Генератор прямоугольных импульсов. Импульсный генератор для ячейки мэйера Простой генератор высоковольтных импульсов

Генератор импульсных токов (ГИТ) предназначен для первичного преобразования электрической энергии. Включает элек­трическую сеть переменного тока частотой 50 Гц, высоковольтный трансформатор, выпрямитель, токоограничивающее устройство, аппа­ратуру защиты. В ГИТе выделяют зарядный и разрядный контуры, которые связаны между собой батареей конденсаторов. ГИТ, являю­щийся источником питания, связан с технологическим блоком через разрядный контур.

Импульсные генераторы характеризуются следую­щими основными параметрами: напряжением на батарее конденсаторов U, электрической емкостью батареи С, накопленной в конденсаторах энергией W н, энергией в импульсе W 0 частотой следования импульсов υ.

Назначение зарядного контура - заряжание батареи конденсаторов до заданного напряжения. Контур включает токоограничивающее устройство, повышающий трансформаторе и высоковольтный выпрямитель. Для выпрямления зарядного тока применяют селеновые или кремниевые столбы. Высоковольтным трансформатором исходное напряжение питающей сети 380/220 В повышается до (2-70) 10 3 В.

В схеме L - С – D имеем ή 3 > 50 %.

При применении генераторов импульсных токов значительны поте­ри энергии на стадии формирования разряда. Этого недостатка лишена распространенная система, в которой сочетаются генераторы импульсных токов и напряжения (рис. 30). В этой системе пробой формирующего промежутка производится за счет энергии конденсаторной батареи генератора напряжения, что создает токопроводящий канал в основном рабочем промежутке и обеспечивает выделение основной энергии разря­да в разрядном промежутке генератора импульсных токов.

Характерное для такой системы соотношение электрических напряжений и ем­костей составляет: » при где индекс 1 соответствует генератору напряжений, а индекс 2 - генератору токов. Так, к примеру

Энергетические и массогабаритные показатели генератора существенно зависят от высоковольтного трансформатора и выпрямителя. Коэффициент полезного действия зарядно-выпрямительного устройства повышается при применении высоковольтных кремниевых столбов. Выпрямители имеют высокие характеристические показатели - удельный

объем от 0,03 до 0,28 м 3 /кВт и удельную массу 25-151 кг/кВт.

В электроимпульсных установках применяются также единые бло­ки, включающие трансформатор и выпрямитель, что уменьшает основ­ные размеры и упрощает коммутационную сеть.

Импульсные конденсаторы предназначены для накоп­ления электрической энергии. Высоковольтные импульсные конден­саторы должны обладать повышенной удельной энергоемкостью, малой внутренней индуктивностью и малым сопротивлением при больших токах разряда, способностью выдерживать многократные циклы заряд-разряд. Основные технические данные импульсных конденсаторов при­ведены ниже.

Напряжение (номинальное), кВ...................................5-50

Емкость (номинальная), мкФ. . ...................................0,5-800

Частота разряда, число импульсов/мин.......................1-780

Ток разряда, кА...............................................................0,5-300

Энергоемкость, Дж/кг....................................................4,3-30

Ресурс, число импульсов...............................................10 э - 3 10 7

Одной из основных характеристик импульсных конденсаторов, влияющей на размеры батареи и электроимпульсной установки в целом, является показатель удельной объемной энергоемкости

(3.23)

где Е н - накапливаемая энергия; V к - объем конденсатора.

Для существующих конденсаторов ω с = 20 -г 70 кДж/м 3 , что оп­ределяет повышенные размеры накопителей. Так объем батареи для Е н = 100 кДж составляет 1,5-5,0 м 3 . В накопителях установок кон­денсаторы соединяют в батареи, что обеспечивает суммирование их электрической емкости, которая равна 100-8000 мкФ.

Высоковольтные коммутаторы применяются для мгновенного выделения в технологическом узле электрической энергии, накопленной в батарее конденсаторов. Высоковольтные коммутаторы (разрядники)" выполняют две функции: отключают разрядную цепь

от накопителя при его заряжании; мгновенно включают накопитель в цепь нагрузки.

Возможны различные конструктивные схемы разрядников и соот­ветствующие этим схемам типы коммутаторов: воздушные, вакуум­ные, газонаполненные, контактные тарельчатые, игнитронные и тригатронные, с твердым диэлектриком.

Основные требования к коммутаторам следующие - выдерживать высоковольтное рабочее напряжение без пробоя, иметь малую индук­тивность и малое сопротивление, обеспечивать заданную частоту сле­дования импульса тока.

В лабораторных электроимпульсных установках применяются преимущественно разрядники воздушного типа, обеспечивающие ком­мутацию больших энергий при длительном сроке эксплуатации и имею­щие сравнительно простую конструктивную схему (рис. 31).

Разряд­ники этого типа имеют ряд существенных недостатков, ограничиваю­щих их применение: влияние состояния поверхности и состояния ат­мосферного воздуха (запыленности, влажности, давления) на стабиль­ность воспроизводимого импульса; образуются оксиды азота, оказы­вающие воздействие на человека; образуется мощное высокочастот­ное звуковое давление.

В промышленных передвижных установках распространение полу­чили механические тарельчатые коммутаторы (см. рис. 31, а). Разряд­ники этого типа просты по электрической схеме и конструктивному ис­полнению, надежны при транспортировке и работе на участках с пе­ресеченным рельефом, но требуют регулярной очистки поверхности тарельчатых элементов. I

В состав электроимпульсной установки входят также блоки управ­ления импульсным генератором и технологическим процессом, системы защиты и блокировок, вспомогательные системы, обеспечивающие ме­ханизацию и автоматизацию процессов в технологическом узле.

