Generator de înaltă tensiune.

Generator de înaltă tensiune modular

Prin intermediul acestui articol vă invit în lumea fascinantă a înaltei tensiuni și voi prezenta un generator de înaltă tensiune modular conceput pentru multe experimente interesante

Efectuarea experimentelor cu înaltă tensiune este ceva cu adevărat fascinant, deoarece diferențele de potențial foarte mari (vorbim despre câteva mii de volți) declanșează diverse fenomene în aerul ambiental, de la descărcarea de arcuri electrice până la crearea unei zone luminoase în apropierea conductorilor sau chiar iluminarea aparent inexplicabilă a tuburilor de neon plasate lângă generator. Din păcate, lucrul cu mii de volți nu este același lucru cu manipularea circuitelor de joasă tensiune (5-12V). Acest lucru necesită precauții speciale pentru a evita arsurile și / sau electrocutarea.

 

Proiectul propus în acest articol este destinat celor care sunt fascinați de înalta tensiune și fenomenele produse, cum ar fi descărcări electrice, efect corona , vânt ionic, principiul vârfului și ionizarea aerului.

Acest aparat electronic l-am construit pentru un laborator de fizică și m-am gândit să va pun schema și informațiile la dispoziție pentru a vă familiariza cu tensiunea înaltă și pentru a înțelege efectele sale în mediu. Veți învăța și observa conceptele legate de cantitatea de încărcare, câmpul electric, izolația electrică și asta fără a va asuma riscuri, deoarece puterea care poate fi produsă de acest generator este limitată.

În viața noastră de zi cu zi, tensiunile mari sunt de fapt foarte prezente și apropiate de noi. Sunt sigur că majoritatea dintre voi ați văzut un mic arc electric sau ați simțit o descărcare electrică când v-ați dezbrăcat de o bluza sintetică. Este de ajuns să purtați o pereche de pantofi cu tălpi din cauciuc și să mergeți pe covorul casei iar când atingem cheia ușii vedem un mic arc electric sau simțim o descărcare.

În acest caz, tensiunile pot atinge chiar peste 20 000 V, dar simțim doar o incomoditate sau o ușoară durere atunci când intrăm în contact cu un arc electric, deoarece în ciuda tensiunii înalte, curentul de descărcare este minim, numai de câțiva microamperi.

În cazul fulgerului este mai diferit, deoarece pe lângă tensiuni foarte mari, care poate atinge cu ușurință un milion de volți, descărcarea electrică (curentul) este foarte mare și atinge valori distructive și mortale pentru oameni (câteva sute de amperi). Proiectul pe care vi-l prezint aparține primei categorii, adică poate genera tensiuni mari, dar cu un curent mic.

Înainte de a utiliza dispozitivul vă recomand nepărat să citiți instrucțiunile din căsuța de mai jos, intitulată “precauții”, pentru a evita contactul direct cu înalta tensiune și pentru a nu vă electrocuta. Pe de altă parte, nu recomand utilizarea acestui dispozitiv persoanelor cu insuficiență cardiacă sau care au un stimulator cardiac.

 

Precauții

Pentru a profita la maxim de utilizare circuitului, nu uitați că acesta generează o tensiune foarte mare, de aceea este esențial să acordați cea mai mare atenție următoarelor puncte:

  • Asigurați-vă că nu există substanțe inflamabile în apropierea generatorului, deoarece tranzistorul eliberează căldură și produce arcuri electrice care pot crea flăcări.
  • Nu atingeți cu mâinile goale partea de înaltă tensiune de pe partea secundară a transformatorului, la fel și diodele și / sau condensatoarele. Nu atingeți pinii de ieșire, chiar și după oprirea alimentării, deoarece încărcarea în condensatoare este menținută timp de câteva secunde;
  • După utilizarea circuitului, deconectați sursa de alimentare și descărcați condensatorii scurtând electrozii de ieșire cu o șurubelniță izolată, partea metalică a șurubelniței trebuie să ia contact între cei doi electrozi.
  • În ciuda măsurilor de precauție enumerate, este foarte periculos folosirea circuitului de persoane cu probleme cardiace sau care au un stimulator cardiac. Acești oameni, trebuie să rămână la o distanță sigură, deoarece interferențele de înaltă frecvență datorate prezenței unei tensiuni înalte sau formarea unui arc electric, pot produce efecte imprevizibile asupra unui stimulator cardiac. Evitați acestea!

