Импульсный трансформатор на генераторе прямоугольных импульсов. Импульсные генераторы

Все рассмотренные выше генераторы высокого напряжения имели в качестве накопителя энергии конденсатор. Не меньший интерес представляют устройства, использующие в качестве та­кого элемента индуктивности.

В подавляющем большинстве конструкции подобного рода преобразователей ранних лет содержали механический коммута­тор индуктивности. Недостатки такого схемного решения очевид­ны: это повышенный износ контактных пар, необходимость их периодической чистки и регулировки, высокий уровень помех.

С появлением современных бьютродействующих электрон­ных коммутаторов конструкции преобразователей напряжения с коммутируемым индуктивным накопителем энергии заметно уп­ростились и стали конкурентоспособными.

Основой одного из наиболее простых вьюоковольтных ге­нераторов (рис. 12.1) является индуктивный накопитель энер­гии .

Рис. 12.1. Электрическая схема высоковольтного генератора на основе индуктивного накопителя энергии

Генератор прямоугольных импульсов собран на микросхеме 555 {КР1006ВИ1). Параметры импульсов регулируются потенцио­метрами R2 и R3. Частота импульсов управления также зависит от емкости времязадающего конденсатора 01. Импульсы с выхода генератора подаются через резистор R5 на базу ключевого (ком­мутирующего) элемента - мощного транзистора VT1.

Этот транзистор в соответствии с длительностью и частотой следования управляющих импульсов коммутирует первичную об­мотку трансформатора Т1.

В итоге на выходе преобразователя формируются импульсы вьюокого напряжения. Для защиты транзистора VT1 {2N3055 - КТ819ГМ) от пробоя желательно параллельно переходу эмит­тер - коллектор подключить диод, например, типа КД226 (като­дом к коллектору).

Высоковольтный генератор (рис. 12.2), разработанный в Болгарии, также содержит задающий генератор прямоугольных импульсов на микросхеме 555 {К1006ВИ1). Частота импульсов плавно регулируется резистором R2 от 85 до 100 Гц. Эти им­пульсы через RC-цепочки поступают на ключевью элементы на транзисторах VT1 и VT2. Стабилитроны VD3 и VD4 защища­ют транзисторы от повреждения при работе на индуктивную нагрузку.

Рис. 12.2. Схема генератора высокого напряжения на основе ин­дуктивного накопителя энергии

Генератор вьюокого напряжения (рис. 12.2) может быть ис­пользован как самостоятельно - для получения вьюокого напря­жения (обычно до 1…2 кВ), либо как промежуточная ступень «накачки» других преобразователей.

Транзисторы BD139 можно заменить на КТ943В.

В качестве ключевых элементов преобразователей с ин­дуктивным накопителем энергии долгие годы использовали мощные биполярные транзисторы. Их недостатки очевидны: до­вольно высоки остаточные напряжения на открытом ключе, как следствие, потери энергии, перегрев транзисторов.

По мере совершенствования полевых транзисторов послед­ние начали оттеснять биполярнью транзисторы в схемах источни­ков питания, преобразователях напряжения.

Для современных мощных полевых транзисторов сопротив­ление открытого ключа может достигать десятью…сотью доли Ома, а рабочее напряжение достигать 1 …2 кВ.

На рис. 12.3 приведена электрическая схема преобразова­теля напряжения, выходной каскад которого выполнен на полевом транзисторе MOSFET. Для согласования генератора с полевым транзистором включен биполярный транзистор с большим коэф­фициентом передачи.

Электрическая схема генератора высоковольтных им­пульсов с ключевым полевым транзистором

Задающий генератор собран на /СМО/7-микросхеме CD4049 по типовой схеме. Как сами выходные каскады, так и каскады формирования управляющих сигналов, показанные на рис. 12.1 - 12.3 и далее, взаимозаменяемы и могут быть использованы в лю­бом сочетании.

Выходной каскад генератора вьюокого напряжения системы электронного зажигания конструкции П. Брянцева (рис. 12.4) вы­полнен на современной отечественной элементной базе .