Блок управления включает электрические схемы запуска, блоки­ровки и схему формирования импульса синхронизации.

Система блокировки служит для «мгновенного отключения вы­соковольтного напряжения. Система контроля состоит из вольтметра и киповольтметра, указывающих соответственно напряжение сети и на батарее конденсаторов, из индикаторных ламп, звуковых сигналов, а также частотомера.

Технологический узел

Технологический узел предназначен для преобразования электри­ческой энергии в другие виды энергии и для передачи преобразованной энергии на объект обработки.

Применительно к специфике разрядно-импульсной технологии разрушения горных пород технологический узел включает: рабочую разрядную камеру, рабочий орган в виде элек­тродной системы или электрогидравлического взрывателя, устрой­ство для впуска и выпуска рабочей жидкости и устройство перемеще­ния электродов или взрывающегося проводника (рис. 32). Рабочая разрядная камера заполняется рабочей жидкостью или специальным диэлектрическим составом.

Разрядные (рабочие) камеры делят на открытые и закрытые, заглубленные и поверхностные, стационарные, перемешаю­щиеся и выносные. Камеры могут быть одноразовые и многоразовые; вертикальные, горизонтальные и наклонные. Тип и форма рабочей ка­меры должны обеспечивать максимальное выделение накопленной элек­трической энергии, максимальный к л.д. преобразования этой энергии в механическую, передачу этой энергии на объект обработки или в заданную его зону.

Рабочий технологический орган предназначен для непосредственного преобразования электрической энергии в механичес­кую и для ввода этой энергии в рабочую среду, а через нее - на объект обработки. Тип рабочего органа зависит от используемой в данном тех­нологическом процессе разновидности электрического разряда в жид­кости - при свободном формировании разряда рациональны электрод­ные системы (рис. 33, а); при инициируемом разряде - электрогид­равлический взрыватель с взрывающимся проводником (рис. 33,6).

Рабочий орган испытывает динамические нагрузки, действие элек­тромагнитного поля и ультрафиолетовых излучений, а также влияние рабочей жидкости.

Электродная система применяется при свободном формировании разряда. По конструктивному фактору выделяют стержневые линей­ные и коаксиальные системы. Наиболее просты по исполнению линей­ные (противостоящие или параллельные) системы с сочетаниями форм электродов острие - острие и острие - плоскость. Недостатками ли­нейных систем являются их значительная индуктивность (1-10 мкГн) и ненаправленность действия.

Более совершенны коаксиальные сис­темы, имеющие малую собственную индуктивность и большой к.п.д. преобразования накопленной электрической энергии в энергию плаз­мы. Недостаток коаксиальных систем - их малая надежность и недол­говечность. Электродная система является технологичной и высоко­производительной за счет высокой частоты процесса создания механи­ческих нагружающих усилий.

По числу повторных разрядов выделяют системы разового и мно­гократного действия. Более экономичны и производительны системы многократного действия. Величина энергии, преобразуемой электродной системой, также влияет на конструктивное исполнение и долговечность.

В горной промышленности большее применение получили электродные системы, рассчитанные на с часто­той следования импульсов 1-12 в минуту. При электрическом разря­де из-за тепловых процессов происходит эрозия электродов, интенсив­ность которой зависит от материала электродов и рабочей жидкости, а также от количества энергии, выделяющейся в

канале разряда. Ра­бочая часть электродов изготавливается из стали Ст3 или Ст45; диа­метр выступающей части должен быть более 8 мм при длине не менее 12 мм. В зоне электрода температура плавления железа достигается за 10 -6 с, а температура кипения за 5 10 -6 с.

Вызванное этим интенсивное разрушение электрода сопровождается образованием плазменных струй (паров и жидких капель металла). Ослабленной зоной электрода являет­ся изоляционный слой на границе выхода стержня - токовода и воды.

Основными требованиями к электродной системе являются: высо­кий коэффициент преобразования электрической энергии, высокие

эксплуатационные и технологические показатели, экономически целе­сообразная стойкость. Наибольшую эрозионную стойкость имеют элек­троды из сплава меди, карбида вольфрама и никеля.

Площадь поверхнос­ти катода должна превышать площадь анода в 60-100 раз, что 6 соче­тании с подачей положительного импульса напряжения на анод обес­печит снижение потерь энергии на стадии формирования разряда и по­высит к.п.д. системы. Рациональный материал изоляции - стеклоплас­тик, вакуумная резина, полиэтилен.

Электрогидравлический взрыватель применяет­ся при инициируемом разряде, воспринимает динамические нагрузки, воздействие сильноточных полей и рабочей жидкости, что приводит к разрушению корпуса, изоляции и электрода.

В электрогидравлическом взрывателе положительный электрод изолирован от корпуса; взры­вающийся проводник устанавливается между электродом и заземлен­ным корпусом, выполняющим роль отрицательного электрода.

В за­висимости от решаемых технологических задач применяются проводни­ки из меди, алюминия, вольфрама; размеры проводника в пределах диаметр 0,25-2 мм, длина 60-300 мм. Конструкция электрогидрав­лического взрывателя должна обеспечивать концентрацию энергии в требуемом направлении и формирование цилиндрического по форме фронта ударной волны, а также технологичность операций по установ­ке и замене взрывающегося проводника.

