Как получить напряжение 200 кВ с помощью умножителя?

Схема диодно-конденсаторного формирователя высокого напряжения

В современных радиоэлектронных устройствах умножители напряжения нашли широкое применение. Причём, если в относительно низковольтных цепях (до нескольких тысяч вольт) абсолютным приоритетом пользуются трансформаторные преобразователи, то для получения напряжений, исчисляемых десятками киловольт, значительно более простым решением будет использование умножителей напряжения. Умножитель напряжения состоит из включённых определенным образом диодов и конденсаторов и представляет собой преобразователь напряжения переменного тока источника в более высокое выходное постоянное напряжение. С основными типами умножителей, а также онлайн калькулятором по их расчёту можно познакомиться на странице – Ссылка на страницу.

Наиболее распространёнными являются умножители напряжения последовательного типа (Рис.1).

Рис.1 Схема 2-х ступенчатого умножителя напряжения последовательного типа

Каждая ступень, состоящая из двух диодов и двух конденсаторов, повышает напряжение в 2 раза. Теоретически количество ступеней (секций) можно увеличивать до бесконечности, практически – с ростом числа секций их вклад в увеличение выходного напряжения довольно быстро уменьшается. Однако словацкий инженер Йозеф Богин не постеснялся увеличить количество ступеней до 8 и получить на выходе 200 киловольт при входном переменном напряжении 8 кВ.
И вот что он пишет на своём сайте http://boginjr.com:

     Умножитель 200 кВ

Умножитель, который я изготовил для своих новых рентгеновских экспериментов – это полуволновой восьмиступенчатый умножитель Кокрофта-Уолтона (или каскад Вилларда), погружённый в масло. Он с запасом обеспечивает выходное напряжение 220 кВ при напряжении питания 10 кВ переменного тока.

Шестнадцать конденсаторов на 2,2 нФ и шестнадцать диодов (HVRL300) на 30 мА (всё с допустимым напряжением 30 киловольт) образуют 8-ступенчатый полуволновой умножитель. Поскольку этот умножитель изначально планировался для рентгеновских экспериментов, мои диоды рассчитаны на ток 30 мА. Однако если вы планируете построить умножитель для долговременного формирования дуги, то вам лучше использовать более мощные диоды.
Схема хорошо читается из рисунка, приведённого ниже:



8-ступенчатый умножитель напряжения последовательного типа

Теоретическое значение выходного напряжения (это означает, что входное напряжение представляет собой синусоиду достаточно высокой частоты, а также не учитывается падение напряжения на диодах) рассчитывается с помощью простого уравнения: Uout = 2 * Uin * sqrt (2) * Nступеней, где 1 ступень состоит из 2 диодов и 2 конденсаторов.

Конечно, всё это устройство должно быть погружено в масло, чтобы предотвратить возникновение дуги и потерь на коронный разряд. На всякий случай я использовал трансформаторное масло. Хотя чистого и обезвоженного растительного или минерального масла также будет вполне достаточно.
В дальнейшем я залил его горячим парафином, так как синтетическое трансформаторное масло было очень агрессивным по отношению к пластику.

На фотографии, приведённой ниже, показана работа умножителя, питаемого прямоугольным переменным током от небольшого однотактного драйвера.



Толстая 8см искра при входном напряжении 3 кВ, 30 ВА, 12 кГц

При нагрузке напряжение питания такого специально созданного маломощного драйвера падает примерно до трех киловольт переменного тока. И это хорошо, поскольку данная разработка не была рассчитана на долговременную работу с дугой.

А вот на следующем рисунке этот умножитель используется в (будущей рентгеновской установке) совместно с двухтактным ZVS драйвером и советским строчным трансформатором переменного тока на 8 кВ.



Искры 28 см (около 200 кВ). Вход – ZVS-драйвер с напряжением 8 кВ

Что касается заземления. Заземление (сетевое заземление / PE / PEN) следует подключить к нижнему выводу HV трансформатора. Только не позволяйте второму (верхнему) выводу трансформатора или высоковольтному выходу умножителя «шипеть» на что-либо проводящее, неподключённое к земле, будь то драйвер ZVS, радиаторы, трансформаторы и так далее. Если это невозможно (например, из-за недостатка места), то полностью экранируйте драйвер и заземлите корпус экрана. В этом случае, даже если HV ударит ваше шасси, с драйвером ничего не случится.

Jozef Bogin, 11.05.2013

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!