При подаче на вход схемы управляющих импульсов транзи­сторы VT1 и VT2 кратковременно открываются. В результате ка­тушка индуктивности кратковременно подключается к источнику

Рис. 12.4. Схема выходного каскада генератора высокого напря­жения П. Брянцева на составном транзисторе

Рис. 12.5. Электрическая схема генератора высокого напряжения с задающим генератором на основе триггеров Шмитта

питания. Конденсатор С2 сглаживает пик импульса напряжения. Резистивный делитель (R3 и R5) ограничивает и стабилизирует максимальное напряжение на коллекторе транзистора VT2.

В качестве трансформатора Т1 использована катушка зажи­гания Б115. Ее основные параметры: Ri=1,6 Ом, \

Следующие две схемы вьюоковольтных генераторов нап­ряжения с использованием индуктивных накопителей энергии (рис. 12.5, 12.6) разработал Andres Estaban de la Plaza .

Первое из устройств содержит задающий генератор прямоугольных импульсов, промежуточный и выходной каскад, вьюоковольтный трансформатор.

Электрическая схема генератора высокого напряжения с задающим генератором на основе операционного усилителя

Задающий генератор выполнен на основе триггера Шмитта (КМО/7-микросхема типа 4093). Использование триггера Шмитта вместо логических элементов НЕ (см. например, рис. 12.3) позво­ляет получить импульсы с более крутыми фронтами, и, следова­тельно, снизить потери энергии на ключевых элементах.

Согласование КМО/7-элементов с силовым транзистором VT2 осуществляется предусилителем на транзисторе VT1. Вы­ходной трансформатор Т1 коммутируется силовым биполярным транзистором VT2. Этот транзистор установлен на теплоотводя-щей пластине.

Частота импульсов генератора ступенчато изменяется пе­реключателем SA1. Соотношение между длительностью импуль­са и паузой и частоту следования импульсов плавно регулируют потенциометрами R1 и R2.

Переключателем SA2 включают/отключают резистор R6, включенный последовательно с первичной обмоткой повышаю­щего трансформатора. Тем самым ступенчато регулируют выход­ную мощность преобразователя.

Рабочая частота генератора в его пяти поддиапазонах ре­гулируется в пределах 0,6…8,5 кГц; 1,5…20 кГц; 5,3…66 кГц; A3…МО кГц; 43…>200 кГц.

Первичная обмотка трансформатора Т1, намотанная на сердечнике от трансформатора строчной развертки, имеет 40 витков диаметром 1,0 мм. Выходное напряжение преобразовате­ля на частотах ниже 5 кГц составляет 20 кВ, в области частот 50…70 кГц выходное напряжение снижается до 5… 10 /св.

Выходная мощность высокочастотного сигнала устройства может доходить до 30 Вт. В этой связи при использовании данной конструкции, например, для газоразрядной фотосъемки необхо­димо принять особые меры по ограничению выходного тока.

Вьюоковольтный генератор, рис. 12.6 , имеет более сложную конструкцию.

Его задающий генератор выполнен на операционном уси­лителе DA1 {СА3140), Для питания задающего генератора и бу­ферного каскада (микросхема DDI типа 4049) используется стабилизатор напряжения на 12 S на интегральной микросхеме DA2 типа 7812.

Предоконечный каскад на комплиментарных транзисторах VT1 и VT2 обеспечивает работу оконечного - на мощном транзи­сторе VT3.

Соотношение длительность/пауза регулируют потенциомет­ром R7, а частоту импульсов - потенциометром R4.

Частоту генерации можно изменять ступенчато - переклю­чением емкости конденсатора С1. Начальная частота генерации близка к 20 кГц.

Первичная обмотка доработанного трансформатора строч­ной развертки имеет 5… 10 витков, ее индуктивность примерно 0,5 мГн. Защита выходного транзистора от перенапряжения осуществляется включением варистора R9 параллельно этой обмотке.

Транзистор 2N2222 можно заменить на КТ3117А, КТ645; 2N3055 - на КТ819ГМ; BD135 - на КТ943А, BD136 - на КТ626А, диоды 1N4148 - на КД521, КД503 и др. Микросхему DA2 можно заменить отечественным аналогом - КР142ЕН8Б{Д); DDI - К561ТЛ1.

Следующим видом генераторов вьюоковольтного напряже­ния являются автогенераторнью преобразователи напряжения с индуктивной обратной связью.

Импульсный преобразователь с самовозбуждением выра­батывает пакеты высокочастотных высоковольтных колебаний (рис. 12.7) .