Для выполнения части этих требований необходимо, чтобы корпус электрогидравлического взры­вателя служил жесткой преградой Для распространяющегося фронта волн.

Это обеспечивается применением специальных кумулятивных вые­мок в корпусе взрывателя и определенного сочетания линейных разме­ров корпуса и проводника. Так, диаметр корпуса взрывателя должен в 60 раз и более превышать диаметр взрывающегося проводника.

В последние годы разработаны новые конструктивные схемы и спе­циальные устройства, повышающие эффективность действия рабочих органов, обеспечивающие направленность действия на объект обработ­ки образуемых волн и гидропотока.

К таким устройствам относят пас­сивные отражающие поверхности, электроды со сложной геометрией, генераторы расходящихся волн. Имеются также устройства для протяж­ки взрывающегося проводника, что осложняет конструкцию взрыва­теля, но повышает технологичность процесса.

Для непосредственного преобразования энергии электрического разряда в энергию импуль­са сжатия применяют специальные электровзрывные патроны (рис. 34).

Рабочая жидкость, заполняющая технологический узел, играет весьма существенную роль в процессе электрического разряда. Именно в жидкости воспроизводится разряд с непосредственным пре­образованием электрической энергии в механическую.

В жидкости наб­людается ионизация, а также газовыделение непрореагировавших кис­лорода и водорода (до 0,5 10 -6 м 3 /кДж), жидкость вовлекается в дви­жение распространяющимся фронтом волн, что образует в технологи­ческом узле гидропоток, способный совершать механическую работу.

В качестве рабочей жидкости применяется вода (техническая, мор­ская, дистиллированная) и водные электролиты; углеводородные (ке­росин, глицерин, масло трансформаторное) и силиконовые (полиметилсилоксаны) жидкости, а также специальные диэлектрические, жид­кие и твердые составы. Большее применение получила техническая вода, удельная электрическая проводимость которой составляет (1- 10) См/м.

Электрическая проводимость жидкости существенно влияет на ве­личину энергии, необходимой для формирования разряда, так как оп­ределяет величину пробойного напряжения и скорость движения стри­меров. Минимальная напряженность, при которой возникают стримеры, оценивается в 3,6 10 3 В/мм.

Значения удельной электрической проводимости (См/м) некото­рых жидкостей, применяемых для заполнения технологического узла, приведены ниже.

Техническая вода (водопроводная).........................................................(1-10) 10 -2

Морская вода.............................................................................................1-10

Дистиллированная вода............................................................................4,3 -10 -4

Глицерин.....................................................................................................6,4 10 -6

Видно, что диэлектрические жидкости имеют малую ионную про­водимость. Удельное электрическое сопротивление жидкости (р ж) оп­ределяет также величину электрического к.п.д. и зависит от величины энергии, вводимой в единицу объема рабочей жидкости. Так, для воды параметр р ж уменьшается с увеличением до значений 500-1000 кДж/ ; с дальнейшим возрастанием W 0 параметр р ж стабилизирует­ся в пределах 10-25 Ом-м.

Электрический разряд в жидкости зависит также от плотности ра­бочей жидкости - с увеличением плотности уменьшаются пик перена­пряжений и крутизна спада тока. Чтобы повысить величину напряжения разрядного контура, а соответственно величину напряжения пробоя, следует применять рабочие жидкости с низкой удельной проводимостью (пример - техническую воду).

Применение жидкостей с большей прово­димостью облегчает процесс образования скользящих разрядов; увеличивает потери энергии на стадии формирования канала и снижает амплитуду ударной волны.

В качестве рабочей жидкости используют также вязкие составы (веретенное масло - 70%, алюминиевый порошок - 20%, мел - 10%), что повышает на 20-25 % амплитуду ударной волны и снижает потери энергии.

В качестве диэлектрика применяют также металлизированную диэлектрическую нить и бумажные ленты, пропитанные электролитом. Ввод твердого диэлектрика уменьшает общие затраты энергии на про­бой (в 4-5 раз), снижает требуемое число стримеров (в 4-6 раз) , уменьшает термическую радиацию и ультрафиолетовое излучение. Введение в поток рабочей жидкости твердых частиц токопроводящих добавок применяют взамен взрывающихся проводников.

Задачей расчета являетсяопределение структуры электрической схемы, выбор элементной базы, определение параметров электрической схемы генераторов импульсов.

Исходные данные:

· вид технологического процесса и его характеристики;

· конструктивное использование разрядной цепи;

· характеристики напряжения питания;

· параметры электрического импульса и др.

Последовательность расчета:

Последовательность расчета зависит от структуры электрической схемы генератора, которая состоит полностью или частично из следующих элементов: источник постоянного (переменного) напряжения, автогенератор, выпрямитель, разрядная цепь, высоковольтный трансформатор, нагрузка (рис.2.14).

· расчет преобразователя напряжения (рис. 2.15, а);

· расчет собственно генератора импульсов (рис. 2.16).

2.14. Полная структурная схема генератора импульсов: 1 – источник напряжения; 2 – автогенератор; 3 – выпрямитель; 4 – сглаживающий фильтр; 5 – разрядная цепь с высоковольтным трансформатором; 6 – нагрузка.

Расчет преобразователя (рис. 2.15 а). Напряжение питания U n =12В постоянного тока. Выбираем выходное напряжение преобразователя U 0 = 300В при токе нагрузки J 0 = 0,001 А, выходная мощность P 0 =0,3 Вт, частота f 0 =400Гц.