Schema electrică a generatorului de înaltă tensiune.

generator de ianlta tensiune

Principiul funcționării

Circuitul propus permite generarea unei tensiuni continue foarte înalte pe electrozii de ieșire, iar cu acest montaj putem studia următoarelor fenomene fizice:

arcul electric continuu
efectul corona si producția de ozon
efect de vârf și vânt ionic
ionizarea aerului.

Acest generator de înaltă tensiune este construit in asa fel, încât tensiunea de ieșire să poată fi crescută adăugând mai multe plăci legate in serie.

De la o tensiune joasă de numai 12 V, cu o singura placa puteți depăși 50000 V folosind următoarele trei principii:

  • generarea unei tensiuni extra-impuls pe înfășurarea primară a transformatorului
  • creșterea tensiunii pulsului datorită unui raport de transformare ridicat (raportul numărului de spire dintre înfășurarea secundară și înfășurarea primară) a transformatorului;
  • redreseare și ridicarea tensiunii

Schemă electrică a generatorului de înaltă tensiune are atașat după transformator multiplicator Cockcroft-Walton

 

Pentru a genera tensiunea de impuls de pornire, folosim un circuit oscilator bazat pe un tranzistor IGBT a cărui poartă este susținută de divizorul de tensiune constituit de rezistențele R1 și R2 și de înfășurarea W2 a transformatorului. Acest circuit îndeplinește două funcții: declanșează oscilația și crește tensiunea, apoi îl direcționează spre multiplicatorul care este după W1, bobina secundară a transformatorului.

Transformatorul are o înfășurare primară, care este W3, o înfășurare secundară W1 și o înfășurare de feedback (sau reacție), care este W2.

IGBT-ul pe care l-am folosit este un FGH60N60SMD, al cărui VCE (tensiunea Colector-Emitor) este de 600 V, iar curentul colectorului este de 60 A.

Examinând generatorul de înaltă tensiune, descoperim că aceasta este împărțită în două părți: una care este partea de joasă tensiune, iar cealaltă partea de înaltă tensiune. Aceste două părți sunt cuplate de transformatorul T1. Conectorul CN4 este utilizat pentru alimentarea circuitului cu o tensiune continuă de 12 V.

Conectorul CN1 distribuie alimentarea de 12 V și la alte module pentru a crește tensiunea de ieșire, atunci când conectam ieșirile fiecărei plăci în serie.

Pentru a porni generatorul, butonul SW1 trebuie să fie apăsat. Aceasta are ca efect conectarea oscilatorului la masa (minus) sursei de alimentare.

 

Tensiunea de 12 V alimentează apoi divizorul de tensiune format din R1 și R2, și astfel tensiunea trece prin R1 și prin înfășurarea secundară W2, inițial inertă în raport cu Poarta IGBT-ului. Acesta din urmă intră în conducție (saturație sau blocat) deoarece apare o tensiune pozitivă la poarta față de Emitor și aceasta depășește tensiunea de prag VGE(Th) a IGBT-ului.

Urmează apariția unui curent mare prin înfășurarea W3 a transformatorului, deoarece colectorul este practice egal cu emitorul său.

Imediat ce un curent curge în înfășurarea W3, curenții induși sunt generați în înfășurarea secundară. La capetele lui W1 apare o tensiune foarte mare, care se duce la multiplicatorul de tensiune.

O altă tensiune indusă apare la capetele W2, având în vedere direcția înfășurării în raport cu a W3, un potențial negativ apare la poarta față de emitorul IGBT-ului (T1) și se blochează IGBT-ul.

Când curentul este întrerupt brusc, înfășurarea W3 produce o tensiune inversă de impuls care este anulată de dioda internă a IGBT-ului. Aceasta duce la un impuls scurt de energie mare, ceea ce determină un vârf de tensiune mai mare (de 2000 V) pe infășurarea W1.