Рис. 12.7. Электрическая схема импульсного преобразователя напряжения с самовозбуждением

Автогенератор импульсов высокого напряжения на транзи­сторе VT1 получает*сигнал обратной связи с трансформатора Т1 и в качестве нагрузки имеет катушку зажигания Т2. Частота гене­рации - около 150 Гц. Конденсаторы С*, С2 и резистор R4 опре­деляют режим работы генератора.

Трансформатор Т1 выполнен на магнитопроводе Ш 14×18. Обмотка I состоит из 18 витков провода ПЭВ-2 0,85 мм, намотан­ных в два провода, а II - из 72 витков провода ПЭЛШО 0,3 мм.

Стабилитрон VD2 укреплен в центре дюралюминиевого ра­диатора размерами 40x40x4 мм. Этот стабилитрон можно заме­нить цепочкой мощных стабилитронов с суммарным напряжением стабилизации 150 В. Транзистор VT1 также установлен на радиа­торе размерами 50x50x4 мм.

Резонансный преобразователь напряжения с самовозбуж­дением описан в работе Е. В. Крылова (рис. 12.8). Он выполнен на высокочастотном мощном транзисторе VT1 типа КТ909А .

Трансформатор преобразователя выполнен на фторопла­стовом каркасе диаметром 12 мм с использованием ферритового стержня 150ВЧ размером 10×120 мм. Катушка L1 содержит 50 витков, L2 - 35 витков провода ЛЭШО 7×0,07 мм. Катушки низко­вольтной половины устройства имеют по одному витку провода во

Рис. 12.8. Схема резонансного высоковольтного генератора с трансформаторной обратной связью

фторопластовой (политетрафторэтиленовой) изоляции. Они на­мотаны поверх катушки L2.

Выходное напряжение преобразователя составляет 1,5 кВ (максимальное - 2,5 кВ). Частота преобразования - 2,5 МГц. Потребляемая мощность - 5 Вт. Выходное напряжение устройст­ва изменяется от 50 до 100% при увеличении напряжения питания с 8 до 24 В.

Конденсатором переменной емкости 04 трансформатор настраивают на резонансную частоту. Резистором R2 устанавли­вают рабочую точку транзистора, регулируют уровень положи­тельной обратной связи и форму генерируемых сигналов.

Преобразователь безопасен в работе - при низкоомной на­грузке вьюокочастотная генерация срывается.

Следующая схема вьюоковольтного источника импульсно­го напряжения с двухкаскадным преобразованием показана на рис. 12.9 . Электрическая схема его первого каскада доста­точно традиционна и практически не отличается от рассмотрен­ных ранее конструкций.

Отличие устройства (рис. 12.9) заключается в использова­нии второго каскада повышения напряжения на трансформаторе. Это заметно повышает надежность устройства, упрощает конст­рукцию трансформаторов и обеспечивает эффективную изоля­цию между входом и выходом устройства.

Трансформатор Т1 выполнен на Ш-образном сердечнике из трансформаторной стали. Сечение сердечника составляет

Рис. 12.9. Схема высоковольтного преобразователя с трансфор­маторной обратной связью и двойным трансформатор­ным преобразованием напряжения

16×16 мм. Коллекторные обмотки I имеют 2×60 витков провода диаметром 1,0 мм.

Катушки обратной связи II содержат 2×14 витков провода диаметром 0,7 мм. Повышающая обмотка III трансформатора Т1, намотанная через несколько слоев межслойной изоляции, имеет 20… 130 витков провода диаметром 1,0 мм. В качестве выходного (вьюоковольтного) трансформатора использована катушка зажи­гания автомобиля на 12 или 6 В.

К генераторам вьюокого напряжения с индуктивными нако­пителями энергии следует отнести и устройства, рассмотреннью ниже.

Для получения вьюоковольтных наносекундных импульсов В. С. Белкиным и Г. И. Шульженко была разработана схема формирователя на дрейфовых диодах и насыщающейся индуктивностью с однотактным преобразователем, синхронизи­рованным с формирователем, а также показана возможность со­вмещения функций ключа формирователя и преобразователя.