Выходное напряжение преобразователя выбираем из условий повышения стабильности частоты генератора и для получения хорошей линейности выходных импульсов напряжения, т. е. U n >>U вкл.тир, обычно U n =2U вкл.тир.

Частота выходного напряжения задается из условий оптимальной работоспособности задающего генератора преобразователя напряжения.

Величины Р 0 и U 0 позволяют использовать в схеме генератора динистор VS серии KY102.

В качестве транзистора VT используем МП26Б, для которого предельные режимы следующие: U кбм = 70В, I КМ = 0,4А, I бм = 0,015А, U кбм = 1В.

Сердечник трансформатора предлагаем выполненным из электротехнической стали. Принимаем В М = 0,7Тл, η = 0,75, 25с.

Проверяем пригодность выполняемого трансформатора для работы в схеме преобразователя по условиям:

U кбм ≥2,5U n ; I км ≥1,2I кн; I бм ≥1,2I бн. (2.77)

Ток коллектора транзистора

Ток коллектора максимальный:

Согласно выходным коллекторным характеристикам транзистора МП26Б для данного коллекторного тока β ст =30, поэтому ток насыщения базы

А.

Ток базы:

I бм =1,2·0,003=0,0036А.

Следовательно, транзистор МП26Б по условию (2.78) пригоден для проектируемой схемы.

Сопротивление резисторов в цепи делителя напряжения:

Ом,; (2.79)

Ом.

Принимаем ближайшие стандартные значения сопротивлений резисторов R 1 =13000 Ом, R 2 =110 Ом.

Резистором R в цепи базы транзистора регулируют выходную мощность генератора, его сопротивление принимают 0,5…1 кОм.

Сечение сердечника трансформатора ТV1:

Рис 2.15. Принципиальная электрическая схема генератора импульсов: а – преобразователь;

б – генератор импульсов

Выбираем сердечник Ш8×8, для которого S c =0,52·10 -4 м2 .

Количество витков в обмотках трансформатора TV1:

Вит.; (2.81)

вит.; (2.82)

вит. (2.83)

Емкость конденсатора фильтра VC1:

Диаметр проводов обмоток трансформатора TV1:

Выбираем стандартные диаметры проводов d 1 =0,2 мм, d 2 = мм, d 3 =0,12 мм.

С учетом толщины эмаль изоляции d 1 =0,23 мм, d 2 = 0,08мм, d 3 =0,145 мм.

Рис. 2.16. Расчетная схема генератора импульсов

Расчет генераторов импульсов (рис. 2.16)

Принимаем напряжение на входе генератора равным напряжению на вы­ходе преобразователя U 0 = 300 В. Частота импульсов f =1…2 Гц. Амплитуда на­пряжения импульса не более 10 кВ. Количество электричества в импульсе не более 0,003 Кл. Длительность импульса до 0,1 с.

Выбираем диод VD типа Д226Б (U обр = 400 В, I пр = 0,3 А, U пр = 1 В) и тири­стор типа КН102И (U вкл =150 В, I пр т =0,2 А, U пр =1,5 В, I вкл =0,005 А, I выкл = 0,015 А, τ вкл = 0,5·10 -6 с τ выкл = 40·10 -6 с).

Прямое сопротивление постоянному току диода R д.пр = 3,3 Ом и тиристора R т.пр = 7,5 Ом.

Период повторения импульсов для заданного диапазона частот:

. (2.86)

Сопротивление зарядной цепи R 3 должно быть таким, чтобы

Ом. (2.88)

Тогда R 3 =R 1 +R д.пр =20·10 3 +3,3=20003,3 Ом.

Ток заряда:

А. (2.89)

Резистор R 2 ограничивает ток разряда до безопасной величины. Его сопротивление:

Ом, (2.90)

где U p – напряжение на зарядном конденсаторе VC2 в начале разряда, его величина равна U выкл. При этом должно соблюдаться условие R 1 >>R 2 (20·10 3 >>750).

Сопротивление разрядной цепи:

R p =R 2 R т. пр =750+7,5=757,5 Ом.

Условия устойчивого включения (2.91, 2.92) выполняются.

, , (2.91)

, . (2.92)

Емкость конденсатора VC2:

. (2.93)

Емкость VC2 для частоты f=1 Гц:

Ф

И для частоты 2 Гц:

С 2 =36·10 -6 Ф.

Амплитуда тока в цепи заряда конденсатора VC2

, (2.94)

Амплитуда тока в цепи заряда конденсатора VC2:

, (2.95)

Энергия импульса:

Дж. (2.96)

Максимальное количество электричества в импульсе:

q м =I p τ p =I p R p C 2 =0,064·757,5·72·10 -6 =0,003 Кл (2.97)

не превышает заданное значение.

Рассчитаем параметры выходного трансформатора TV2.

Расчетная мощность трансформатора:

Вт, (2.98)

где η т = 0,7…0,8 – КПД маломощного трансформатора.

Площадь сечения сердечника трансформатора:

Количество витков каждой обмотки трансформатора, приходящееся на

вит/В. (2.100)

Количество витков в обмотках трансформатора TV2:

W 4 =150 N=150·16,7=2505 вит.; (2.101)

W 5 =10000·16,7=167·10 3 вит.

Диаметр проводов в обмотках (2.85):

мм;

мм.

Выбираем стандартные диаметры проводов с эмалированной изоляцией d 4 =0,2 мм, d 5 =0,04 мм.

Пример. Определить напряжение и токи в схеме рис. 2.16.