Blocarea T1 nu durează mult, deoarece acest impuls induce o altă tensiune pozitivă pe poartă, ceea ce face din nou ca IGBT-ul sa intre în conducție prin pornirea unui alt ciclu.

Aceasta creează un fenomen ciclic la o frecvență mai mult sau mai puțin constantă, ușor modificată de deriva termică și care depinde de tensiunea de alimentare. Frecvența poate varia între 10 kHz și 30 kHz, în funcție de modul în care este construit circuitul.

forma de unda

Tensiunea la capetele înfășurării secundare este alternativa (mai sus aveti forma de undă a tensiunii la capetele înfășurării W1) și este redresata și marita de celulele multiplicatoare de tip Cockcroft-Walton.

Ansamblul cuprinde 8 celule (sau etape). În fiecare celulă, condensatorul se încărcă în timpul alternanței negative (jumătatea de perioadă negativă) la amplitudinea maximă a tensiunii alternative (Peak-to-peak).

 

Tensiunea de ieșire este egală cu tensiunea de intrare AC la care se adaugă tensiunea constantă a condensatorului iar tensiunea maximă de ieșire devine astfel 2 V Peak-to-peak.

Tensiunea de ieșire este continuă, dar oscilează puternic datorita tensiunii altenative de alimentare.

Pentru a rezuma, putem spune că prin diode și condensatoare, sarcina este prinsă și transferată la următoarea celulă prin adăugarea tensiunii de pe fiecare condensator anterior.

Fiecare celulă este formată din două condensatoare și patru diode. De fapt două diode ar fi suficiente, dar aici sunt folosite 4, deoarece se găsesc mai greu diode la tensiuni mari.

Folosim două diode în serie (în fiecare celulă) care trebuie să reziste la o tensiune destul de ridicată, și aici este necesară utilizarea modelelor de diode și a condensatoarelor de înaltă tensiune. Bornele CN2 și CN3 sunt conectate la bornele de ieșire de înaltă tensiune.

Puteți conecta diferite tipuri de electrozi în funcție de fenomenul pe care doriți să îl observați, respectând polaritatea „HV +” pentru terminalul pozitiv și „HV-” pentru terminalul negativ.

Diodele D1 până la D32 și condensatoarele C1 până la C16 constituie cele 8 celule multiplicatoare ale generatorului Cockcroft-Walton. Diodele au fost dublate (2 în serie în fiecare celulă) în comparație cu un generator obișnuit pentru a permite utilizarea diodelor a căror tensiune inversă este de 4 KV. Acestea sunt mai ușor de găsit în comerț și au o cădere de tensiune directă mai mică.

Condensatorul C17 face posibilă setarea unei referințe în raport cu masa pentru partea de înaltă tensiune.

Jumperul P1, dacă este introdus, permite ocolirea butonului SW1. Generatorul se aprinde imediat ce se aplică tensiunea de alimentare de 12 V, fără a fi necesar să apăsați butonul SW1.

Pe placa sunt puncte de control, pentru a măsura tensiunea în punctele intermediare ale multiplicatorului, ceea ce face posibilă detectarea unor posibile defecțiuni.

Dioda Zener DZ1 protejează Poarta tranzistorului IGBT împotriva supratensiunilor. Rezistențele R1 și R2 polarizează Poarta la aproximativ 9 V pentru pornirea tranzistorului.

 

Realizare practică

Pentru a construi generatorul trebuie mai intai realizat cablajul imprimat. Puteți descărca cablajul de aici.

Pentru a asigura o bună izolare, este necesar să se efectueze tăieturile pe cablajul imprimat ca in fotografie, astfel încât să separe zona de înaltă tensiune de restul circuitului.

cablaj

Acest lucru va preveni apariția arcurilor electrice între piese.

Montați tranzistorul IGBT pe un radiator cu o rezistență termică de 14 C/W fixându-l cu un șurub M3 cu o piuliță. Partea sa metalică, trebuie poziționată spre interiorul ansamblului (inscripțiile de pe tranzistor trebuie să fie orientate spre exteriorul cablajului imprimat).