Схема преобразователя, синхронизированного с формиро­вателем, приведена на рис. 12.10; вариант схемы формирователя с раздельными ключевыми элементами приведен на рис. 12.11, а временные диаграммы, характеризующие работу отдельных уз­лов схемы формирователя, - на рис. 12.12.

Задающий генератор прямоугольных импульсов (рис. 12.10) вырабатывает импульсы, отпирающие транзисторный ключ VT1

Рис. 12.10. Схема формирователя высоковольтных импульсов с общим ключом для преобразователя и формирователя

Рис. 12.11. Фрагмент схемы формирователя высоковольтных им­пульсов с раздельными ключами

Рис. 12.12. Временная диаграмма работы преобразователя

на время 1н и запирающие на время \^ (рис. 12.12). Их сумма опре­деляет период повторения импульсов. За время через дроссель L1 протекает ток I„. После запирания транзистора ток через диод VD1 заряжает накопительную емкость формирователя С1 до напряжения и^, диод VD1 закрывается и отсекает конденсатор С1 от источника питания.

В таблице 12.1 приведены данные по возможному исполь­зованию полупроводниковых приборов в формирователе вы­соковольтных импульсов. Амплитуда формируемых импульсов приведена для низкоомной нагрузки величиной 50 Ом.

Таблица 12.1. Выбор элементов для формирователей высоковольтных импульсов

Длительность им­пульса, НС	Амплитуда генерируемого импульса, В
	КД204, КД226 {КТ858, КТ862)
		ДЛ112-25{КТ847)	ДЛ122-40 {КП953)
		КД213 {КТ847)	ДЛ132-80 {КП953)

Формирователи двухполярных импульсов на основе серий­ных диодов имеют амплитуду каждой полуволны 0,2… 1 кВ для согласованной нагрузки 50…75 Ом при полной длительности им­пульса 4…30 НС и частоте повторения до 20 кГц.

Генераторы импульсов предназначены для получения импульсов определенной формы и длительности. Они используются во многих схемах и устройствах. А также их используют в измерительной техники для наладки и ремонта различных цифровых устройств. Прямоугольные импульсы отлично подойдут для проверки работоспособности цифровых схем, а треугольной формы могут пригодиться для свип-генераторов или генераторов качающейся частоты.

Генератор формирует одиночный импульс прямоугольной формы по нажатию на кнопку. Схема собрана на логических элементах в основе которой обычный RS-триггер, благодаря ему также исключается возможность проникновения импульсов дребезга контактов кнопки на счетчик.

В положении контактов кнопки, как показано на схеме, на первом выходе будет присутствовать напряжение высокого уровня, а на втором выходе низкого уровня или логического нуля при нажатой кнопке состояние триггера поменяется на противоположное. Этот генератор отлично подойдет для проверки работы различных счетчиков

В этой схемы формируется одиночный импульс, длительность которого не зависит от длительности входного импульса. Используется такой генератор в самых разнообразных вариантах: для имитации входных сигналов цифровых устройств, при проверке работоспособности схем на основе цифровых микросхем, необходимости подачи на какое-то тестируемое устройство определенного числа импульсов с визуальным контролем процессов и т. д

Как только включают питание схемы конденсатор С1 начинает заряжается и реле срабатывает, размыкая своими фронтовыми контактами цепь источника питания, но реле отключится не сразу, а с задержкой, так как через его обмотку будет протекать ток разряда конденсатора С1. Когда тыловые контакты реле опять замкнутся, начнется новый цикл. Частота переключении электромагнитного реле зависит от емкости конденсатора С1 и резистора R1.

Использовать можно почти любое реле, я взял . Такой генератор можно использовать, например, для переключения елочных гирлянд и других эффектов. Минусом данной схемы является применение конденсатора большой емкости.

Другая схема генератора на реле, с принципом работы аналогичной предыдущей схеме, но в отличии от нее, частота следования равна 1 Гц при меньшей емкости конденсатора. В момент включения генератора конденсатор С1 начинает заряжаться, затем открывается стабилитрон и сработает реле К1. Конденсатор начинает разряжаться через резистор и составной транзистор. Через небольшой промежуток времени реле выключается и начинается новый цикл работы генератора.