Дано: U с = 300 В переменного тока 400 Гц, С = 36·10 -6 Ф, R д.пр = 10 Ом, R т.пр =2,3 Ом, L w =50 мГн, R 1 =20 кОм, R 2 =750 Ом.

Напряжение на конденсаторе в момент заряда:

, (2.102)

где τ ст = 2·10 4 ·36·10 -6 =0,72 с.

Полное сопротивление цепи заряда емкости VC2:

Ток заряда равен:

А.

Генераторы импульсов используют во многих радиотехнических устройствах (электронных счетчиках, реле времени), применяют при настройке цифровой техники. Диапазон частот таких генераторов может быть от единиц герц до многих мегагерц. Здесь приводятся простые схемы генераторов, в том числе на элементах цифровой «логики», которые широко используются в более сложных схемах как частотозадающие узлы, переключатели, источники образцовых сигналов и звуков.

На рис. 1 приведена схема генератора, который формирует одиночные импульсы прямоугольной формы при нажатии кнопки S1 (то есть он не является автогенератором, схемы которых приводятся далее). На логических элементах DD1.1 и DD1.2 собран RS-триггер, предотвращающий проникновение импульсов дребезга контактов кнопки на пересчетное устройство. В положении контактов кнопки S1, показанном на схеме, на выходе 1 будет напряжение высокого уровня, на выходе 2 - напряжение низкого уровня; при нажатой кнопке - наоборот. Этот генератор удобно использовать при проверке работоспособности различных счетчиков.

На рис. 2 показана схема простейшего генератора импульсов на электромагнитном реле. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1 и реле срабатывает, отключая источник питания контактами К 1.1. Но реле отпускает не сразу, поскольку некоторое время через его обмотку будет протекать ток за счет энергии, накопленной конденсатором С1. Когда контакты К 1.1 опять замкнутся, снова начнет заряжаться конденсатор - цикл повторяется.

Частота переключении электромагнитного реле зависит от его параметров, а также номиналов конденсатора С1 и резистора R1. При использовании реле РЭС-15 (паспорт РС4.591.004) переключение происходит примерно один раз в секунду. Такой генератор можно использовать, например, для коммутации гирлянд на новогодней елке, для получения других световых эффектов. Его недостаток - необходимость использования конденсатора значительной емкости.

На рис. 3 приведена схема еще одного генератора на электромагнитном реле, принцип работы которого аналогичен предыдущему генератору, но обеспечивает частоту импульсов 1 Гц при емкости конденсатора в 10 раз меньшей. При подаче питания конденсатор С1 заряжается через резистор R1. Спустя некоторое время откроется стабилитрон VD1 и сработает реле К1. Конденсатор начнет разряжаться через резистор R2 и входное сопротивление составного транзистора VT1VT2. Вскоре реле отпустит и начнется новый цикл работы генератора. Включение транзисторов VT1 и VT2 по схеме составного транзистора повышает входное сопротивление каскада. Реле К 1 может быть таким же, как и в предыдущем устройстве. Но можно использовать РЭС-9 (паспорт РС4.524.201) или любое другое реле, срабатывающее при напряжении 15...17 В и токе 20...50 мА.

В генераторе импульсов, схема которого приведена на рис. 4, использованы логические элементы микросхемы DD1 и полевой транзистор VT1. При изменении номиналов конденсатора С1 и резисторов R2 и R3 генерируются импульсы частотой от 0,1 Гц до 1 МГц. Такой широкий диапазон получен благодаря использованию полевого транзистора, что позволило применить резисторы R2 и R3 сопротивлением в несколько мегаом. С помощью этих резисторов можно изменять скважность импульсов: резистор R2 задает длительность напряжения высокого уровня на выходе генератора, а резистор R3 - длительность напряжения низкого уровня. Максимальная емкость конденсатора С1 зависит от его собственного тока утечки. В данном случае она составляет 1...2 мкФ. Сопротивления резисторов R2, R3 - 10...15 МОм. Транзистор VT1 может быть любым из серий КП302, КП303. Микросхема - К155ЛА3, ее питание составляет 5В стабилизированного напряжения. Можно использовать КМОП микросхемы серий К561, К564, К176, питание которых лежит в пределах 3 … 12 В, цоколевка таких микросхем другая и показана в конце статьи.

При наличии микросхемы КМОП (серия К176, К561) можно собрать широкодиапазонный генератор импульсов без применения полевого транзистора. Схема приведена на рис. 5. Для удобства установки частоты емкость конденсатора времязадающей цепи изменяют переключателем S1. Диапазон частот, формируемых генератором, составляет 1...10 000 Гц. Микросхема - К561ЛН2.

Если нужна высокая стабильность генерируемой частоты, то такой генератор можно сделать «кварцованным» - включить кварцевый резонатор на нужную частоту. Ниже показан пример кварцованного генератора на частоту 4,3 МГц:

На рис. 6 представлена схема генератора импульсов с регулируемой скважностью.

Скважность – отношение периода следования импульсов (Т) к их длительности (t):

Скважность импульсов высокого уровня на выходе логического элемента DD1.3, резистором R1 может изменяться от 1 до нескольких тысяч. При этом частота импульсов также незначительно изменяется. Транзистор VT1, работающий в ключевом режиме, усиливает импульсы по мощности.

