Для генерации высокого напряжения с качественной изоляцией между «горячим узлом» и остальной частью схемы вместо высоковольтного трансформатора можно использовать автомобильную катушку зажигания. Номинальное напряжение этих катушек составляет примерно 20 кВ, поэтому они подходят для получения напряжений, близких к этому значению. Зная соотношение витков катушки, можно создать стабильный источник высокого напряжения, используя хорошо контролируемое напряжение на первичной обмотке (Рисунок 1).
 |
|
| Рисунок 1. | Использование автомобильной катушки зажигания позволяет создать генератор испытательного напряжения до 25 кВ для проверки изоляции. |
Источник высокого напряжения – полезное устройство для многих применений, в том числе, для оценки целостность диэлектрического покрытия, нанесенного на металлическую поверхность. Если при этом вы хотите оценить пробивную прочность покрытия, этот источник напряжения должен быть стабильным. Высокое напряжение легко получить с помощью повышающего трансформатора, но возникает серьезная проблема с надежности изоляции. При напряжениях, превышающих несколько киловольт, часто используются специально сконструированные трансформаторы с классической изоляцией, но такие устройства довольно дороги и громоздки.
Основная часть генератора на Рисунке 1 состоит из автоколебательного преобразователя, образованного транзисторами Q1, Q6 и трансформатором T1. В течение первой части цикла преобразования транзистор Q1 насыщен, и энергия накапливается в магнитном поле трансформатора T1. Диод D1 в это время смещен в обратном направлении. Во второй части цикла транзистор Q1 находится в состоянии отсечки, и ток вторичной обмотки трансформатора T1 открывает диод D1. В это время энергия поступает в конденсатор C1 через часть катушки зажигания T2. Этот процесс позволяет отдельными «квантами» постепенно повышать напряжение VC1 на конденсаторе C1. Величина отдельного «кванта» ΔVC1 непостоянна и зависит от начального напряжения VC0, оставшегося от предыдущего цикла, следующим образом:
где
– энергия, запасенная в магнитном поле трансформатора T1 в первом цикле, а ICMAX(Q1) – ток коллектора транзистора Q1 в конце первого цикла. При номиналах компонентов, показанных на Рисунке 1, ΔEC ≈ 0.5 мДж и ICMAX(Q1) ≈ 1 А.
Резисторы R1, R2 и R3 делят напряжение VC1. Когда это пониженное напряжение достигает 2.5 В, в источник опорного напряжения 2.5 В TL431 через резистор R4 начинает втекать ток, из-за чего напряжение на входе запуска ждущего мультивибратора IC2 быстро уменьшается. Выходной импульс микросхемы IC2 останавливает преобразователь примерно на 8 мс; потенциал эмиттера Q6 становится высоким, и транзистор закрывается. Кроме того, нарастающий фронт выходного импульса IC2 открывает тиристор TH1. Тиристор подключает конденсатор C1, заряженный до соответствующего напряжения, непосредственно к первичной обмотке катушки зажигания, и на «горячем» конце катушки возникает высоковольтный импульс. Возникают также затухающие колебания, поскольку катушка зажигания и конденсатор C1 образуют резонансный контур.
При наличии пути между «горячим» концом и землей часть энергии конденсатора рассеивается в электрической дуге, а остальная часть возвращается в конденсатор через диод D2. Когда пути для прохождения тока с этого конца нет, почти вся энергия перекачивается обратно в C1. Такая схема обеспечивает относительно высокий КПД.
Напряжение VHIGH на «горячей» стороне можно рассчитать по следующей формуле:
где NSEC(T2)/NPRI(T2) – коэффициент трансформации катушки зажигания, который в данном случае равен 93. Изменение сопротивления резистора R3 позволяет удобно регулировать напряжение VHIGH. Точность этого напряжения находится в пределах одного «кванта» ΔVC1, умноженного на коэффициент трансформации катушки зажигания T2. Таким образом, для достижения хорошей стабилизации значение ΔVC1 должно быть небольшим. С другой стороны, меньшее значение увеличивает время между соседними импульсами высокого напряжения. В этом случае точность оценки амплитуды высоковольтного импульса будет лучше 0.5% при 25 кВ.
Частота свободных колебаний преобразователя зависит от времени, необходимого для вывода транзистора Q1 из насыщения (первая часть цикла), и времени, за которое ток вторичной обмотки трансформатора T1 упадает до значения, близкого к нулю (вторая часть цикла). Схема не обеспечивает жесткого контроля этой частоты, которая не является критическим параметром конструкции; номиналы компонентов на Рисунке 1 задают частоту, приблизительно равную 6 кГц.
Элементы Q2, D3 и D4 не допускают увеличения напряжения VC1 выше примерно 400 В, что защищает устройство от генерации чрезмерно высоких напряжений. Транзисторы Q3, Q4, Q5 и связанные с ними цепи обеспечивают блокировку преобразователя при слишком низком напряжении питания схемы. Чрезмерно низкий уровень напряжения питания может привести к тому, что амплитуда выходного импульса IC2 окажется слишком малой для срабатывания тиристора, поэтому напряжение VC1 может достичь очень высокого значения, ограниченного только напряжением пробоя тиристора. Это пробивное напряжение является вторым уровнем защиты, но в подобных схемах осторожность никогда не бывает излишней.
Два светодиода отображают состояние источника питания: D5 указывает на нормальный уровень напряжения, а D6 – на слишком низкий его уровень. Ждущий мультивибратор на элементах IC3, Q8 и связанных с ними компонентах служат источником сигнала тревоги, которая отображается мигающим светодиодом D7 при повреждении изоляции или обрыве цепи. Генератор включается простой кнопкой.
При указанных на Рисунке 1 номиналах компонентов схема генерирует импульсы напряжением 25 кВ с частотой повторения порядка 0.2 с. Эта частота зависит от наличия или отсутствия электрической дуги. Поскольку количество энергии, запасаемой в конденсаторе C1, относительно невелико, энергия высоковольтного импульса также невелика, что хорошо с точки зрения безопасности. Обратите внимание, что крайне важно и абсолютно необходимо подключать проверяемый компонент к точке PGND, поскольку иначе существует риск поражения электрическим током.
Купить LM555 на РадиоЛоцман.Цены