В генераторе импульсов, на рисунке А, применены три логических элемента И-НЕ и униполярный транзистор VT1. В зависимости от значений конденсатора С1 и резисторов R2 и R3 на выходе 8 генерируются импульсы с частотой 0,1 - до 1 МГц. Такой огромный диапазон объясняется применению в схеме полевого транзистора, что дало возможность использовать мегаомные резисторы R2 и R3. С помощью их можно менять также менять скважность импульсов: резистором R2 задается длительность высокого уровня, а R3 - длительность напряжения низкого уровня. VT1 можно взять любой из серий КП302, КП303. - К155ЛА3.

Если использовать вместо К155ЛА3 микросхемы КМОП например К561ЛН2 можно сделать широкодиапазонный генератор импульсов без использования в схеме полевого транзистора. Схема этого генератора показана на рисунке В. Для расширения количества генерируемых частот емкость конденсатора времязадающей цепи выбирается переключателем S1. Диапазон частот этого генератора 1ГЦ до 10 кГц.

На последнем рисунке рассмотрена схема генератора импульсов в которой заложена возможность регулировки скважности. Для тех кто забыл, напомним. Скважность импульсов это отношение периода следования (Т) к длительности (t):

Скважность на выходе схемы можно задать от 1 до нескольких тысяч, с помощью резистора R1. Транзистор работающий в ключевом режиме предназначен для усиления импульсов по мощности

Если есть необходимость высокостабильного генератора импульсов, то необходимо использовать кварц на соответствующую частоту.

Схема генератора показанная на рисунке способна вырабатывать импульсы прямоугольной и пилообразной формы. Задающий генератор выполнен на логических элементах DD 1.1-DD1.3 цифровой микросхемы К561ЛН2. Резистор R2 в паре с конденсатором С2 образуют дифференцирующую цепь, которая на выходе DD1.5 генерирует короткие импульсы длительностью 1 мкс. На полевом транзисторе и резисторе R4 собран регулируемый стабилизатор тока. С его выхода течет ток заряжающий конденсатор С3 и напряжение на нем линейно увеличивается. В момент поступления короткого положительного импульса транзистор VT1 открывается, а конденсатор СЗ разряжается. Тем самым формируя пилообразное напряжение на его обкладках. Переменным резистором можно регулировать ток заряда конденсатора и крутизну импульса пилообразного напряжения, а также его амплитуду.

Вариант схемы генератора на двух операционных усилителях

Схема построена с использованием двух ОУ типа LM741. Первый ОУ используется для генерации прямоугольной формы, а второй генерирует треугольную. Схема генератора построена следующим образом:

В первом LM741 на инвертирующий вход с выхода усилителя подключена обратная связь (ОС) выполненная на резисторе R1 и конденсаторе C2, а на неинвертирующий вход также идет ОС, но уже через делитель напряжения, на базе резисторов R2 и R5. Выходной первого ОУ непосредственно связан с инвертирующим входом второго LM741 через сопротивление R4. Этот второй ОУ вместе с R4 и C1 образуют схему интегратора. Его неинвертирующий вход заземлен. На оба ОУ подаются напряжения питания +Vcc и –Vee, как обычно на седьмой и четвертый выводы.

Работает схема следующим образом. Предположим, что первоначально на выходе U1 имеется +Vcc. Тогда емкость С2 начинает заряжаться через резистор R1. В определенный момент времени напряжение на С2 превысит уровень на неинвертирующем входе, что расчитывается по формуле ниже:

V 1 = (R 2 / (R 2 +R 5))× V o = (10 / 20)× V o = 0.5× V o

Выходной сигнал V 1 станет –Vee. Так, конденсатор начинает разряжаться через резистор R1. Когда напряжение на емкости станет меньше напряжения, определяемого формулой, выходной сигнал снова будет + Vcc. Таким образом, цикл повторяется, и благодаря этому генерируются импульсы прямоугольной формы с периодом времени, определяемым RC-цепочкой, состоящей из сопротивления R1 и конденсатора C2. Эти образования прямоугольной формы также являются входными сигналами для схемы интегратора, который преобразует их в треугольную форму. Когда выход ОУ U1 равен +Vcc, емкость С1 заряжается до максимального уровня и дает положительный, восходящий склон треугольника на выходе ОУ U2. И, соответственно, если на выходе первого ОУ имеется –Vee, то будет формироваться отрицательный, нисходящий склон. Т.е, мы получаем треугольную волну на выходе второго ОУ.