Генератор, схема которого приведена на рисунке ниже, вырабатывает импульсы как прямоугольной, так и пилообразной формы. Задающий генератор выполнен на логических элементах DD 1.1-DD1.3. На конденсаторе С2 и резисторе R2 собрана дифференцирующая цепь, благодаря которой на выходе логического элемента DD1.5 формируются короткие положительные импульсы (длительностью около 1 мкс). На полевом транзисторе VT2 и переменном резисторе R4 выполнен регулируемый стабилизатор тока. Этот ток заряжает конденсатор С3, и напряжение на нем линейно возрастает. В момент поступления на базу транзистора VT1 короткого положительного импульса транзистор VT1 открывается, разряжая конденсатор СЗ. На его обкладках таким образом формируется пилообразное напряжение. Резистором R4 регулируют ток зарядки конденсатора и, следовательно, крутизну нарастания пилообразного напряжения и его амплитуду. Конденсаторы С1 и СЗ подбирают исходя из требуемой частоты импульсов. Микросхема - К561ЛН2.

Цифровые микросхемы в генераторах взаимозаменяемы в большинстве случаев и можно использовать в одной и той же схеме как микросхемы с элементами «И-НЕ», так и «ИЛИ-НЕ», или же просто инверторы. Вариант таких замен показан на примере рисунка 5, где была использована микросхема с инверторами К561ЛН2. Точно такую схему с сохранением всех параметров можно собрать и на К561ЛА7, и на К561ЛЕ5 (или серий К176, К564, К164), как показано ниже. Нужно только соблюдать цоколевку микросхем, которая во многих случаях даже совпадает.

Схема 1

Генератор был спроектирован для использования в нем минимального количества общедоступных электронных компонентов, с хорошей повторяемостью и достаточной надежностью. Вариант генератора (схема 1) собран на базе широко распространенного шим-контроллера UC3525 (U1), который управляет мостовой схемой на полевых транзисторах Q4-Q7. Если нижние ключи каждого из полумостов, работающих в противофазе, управляются непосредственно выходами микросхемы 11/14 U2, то в качестве драйверов верхнего плеча применены бустрепные каскады на транзисторах Q2, Q3. Такие каскады широко используются в большинстве современных микросхемных драйверов и достаточно хорошо описаны в литературе, посвященной силовой электронике. Входное напряжение переменное или постоянное (~24~220В/30-320В), подающееся на вход диодного моста (или минуя его в случае подачи постоянного напряжения), питает силовую часть схемы. Для предотвращения большого стартового тока в разрыв цепи питания включен термистор Vr1 (5A/5Ohm). Управляющая часть схемы запитана может быть запитана от любого источника с выходным напряжением +15/+25В и током от 0,5А. Параметрический стабилизатор напряжения на транзисторе Q1 может иметь выходное напряжение от +9 до +18В (в зависимости от типа применяемых силовых ключей, например), но в ряде случаев можно обойтись и без этого стабилизатора, если внешний источник питания с необходимыми параметрами уже стабилизирован. Микросхема UC3525 была выбрана не случайно, - способность генерации импульсной последовательности от нескольких десятков герц до 500кГц и достаточно мощные выходы (0,5А). По крайней микросхемы TL494 не смогли функционировать при частоте менее 250Гц в двухтактном режиме (в однотактном - без проблем) - происходил сбой в работе внутренней логики и последовательность импульсов, а так же их длительность становились хаотичными.

Регулировка частоты импульсной последовательности производится переменным резистором R1, регулировка длительности импульсов осуществляется с помощью R4. Начальная длительность "мертвого времени" устанавливается резистором R3.

Схема 2

Генератор, показанный на схеме 2, является полным аналогом предыдущей схемы и практически не имеет схемных отличий. Однако, отечественная микросхема К1156ЕУ2 (полный аналог UC3825), примененная в этом генераторе, способна работать на более высоких частотах (практически до 1МГц), выходные каскады имеют большую нагрузочную способность (до 1,5А). Кроме того, она имеет несущественное различие в цоколевке по сравнению с UC3525. Так, "тактовый" конденсатор соединен с выводом 6 (5 - у микросхемы 3525), времязадающий резистор соединен с выводом 5 (6 - у микросхемы 3525). Если вывод 9 микросхемы UC3525 - это выход усилителя ошибки, то в микросхеме UC3825 этот вывод выполняет функции входа "токового" ограничителя. Впрочем, все подробности - в даташите на эти микросхемы. Стоит отметить, однако, что К1156ЕУ2 менее устойчива в работе частотах мене 200Гц и требует более тщательной компоновки и обязательной блокировки ее цепей питания конденсаторами относительно большой емкости. При игнорировании этих условий, может быть нарушена плавность регулировки длительности импульсов вблизи их временного максимума. Описанная особенность проявлялась, однако, лишь при сборке на макетной плате. После сборки генератора на печатной плате эта проблема не проявлялась.

Обе схемы легко масштабируются по мощности путем применения либо более мощных транзисторов либо путем их параллельного включения (для каждого из ключей), а так же изменением напряжения питания силовых ключей. Все силовые компоненты желательно "посадить" на радиаторы. До мощности 100Вт использовались радиаторы с клейкой основой, предназначенные для установки на микросхемы памяти в видеокартах (выходные ключи и транзистор стабилизатора). В течении получаса работы с частотой 10кГц с максимальной длительностью выходных импульсов, при напряжении питания ключей (использовались транзисторы 31N20) +28В на нагрузку около 100Вт (две последовательно соединенные лампы 12В/50Вт), температура силовых ключей не превышала 35 градусов Цельсия.