Transformatorul TF1 trebuie realizat pe un miez de ferită RM10 de tip N87, cu un coeficient AL = 4,2 μH. Transformatorul se gaseste de cumparat la tme.eu.
Miez de ferita
Carcasa
Suport prindere

 

transformator de ferita

În primul rând se bobineaza înfășurarea W1 constând din 100 de spire de sârmă de cupru emailată cu un diametru de 0,315 mm, bobinăm în sensul acelor de ceasornic. Apoi, trageți capetele sârmei și lipiți începutul înfășurării pe pinul 1 al carcasei transformatorului și sfârșitul înfășurării pe pinul 3. Acoperiți înfășurarea se acoperă cu un strat de bandă izolatoare

Apoi începeți bobinarea înfășurării W2 folosind sârmă de cupru emailată cu diametrul de 0,75 mm. Înfășurarea W2 constă din 4 spire înfășurate în sensul acelor de ceasornic. Îndepărtați capetele firului de cupru emailat și lipiți începutul înfășurării W2 la pinul 9 al carcasei transformatorului și capătul înfășurării la pinul 7.

În sfârșit, trebuie făcută înfășurarea W3. Este format din 5 spire de sârmă de cupru emailată cu diametrul de 1 mm înfășurat în sensul acelor de ceasornic.

Trageți capetele firului de cupru emailat și lipiți începutul înfășurării W3 la pinul 10 al corpului transformatorului și capătul înfășurării la pinul 12.

Dupa ce ati terminat de bobinat, puteti introduce carcasa in miezul de ferita.

 

Placa de circuit imprimat este potrivită și pentru utilizarea cu transformatoare toroidale. Puteți testa si diferite tipuri de transformatoare si numărul de înfășurări, respectând polaritatea înfășurărilor.

Polaritatea este esențială deoarece înfășurarea primară trebuie să inducă în înfășurarea de feedback secundară (pinii 7 și 9) o tensiune de polaritate astfel încât să declanșeze oscilația

În concluzie, atunci când IGBT conduce curentul, pinul 9 al transformatorului trebuie să ofere un impuls negativ care blochează tranzistorul.

În cele din urmă, introduceți două fire de cupru rigide cu o lungime de aproximativ 5 cm lungime și cu diametru 1 mm, la ieșire.

 

Cum se obține un arc electric

Pentru a vă asigura că condensatorii nu sunt încărcați, descărcați-i prin scurtcircuitul electrozilor cu o șurubelniță izolată.

Distanțați electrozii la o distanță de aproximativ 4 mm unul de celălalt.

Circuitul trebuie alimentat, de preferință, cu o sursă de alimentare stabilizată de laborator, care trebuie să furnizeze o tensiune continuă între 10 VCC și 12 VCC și a cărei putere trebuie să fie de cel puțin 40 W (adică 4 A la 12 V).

Nu recomand utilizarea dispozitivelor de alimentare cu priza de 230 V, gen incarcatoare de laptop etc, întrucât, în general, nu au o bună stabilizare a tensiunii de ieșire și, prin urmare, montajul nostru nu va lucra eficient..

Și alimentăm cu 12V prin conectorul CN4

 

Acum, distanțați electrozii aproximativ 10 mm și apăsați butonul.

Observați cum arcul își schimbă forma, intensitatea și frecvența de declanșare, datorită distanței mai mari între electrozi (vezi figura 4).

 

Cum se obține efectul corona

Asigurați-vă că condensatorii nu sunt încărcați, pentru aceasta, descărcați condensatorii scurtând electrozii, așa cum am descris mai sus.

Distanțați electrozii la o distanță de aproximativ 20 mm. La această distanță, tensiunea produsă de generator nu este suficientă pentru a produce un arc electric.

Dacă priviți cu atenție zona din jurul capetelor electrozilor, veți vedea efectul corona reprezentat de o zonă violetă în jurul capetelor și trebuie să auziți un zgomot

efectul corona
 

Efectul corona și producția de ozon

Daca intre doi electrozi ce se afla intr-un mediu gazos avem tensiuni inalte de peste cateva mii de volti atunci se produce un fenomen de ionizare.