Генератор импульсов на первой схеме построен на микросхеме TL494 отлично подходит для наладки любых электронных схем. Особенность этой схемы заключается в том, что амплитуда выходных импульсов может быть равна напряжению питания схемы, а микросхема способна работать вплоть до 41 В, ведь не просто так ее можно найти в блоках питания персональных компьютеров.

Разводку печатной платы вы можете скачать по ссылке выше.

Частоту следования импульсов можно изменят переключателем S2 и переменным резистором RV1, для регулировки скважности используется резистор RV2. Переключатель SA1 предназначен для изменения режимы работы генератора с синфазного на противофазный. Резистор R3 должен перекрывать диапазон частот, а диапазон регулировки скважности регулируется подбором R1, R2

Конденсаторы С1-4 от 1000 пФ до 10 мкФ. Транзисторы любые высокочастотные КТ972

Подборка схем и конструкций генераторов прямоугольных импульсов. Амплитуда генерируемого сигнала в таких генераторах очень стабильна и близка к напряжению питания. Но форма колебаний весьма далека от синусоидальной - сигнал получается импульсным, причем длительность импульсов и пауз между ними легко регулируется. Импульсам легко придать вид меандра, когда длительность импульса равна длительности паузы между ними

Формирует мощные короткие одиночные импульсы, которые устанавливают на входе или выходе любого цифрового элемента логический уровень, противоположный имеющемуся. Длительность импульса выбрана такой, чтобы не вывести из строя элемент, выход которого подключен к испытуемому входу. Это дает возможность не нарушать электрической связи испытуемого элемента с остальными.

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.

В данной статье поговорим про импульсный генератор для ячейки Мэйера.

Изучая элементную базу электронных плат, на которых были собраны все устройства входящие в состав сложной установки, применяемой Мэйером в водородном генераторе, установленном им на автомобиль, я собрал «главную часть» устройства – импульсный генератор.

Все электронные платы выполняют в Ячейке определённые задачи.

Электронная часть мобильной установки генератора водорода Мэйера состоит из двух полноценных устройств, оформленных в виде двух независимых блоков. Это блок управления и контроля ячейки, вырабатывающей кислородно-водородную смесь и блок управления и контроля за подачей этой смеси в цилиндры двигателя внутреннего сгорания. Фотография первого представлена ниже.

Блок управления и контроля за работой ячейки состоит из устройства вторичного питания обеспечивающего все платы модуля энергией и одиннадцати модулей – плат, состоящих из генераторов импульсов, схем контроля и управления. В этом же блоке, за платами импульсных генераторов находятся импульсные трансформаторы. Один из одиннадцати комплектов: плата импульсного генератора и импульсного трансформатора используется конкретно только для одной пары трубок Ячейки. А поскольку пар трубок одиннадцать, то и генераторов тоже одиннадцать.

.

Судя по фотографиям, импульсный генератор собран на простейшей элементной базе цифровых логических элементов. Принципиальные схемы, публикуемые на различных сайтах, посвящённых Ячейке Мэйера, по принципу работы не так далеки от её оригинала, за исключением одного – они упрощены и работают бесконтрольно. Другими словами, импульсы подаются на трубки-электроды до той поры, пока не наступит «пауза», которую по своему усмотрению оперативно с помощью регулировки устанавливает конструктор схемы. У Мэйера «пауза» формируется только тогда, когда сама Ячейка, состоящая из двух трубок, сообщит что пора бы эту паузу сделать. Имеется регулировка чувствительности схемы контроля, уровень которой устанавливается оперативно с помощью регулировки. Кроме того, имеется оперативная регулировка длительности «паузы» — времени, в течение которого на ячейку не поступают импульсы. В схеме генератора Мэйера предусмотрена автоматическая регулировка «паузы» в зависимости от необходимости количества вырабатываемого газа. Эта регулировка осуществляется по сигналу, поступающему от блок управления и контроля за подачей топливной смеси в цилиндры ДВС. Чем быстрее вращается двигатель внутреннего сгорания, тем больше расход кислородно-водородной смеси и тем короче «пауза» у всех одиннадцати генераторов.