Для построения приведенных выше схем использовались готовые схемные решения, мною лишь перепроверенные и дополненные при макетировании. Для схем генераторов были разработаны и изготовлены печатные платы. На рис 1 и рис 2 изображены платы первого варианта схемы генератора, на рис 3, рис 4 - изображения платы для второй схемы.

Обе схемы на момент написания статьи проверялись в работе на частотах от 40Гц до 200кГц с различными активными и индуктивными нагрузками (до 100Вт), при постоянных входных напряжениях питания от 23 до 100В, с выходными транзисторами IRFZ46, IRF1407, IRF3710, IRF540, IRF4427, 31N20, IRF3205. Вместо биполярных транзисторов Q2, Q3 рекомендуется установка (особенно для работы на частотах свыше 1кГц) полевых транзисторов, таких как IRF630, IRF720 и подобных с током от 2А и рабочим напряжением от 350В. В этом случае номинал резистора R7 может варьироваться от 47Ом (свыше 500Гц) до 1к.

Номиналы компонентов указанные через слэш - для частот свыше 1кГц/для частот до 1кГц кроме резисторов R10, R11, не указанных в принципиальной схеме, но для которых есть установочные места на платах, - вместо этих резисторов можно установить перемычки.

Генераторы не требуют настройки и при безошибочном монтаже и исправных компонентах начинают работать сразу после подачи питания на схему управления и выходные транзисторы. Требуемый диапазон частот определяется емкостью конденсатора С1. Номиналы компонентов и позиции для обеих схем - одинаковые.

На рис 5 - собранные платы генераторов.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Магазин	Мой блокнот
R1	Резистор	100 кОм	1			В блокнот
R2	Резистор	3.3 кОм	1			В блокнот
R3	Резистор	22/100	1			В блокнот
R4	Резистор	10 кОм	1			В блокнот
R5	Резистор	33/100	1			В блокнот
R8, R9	Резистор	51/3k3	2			В блокнот
R10, R11	Резистор	0.47	2			В блокнот
C1	Конденсатор	1nF/0.33uF	1			В блокнот
C2	Конденсатор	0.1u	1			В блокнот
C3		1000uFX35V	1			В блокнот
C4	Конденсатор электролитический	100uF/25V	1			В блокнот
C5	Конденсатор электролитический	220uF/25V	1			В блокнот
C6, C7	Конденсатор электролитический	47uF50V	2			В блокнот
C8, C9	Конденсатор	330 мкФ	2			В блокнот
C10, C11	Конденсатор электролитический	120uF/400V	2			В блокнот
D2, D3, D6, D7	Выпрямительный диод	FR207	4			В блокнот
Q2, Q3	Биполярный транзистор

И вот, наконец, дошли руки. После сборок мелких катушек решил замахнуться на новую схему, более серьезную и сложную в настройке и работе. Перейдем от слов к делу. Полная схема выглядит так:

Работает по принципу автогенератора. Прерыватель пинает драйвер UCC27425 и начинается процесс. Драйвер подает импульс на GDT (Gate Drive Transformator - дословно: трансформатор, управляющий затворами) с GDT идут 2 вторичные обмотки включенные в противофазе. Такое включение обеспечивает попеременное открытие транзисторов. Во время открытия транзистор прокачивает ток через себя и конденсатор 4,7 мкФ. В этот момент на катушке образуется разряд, и сигнал идет по ОС в драйвер. Драйвер меняет направление тока в GDT и транзисторы меняются (который был открытым - закрывается, а второй открывается). И этот процесс повторяется до тех пор, пока идет сигнал с прерывателя.

GDT лучше всего мотать на импортном кольце - Epcos N80. Обмотки мотаются в соотношении 1:1:1 или 1:2:2. В среднем порядка 7-8 витков, при желании можно рассчитать. Рассмотрим RD цепочку в затворах силовых транзисторов. Эта цепочка обеспечивает Dead Time (мертвое время). Это время когда оба транзистора закрыты. То есть один транзистор уже закрылся, а второй еще не успел открыться. Принцип такой: через резистор транзистор плавно открывается и через диод быстро разряжается. На осциллограмме выглядит примерно так:

Если не обеспечить dead time то может получиться так, что оба транзистора будут открыты и тогда обеспечен взрыв силовой.

Идем дальше. ОС (обратная связь) выполнена в данном случае в виде ТТ (трансформатора тока). ТТ наматывается на ферритовом кольце марки Epcos N80 не менее 50 витков. Через кольцо продергивается нижний конец вторичной обмотки, который заземляется. Таким образом высокий ток со вторичной обмотки превращается в достаточный потенциал на ТТ. Далее ток с ТТ идет на конденсатор (сглаживает помехи), диоды шоттки (пропускают только один полупериод) и светодиод (выполняет роль стабилитрона и визуализирует генерацию). Чтобы была генерация необходимо также соблюдать фразировку трансформатора. Если нет генерации или очень слабая - нужно просто перевернуть ТТ.

Рассмотрим отдельно прерыватель. С прерывателем конечно я попотел. Собрал штук 5 разных... Одни пучит от ВЧ тока, другие не работают как надо. Далее расскажу про все прерыватели, которые делал. Начну пожалуй с самого первого - на TL494 . Схема стандартная. Возможна независимая регулировка частоты и скважности. Схема ниже может генерировать от 0 до 800-900 Гц, если поставить вместо 1 мкФ конденсатор 4,7 мкФ. Скважность от 0 и до 50. То что нужно! Однако есть одно НО. Этот ШИМ контроллер очень чувствителен к ВЧ току и различным полям от катушки. В общем при подключении к катушке, прерыватель просто не работал, либо все по 0 либо CW режим. Экранирование частично помогло, но не решило проблему полностью.