Astfel, apar coliziuni între particule și molecule din aer, eliberând cantități foarte mari de sarcini libere în aer. În jurul electrozilor se formează un nor de încărcături, generând un curent electric vizibil cu ochiul liber și emit o lumină violetă cu crăpături.

Acest fenomen se numește „efect corona” sau „efect coroană”. Acestea sunt descărcări electrice parțiale cauzate de ionizarea mediului care înconjoară electrozii. Acest fenomen apare atunci când potențialul electric depășește o „valoare critică” (dar ale cărei condiții nu permit formarea unui arc).

 

Se manifestă prin apariția unor pete albăstrui de linii ușoare sau purpurii sau a unei lungi trasee luminoase care se formează în jurul electrozilor. Coroana negativă apare mai mare decât corona pozitivă, deoarece electronii se pot îndepărta de zona de ionizare și astfel aerul ionizat se poate extinde dincolo.

Efectul corona este un excelent generator de ozon O3. Inelul negativ generează o cantitate mult mai mare decât inelul pozitiv. După câteva secunde de funcționare a generatorului, veți simți un miros înțepător, ca în timpul unei furtuni, datorită tocmai producerii de molecule de ozon.

 

Ridicarea tensiunii de iesire

Pentru cei care doresc să crească tensiunea de ieșire, este posibil să conectați mai multe module în serie. Pentru aceasta, este necesar să se facă conexiunile ca in poza alaturata.

Trebuie acordată o atenție deosebită distanței dintre cele două module”, acestea trebuie distanțate cel puțin 5 cm și montate pe o suprafață de preferință din plastic.

Pentru distribuirea alimentării de 12 V la al doilea modul, conectorul CN1 poate fi utilizat așa cum se arată în imagine.

Va fi necesar să se verifice dacă sursa de alimentare este capabilă să alimenteze cele 2 module, adică va trebui să alimenteze o tensiune de 12 V și un curent de cel puțin 7 A (80 W).

generator de ianlta tensiune
 

Principiul efectului de vârf și al vântului ionic

Intensitatea câmpului electric din apropierea unui conductor este proporțională cu curbura suprafeței sale, fenomen cunoscut sub numele de „efect de vârf”. Dacă conectăm electrodul pozitiv la un corp drept și electrodul negativ la un corp rotunjit, se creează un câmp electric. Acesta este direcționat de electrodul drept, unde liniile de forță sunt mai intense, spre electrodul rotunjit care este capabil să mute sarcini libere de unde are loc ionizarea aerului din apropiere.

Sarcinile sunt accelerate de câmpul electric lovind astfel moleculele neutre ale aerului și, datorită acestei acțiuni de reacție, generează o forță capabilă să miște întregul sistem. Acest fenomen se află la baza propulsiei LIFTER. Această forță este apoi combinată pentru a crea o mișcare reală a particulelor de la electrodul drept la electrodul rotunjit, care este perceput ca un vânt.

Pentru a experimenta cu acest fenomen, se pot realiza doi electrozi așa cum se arată în aceasta poza. Pentru aceasta, este suficient să se utilizeze un șurub pentru vârf și o piuliță pentru suprafața rotunjită. Pentru a vizualiza vântul ionic, puneți o flacără de lumânare plasată între cei doi electrozi si veti observa ca flacăra se apleacă atunci când pornim generatorul sau puteti incerca si cu o bandă de hârtie ușoară

Acordați o atenție deosebită si evitati contactul direct cu piese metalice.

vant ionic
 
 

Ionizarea aerului

Aerul pe care îl respirăm este compus dintr-un amestec de diferite tipuri de gaze, cum ar fi oxigenul, azotul, dioxidul de carbon. Atomii care alcătuiesc molecule din aer pot, din diferite motive, inclusiv din cauza înaltei tensiuni, să-și piardă starea de echilibru în ceea ce privește sarcina electrică și să devină ioni pozitivi dacă își pierd electronii sau ioni negativi dacă dobândesc electroni.