На переднюю панель генератора Мэйера выведены шлицы подстроечных резисторов осуществляющих регулировку частоты импульсов, длительности паузы между пачками импульсов и ручной установки уровня чувствительности схемы контроля.

Для репликации опытного импульсного генератора нет необходимости в автоматическом контроле потребности газа и автоматическом регулировании «паузы». Это упрощает электронную схему импульсного генератора. Кроме того, современная электронная база более развита, чем была 30 лет назад, поэтому при наличии более современных микросхем, нет смысла использовать простейшие логические элементы, которые ранее использовал Мэйер.

В настоящей статье публикуется схема импульсного генератора, собранного мной, воссоздающего принцип работы генератора ячейки Мэйера. Это не первая моя конструкция импульсного генератора, до неё было ещё две более сложных схемы, способных генерировать импульсы различной формы, с амплитудной, частотной и временной модуляцией, схемами контроля тока нагрузки в цепях трансформатора и самой Ячейки, схемами стабилизации амплитуд импульсов и формы выходного напряжения на Ячейке. В результате исключения, по моему мнению «ненужных» функций получилась простейшая схема, очень похожая на схемы, публикуемые на различных сайтах, но отличающаяся от них наличием схемы контроля тока Ячейки.

Как и в других публикуемых схемах, в ячейке имеются два генератора. Первый является генератором – модулятором, формирующим пачки импульсов, а второй генератором импульсов. Особенностью схемы является то, что первый генератор — модулятор работает не в режиме автогенератора, как у других разработчиков схем Ячейки Мейера, а в режиме ждущего генератора. Модулятор работает по следующему принципу: На начальном этапе он разрешает работу генератора, а по достижении непосредственно на пластинах Ячейки определённой амплитуды тока, происходит запрет генерации.

В мобильной установке Мэйера в качестве импульсного трансформатора используется тонкий сердечник, а количество витков всех обмоток огромное. Ни в одном патенте не указаны ни размеры сердечника, ни количество витков. В стационарной установке у Мэйера замкнутый торроид с известными размерами и количеством витков. Именно его и решено было использовать. Но поскольку тратить энергию впустую на намагничивание в однотактной схеме генератора это – расточительство, было решено использовать трансформатор с зазором, взяв за основу ферритовый сердечник от строчного трансформатора ТВС-90 применяемого в транзисторных чёрно-белых телевизорах. Он наиболее подходит под параметры, указанные в патентах Мэйера для стационарной установки.

Принципиальная электрическая схема Ячейки Мэйера в моём исполнении представлена на рисунке.

.

Никакой сложности в конструкции генератора импульсов нет. Он собран на банальных микросхемах – таймерах LM555. По причине того, что генератор экспериментальный и неизвестно какие токи нагрузки нас могут ожидать, для надёжности в качестве выходного транзистора VT3 используется IRF.

Когда ток Ячейки достигнет определённого порога, при котором происходит разрыв молекул воды, необходимо сделать паузу в подаче импульсов на Ячейку. Для этого служит кремниевый транзистор VT1 — КТ315Б, который запрещает работу генератора. Резистор R13 «Ток срыва генерации» предназначен для установки чувствительности схемы контроля.

Переключатель S1 «Длительность грубо» и резистор R2 «Длительность точно» являются оперативными регулировками длительности паузы между пачками импульсов.

В соответствии с патентами Мэйера трансформатор имеет две обмотки: первичная содержит 100 витков (для 13 вольт питания) провода ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм, вторичная содержит 600 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,18 мм.

При указанных параметрах трансформатора оптимальная частота следования импульсов – 10 кГц. Катушка индуктивности L1 намотана на картонной оправке диаметром 25 мм, и содержит 100 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,51 мм.

Теперь, когда вы всё это «проглотили», произведём разбор полётов этой схемы. С данной схемой я не применял дополнительных схем повышающих выход газа, потому что в мобильной Ячейке Мэйера их не наблюдается, конечно не считая лазерной стимуляции. Или я забыл сходить со своей Ячейкой к «бабке – шептунье», чтобы она нашептала высокую производительность Ячейки, или не правильно выбрал трансформатор, но КПД установки получился очень низкий, а сам трансформатор сильно нагревался. Учитывая, что сопротивление воды мало, сама Ячейка не способна выступать в качестве накопительного конденсатора. Ячейка просто не работала по тому «сценарию» который описывал Мэйер. Поэтому я добавил в схему дополнительный конденсатор С11. Только в этом случае на осциллограмме выходного напряжения появилась форма сигнала, с выраженным процессом накопления. Почему я поставил его не параллельно Ячейке, а через дроссель? Схема контроля тока ячейки должна отслеживать резкое повышение этого тока, а конденсатор будет препятствовать этому своим зарядом. Катушка уменьшает влияние С11 на схему контроля.

