И. Сенька Основы преобразовательной техники. —М.:Высшая школа, 1974 с 388—369.
  2. В. Г. Еременко - Расчет транзисторных преобразователей с пропорционально токовым управлением. —Электротехника. 1986, №8. с 7—11.
  3. В. Коровин. Малогабаритный аэроионизатор. — Радио. 2000, №3, С. 29—31.

Изготовление 1-4 слойных печатных плат за $2

Запись вебинара «Микросхемы для защиты цепей питания: ограничители всплесков напряжения и тока, контроллеры горячей замены, идеальные диоды»
Для комментирования материалов с сайта и получения полного доступа к нашему форуму Вам необходимо зарегистрироваться.
Имя