Ionii pozitivi, care predomina în aerul poluat al marilor orașe, nu au un efect bun asupra sănătății noastre și nu favorizează asimilarea oxigenului, fără a menționa că acționează negativ asupra sistemului nervos.

Ionii negativi, pe de altă parte, pot distuge bacterii și pot reduce efectele alergiilor și astmului. În plus, ionii negativi facilitează asimilarea oxigenului.

 

Aerul pe care îl respirăm la mare sau la munte este mai sănătos, deoarece, în special la munte, aerul are o concentrație mare de ioni negativi (mai mult de 1000 pe cm3). Circuitul nostru daca il modificam un pic, poate fi folosit și pentru producerea de ioni negativi.

Dacă inversam polaritatea diodelor D1 pana la D32, adică montam diodele cu catodul lor în partea opusă față cum avem imprimat pe cablaj se creează o zonă cu potențial negativ pe electrozi care sunt capabili atunci a produce electroni către moleculele aerului din mediu pentru a crea ioni negativi.

 

Măsurarea tensiunii înalte

În cazul unui câmp electric uniform și a aerului uscat sub presiune de referință atmosferică (la nivelul mării), rezistența dielectrică a mediului izolant reprezentat de aer este de 3 kV / mm. În funcție de lungimea arcului produs, tensiunea dintre electrozi poate fi determinată empiric.

De exemplu, dacă arcul are o lungime de 15 mm, diferența teoretică de potențial este de 45 kV.

Pentru a măsura înalta tensiune în practică, trebuie să fie fabricat un divizor de tensiune cu un rezistor de 1 gigaohm (Gohm) și un rezistor de 1 megaohm (Mohm) conectat în serie, așa cum se arată în fig. 7.

Rezistențele trebuie să aibă un corp suficient de mare (distanța dintre terminale) pentru a evita arcurile electrice între terminale, deoarece acestea sunt supuse unei diferențe de potențial ridicate. Rezistența de 1 gigaohm trebuie să aibă un corp cu o distanță nu mai mică de 3 cm, pentru rezistența de 1 megaohm, aveți nevoie de un corp nu mai mic de 1 cm.

Setați o distanță între electrozii de cel puțin 20 mm și de la capetele rezistorului de 1 Mohm se poate conecta un multimetru obișnuit (calibrat pe cea mai înaltă gamă de tensiune).

Obțineți un raport de divizare de aproximativ 1000. În acest fel, o tensiune de 1 V citită pe multimetru este egală cu 1000 V între electrozi și încercati să citiți prin imulțirea la 1000. Cu toate acestea, această măsurare poate fi afectată de o eroare deoarece, efectele coroanei și câmpurile electrice puternice ar putea perturba măsurarea multimetrului. În orice caz, asigurați-vă că conexiunile sunt realizate așa cum se arată în figura 7, pentru a evita deteriorarea multimetrului.

În concluzie, din nou, nu uitați să acordați multă atenție în timpul experimentelor, pentru a evita orice risc de electrocutare!

divizor pentru masurare tensiuni inalte

 

Caracteristici tehnice

Tensiune de alimentare 12V DC
Curent 3,4A
Tensiunea maxima generata 45kV
Frecventa oscilator 10 kHz – 30kHz
Putere cosumata 40W

Download cablaj

Componentele necesare

R1 470 ohm 0,5W
R2 470 ohm 0,5W
C1 – C17 2,2nF 7,5KV ceramic
D1 – D32 GP02-40
DZ1 BZX85C12
T1 FGH60N60SMD
TF1 Miez de ferita
Carcasa
Suport prindere
SW1 microswitch
Acum tu urmezi!

Vrei să adaugi ceva, ai sugestii, ai găsit greşeli sau postarea nu mai este actuală? Atunci aștept cu nerăbdare comentariul tău.

Desigur, poți recomanda acest articol. Sunt recunoscător pentru orice sprijin!

Lasă un răspuns

Adresa ta de email nu va fi publicată. Câmpurile obligatorii sunt marcate cu *