Схема мощного высоковольтного преобразователя напряжения на 2 кВ

Как сделать высоковольтный DC-DC преобразователь своими рука- ми? Посвящается тем, кто в высоком напряжении находит не только минусы, но и плюсы

Высоковольтный преобразователь напряжения предназначен для получения от низковольтного источника высокого напряжения (до десятков тысяч вольт) постоянного или переменного тока.
Основное требование, определяющее принцип работы таких преобразователей – это возможность эффективно передать на выход полезную мощность, обеспечив максимальное значение КПД.

Однотактные преобразователи позволяют с минимальными затратами получать высокие выходные напряжения, но при условии относительно небольшой мощности в нагрузке. Причина – довольно низкий КПД однотактных устройств. Для начала, в качестве примера приведу простейшую схему модуля высоковольтного преобразователя, выпускаемого нашими непритязательными китайскими друзьями.

Рис.1 Простейший высоковольтный преобразователь напряжения

Первичная обмотка находится под вторичной. Она намотана на ферритовом стержне с высокой магнитной проницаемостью и содержит несколько витков 0,8...1 мм провода. Количество витков вторичной обмотки – несколько тысяч. Без нагрузки схема потребляет от источника питания значительный ток (2...3А). Это является следствием затянутых фронтов на затворе транзистора (из-за его большой ёмкости в совокупности с высоким выходным сопротивлением NE555), а также низкой индуктивности первичной обмотки трансформатора. Конечно, при таком трансформаторе никаких 20 000 вольт схема не выдаст, максимум – 3...4 кВ при мощности в несколько ватт.
Вывод – в данном исполнении к покупке и повторению НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ! Однако в случае использования строчного трансформатора для ЭЛТ со встроенной схемой умножителя и резонансного конденсатора в его первичной обмотке всё ж таки удаётся получить искомые 20 кВ. Именно такую схему мы рассмотрели на странице – Ссылка на страницу.

Несколько лучшими мощностными характеристиками будет обладать двухтактный преобразователь, выполненный по схеме симметричного индуктивного мультивибратора. Эта схема на удивление популярна среди шокеростроителей разных мастей и является основой знаменитого "злого шокера" от lamazoid-а, а также множества других разработок по схожим мотивам.
А теперь, давайте, взглянем на схему такого преобразователя с номиналами элементов и замерами потребления тока, проведённых участниками одного из HV форумов: Aleksandr_Sokolov и urez83.

Рис.2 Двухтактный высоковольтный преобразователь напряжения

Главным недостатком подобных схем являются:
1. Высокое потребление тока (и, соответственно, низкий КПД) преобразователя, связанное с продолжительной работой ключевых транзисторов в линейном режиме, а также
2. Неполное использование напряжения источника питания.

Слегка модифицированная версия – драйвер Mazilli ZVS Flyback, подробно описанный нами на странице – ссылка на страницу , хоть и уменьшает указанные недостатки, но далеко не полностью.

Описанный ниже повышающий двухтактный преобразователь выполнен на распространённых цифровых элементах и имеет КПД, превышающий 90%. При этом он эффективно и в полном объёме использует напряжение источника питания, что по сравнению с драйвером Mazilli ZVS Flyback, даёт возможность ощутимо уменьшить количество витков вторичной обмотки трансформатора.

Рис.3 Мощный двухтактный высоковольтный преобразователь напряжения с высоким КПД

Задающий генератор выполнен на элементе DD1.1. Форма его выходного сигнала близка к меандру, а частота 30 кГц устанавливается подбором (при необходимости) номинала конденсатора С1.

Цепочки D1, R3, C3 и D2, R2, C2 – формируют задержку (Dead Time) переключения выходных транзисторов Т5, Т6 (около 4 мкс), гарантирующую, что транзистор одного плеча начнёт открываться только после того, как транзистор другого плеча будет полностью закрыт.

Противофазные сигналы, идущие с выходов DD1.3 и DD1.4, усиливаются по току каскадами Т1, Т2 и Т3, Т4 и далее поступают на затворы мощных выходных транзисторов, имеющих значительные входные ёмкости (около 3000 пФ). Данные каскады необходимы для получения управляющих импульсов с крутыми фронтами, что способствует быстрому переключению транзисторов и, в свою очередь, повышению КПД устройства.

Параметры преобразователя чувствительны к величинам индуктивностей первичных обмоток трансформатора. Оптимальные характеристики соответствуют индуктивностям 20...30 мкГн. При меньших значениях снижается КПД преобразователя, при больших – падает мощность.

При применении указанных на схеме элементов, частоте тактового генератора 30 кГц и индуктивности первичных обмоток 20 мкГн, выходная мощность преобразователя составляет около 300 Вт, а ток потребления без нагрузки – 500 мА. При 30 мкГн потребление снижается до 300 мА.
Мощность преобразователя можно увеличить путём выбора более мощных выходных транзисторов либо путём параллельного включения пар полевиков указанного типа. В этом случае во избежание ухудшения КПД необходимо удвоить номиналы конденсаторов С2, С3.

Конденсатор С8 предназначен для ограничения тока выходных транзисторов при кратковременном коротком замыкании на выходе. При номинале, указанном на схеме, ток транзисторов при КЗ не превысит 30А.

Элементы R5, C4, R7, R8 служат для исключения сквозных токов через выходные транзисторы в момент подачи напряжения.
Если преобразователь планируется использовать в качестве драйвера для получения напряжений в десятки киловольт, то параллельно R7, R8 следует подключить защитные стабилитроны на 15...18 В.

Трансформатор намотан на тороидальном ферритовом сердечнике EPCOS R 29,5×19,0×14,9 №87 с габаритной мощностью 297 Вт. Число витков указано на схеме. Поскольку данный преобразователь может использоваться для формирования широкого диапазона выходных напряжений: от десятков вольт до десятка киловольт, то уделять внимание подробному описанию конструкции трансформатора особого смысла не имеет.
Для высоковольтных целей прекрасно подойдёт и фабричный строчный трансформатор от электронно-лучевых трубок телевизоров, и трансформатор, выполненный на броневом сердечнике. Для меньших напряжений оптимальным выбором будет импульсный трансформатор на ферритовом кольце, методику расчёта которого мы подробно рассмотрели на странице – ссылка на страницу. Важно понимать, что наличие зазора в сердечниках для двухтактных преобразователей не только не приносит пользы, но и вредно из-за снижения его магнитной проницаемости, а соответственно, и индуктивности первичных обмоток, что неизбежно приводит к снижению параметра КПД.

Допустимые напряжения диодов выпрямителя и конденсатора С8 должны в 1,5 раза превышать максимальное выходное напряжение, С9 – как минимум, быть не ниже. Также необходимо следить за тем, чтобы частотный диапазон выпрямительных диодов укладывался в частоту тактового генератора. Если диоды могут работать только до 20 кГц, то и частоту генератора тоже необходимо понизить до этого значения, а индуктивность первичных обмоток рассчитывать исходя из значений 30...40 мкГн.

ВНИМАНИЕ!!! Работа с высоким напряжением крайне опасна для жизни и здоровья организма.
Поэтому Vpayaem.ru настоятельно не рекомендует практиковаться в этой области при отсутствии специальных знаний и соответствующего опыта. Вся информация, размещённая на этой странице, предназначена исключительно для ознакомительных целей – помните об этом, уважаемые господа и барышни, и не говорите, что вас не предупреждали!