Следущий прерыватель был собран на UC3843 очень часто встречается в ИИП, особенно АТХ, оттуда, собственно, его и взял. Схема тоже неплохая и не уступает TL494 по параметрам. Здесь возможна регулировка частоты от 0 до 1кГц и скважность от 0 до 100%. Меня это тоже устраивало. Но опять эти наводки с катушки все испортили. Здесь даже экранирование нисколько не помогло. Пришлось отказаться, хотя собрал добротно на плате...

Надумал вернуться к дубовым и надежным, но малофункциональным 555 . Решил начать с burst interrupter. Суть прерывателя заключается в том, что он прерывает сам себя. Одна микросхема (U1) задает частоту, другая (2) длительность, а третья (U3) время работы первых двух. Все бы ничего, если бы не маленькая длительность импульса с U2. Этот прерыватель заточен под DRSSTC и может работать с SSTC но мне это не понравилось- разряды тоненькие, но пушистые. Далее было несколько попыток увеличить длительность, но они не увенчались успехом.

Схемы генераторов на 555

Тогда решил изменить принципиально схему и сделать независимую длительность на конденсаторе, диоде и резисторе. Возможно многие посчитают эту схему абсурдной и глупой, но это работает. Принцип такой: сигнал на драйвер идет до тех пор пока конденсатор не зарядится (с этим думаю никто не поспорит). NE555 генерирует сигнал, он идет через резистор и конденсатор, при этом если сопротивление резистора 0 Ом, то идет только через конденсатор и длительность максимальна (на сколько хватает емкости) не зависимо от скважности генератора. Резистор ограничивает время заряда, т.е. чем больше сопротивление, тем меньшей времени будет идти импульс. На драйвер идет сигнал меньшей длительностью, но тоже частоты. Разряжается конденсатор быстро через резистор (который на массу идет 1к) и диод.

Плюсы и минусы

Плюсы : независимая от частоты регулировка скважности, SSTC никогда не уйдет в CW режим, если подгорит прерыватель.

Минусы : скважность нельзя увеличивать "бесконечно много", как например на UC3843 , она ограничена емкостью конденсатора и скважностью самого генератора (не может быть больше скважности генератора). Ток через конденсатор идет плавно.

На последнее не знаю как драйвер реагирует (плавную зарядку). С одной стороны драйвер также плавно может открывать транзисторы и они будут сильнее греться. С другой стороны UCC27425 - цифровая микросхема. Для нее существует только лог. 0 и лог. 1. Значит пока напряжение выше порогового - UCC работает, как только опустилось ниже минимального - не работает. В этом случае все работает в штатном режиме, и транзисторы открываются полностью.

Перейдем от теории к практике

Собирал генератор Тесла в корпус от АТХ. Конденсатор по питанию 1000 мкф 400в. Диодный мост из того же АТХ на 8А 600В. Перед мостом поставил резистор 10 Вт 4,7 Ом. Это обеспечивает плавный заряд конденсатора. Для питания драйвера поставил трансформатор 220-12В и еще стабилизатор с конденсатором 1800 мкФ.

Диодные мосты прикрутил на радиатор для удобства и для отвода тепла, хотя они почти не греются.

Прерыватель собрал почти навесом, взял кусок текстолита и канцелярским ножом вырезал дорожки.

Силовая была собрана на небольшом радиаторе с вентилятором, позже выяснилось, что этого радиатора вполне достаточно для охлаждения. Драйвер смонтировал над силовой через толстый кусок картона. Ниже фото почти собранной конструкции генератора Тесла, но находящейся на проверке, измерял температуру силовой при различных режимах (видно обычный комнатный термометр, прилепленный к силовой на термопласту).

Тороид катушки собран из гофрированной пластиковой трубы диаметром 50 мм и обклеенным алюминиевым скотчем. Сама вторичная обмотка намотана на 110 мм трубе высотой 20 см проводом 0,22 мм около 1000 витков. Первичная обмотка содержит аж 12 витков, сделал с запасом, дабы уменьшить ток через силовую часть. Делал с 6 витками в начале, результат почти одинаков, но думаю не стОит рисковать транзисторами ради пары лишних сантиметров разряда. Каркасом первички служит обычный цветочный горшок. С начала думал что не будет пробивать если вторичку обмотать скотчем, а первичку поверх скотча. Но увы, пробивало... В горшке конечно тоже пробивало, но здесь скотч помог решить проблему. В общем готовая конструкция выглядит так:

Ну и несколько фоток с разрядом

Теперь вроде бы все.

Ещё несколько советов: не пытайтесь сразу воткнуть в сеть катушку, не факт что она сразу заработает. Постоянно следите за температурой силовой, при перегреве может бабахнуть. Не мотайте слишком высокочастотные вторички, транзисторы 50b60 могут работать максимум на 150 кГц по даташиту, на самом деле немного больше. Проверяйте прерыватели, от них зависит жизнь катушки. Найдите максимальную частоту и скважность, при которой температура силовой стабильная длительное время. Слишком большой тороид может тоже вывести из строя силовую.

Видео работы SSTC

P.S. Транзисторы силовые использовал IRGP50B60PD1PBF. Файлы проекта . Удачи, с вами был [)еНиС !

Обсудить статью ТЕСЛА ГЕНЕРАТОР