Я использовал простую воду из под крана, использовал и свежее дистиллированную. Как я только не извращался, но затраты энергии при фиксированной производительности были в три — четыре раза выше, чем напрямую от аккумулятора через ограничительный резистор. Сопротивление воды в ячейке настолько мало, что повышение импульсного напряжения трансформатором, с лёгкостью гасилось на малом сопротивлении, заставляя магнитопровод трансформатора сильно нагреваться. Возможно, предположить, что вся причина в том, что я использовал трансформатор на феррите, а в мобильной версии Ячейки Мэйера стоят трансформаторы, у которых сердечник почти отсутствует. Он больше выполняет функцию каркаса. Не трудно понять, что Мэйер компенсировал малую толщину сердечника большим количеством витков, тем самым увеличив индуктивность обмоток. Но сопротивление воды от этого не увеличится, поэтому и напряжение, о котором пишет Мэйер, не поднимется до описываемого в патентах значения.

С целью повышения КПД я решил «выкинуть» из схемы трансформатор, на котором происходит потеря энергии. Принципиальная электрическая схема Ячейки Мэйера без трансформатора представлена на рисунке.

.

Так как индуктивность катушки L1 очень маленькая, я так же исключил её из схемы. И «о чудо» установка стала выдавать сравнительно высокий КПД. Я провёл эксперименты и пришел к выводу, что на заданный объём газа установка затрачивает ту же самую энергию, что и при электролизе постоянным током, плюс-минус погрешность измерений. То есть я наконец собрал установку, в которой не происходит потерь энергии. Но зачем она нужна, если напрямую от аккумулятора точно такие же затраты энергии?

Завершение

Завершим тему очень маленького сопротивления воды. Сама Ячейка не способна работать в качестве накопительного конденсатора потому, что вода, которая выступает в качестве диэлектрика конденсатора, быть им не может – она проводит ток. Для того, чтобы над ней совершался процесс электролиза – разложения на кислород и водород, она должна быть проводящей. Получается неразрешимое противоречие, которое возможно разрешить только по одному пути: Отказаться от версии «Ячейка-конденсатор». Накопления в Ячейке подобно конденсатору происходить не может, это Миф! Если учитывать площадь обкладок конденсатора образованного поверхностями трубок, то даже при воздушном диэлектрике ёмкость ничтожно мала, а здесь в качестве диэлектрика выступает вода со своим малым активным сопротивлением. Не верите? Возьмите учебник физики и посчитайте ёмкость.

Можно предположить, что накопление происходит на катушке L1, но этого также не может быть по той причине, что её индуктивность также очень мала для частоты порядка 10 кГц. Индуктивность трансформатора на несколько порядков выше. Можно даже задуматься над тем, зачем её с малой индуктивностью вообще «воткнули» в схему.

Послесловие

Кто-то скажет, что всё чудо в бифилярной намотке. В том виде, в каком она представлена в патентах Мэйером, толку от неё не будет. Бифилярная намотка применяется в защитных фильтрах питания, не одного и того же проводника, а противоположных по фазе и предназначена для подавления высоких частот. Она даже имеется во всех без исключения блоках питания компьютеров и ноутбуков. А для одного и того же проводника, бифилярная намотка делается в проволочном резисторе, для подавления индуктивных свойств самого резистора. Бифилярная намотка может использоваться в качестве фильтра, защищающего выходной транзистор, не пропускающего мощные СВЧ-импульсы в схему генератора, подаваемые от источника этих импульсов непосредственно на Ячейку. Кстати и катушка L1 является отличным фильтром для СВЧ. Первая схема импульсного генератора, которая использует повышающий трансформатор – правильная, только чего-то не хватает между транзистором VT3 и самой Ячейкой. Этому я посвящу следующую статью.

Схема и теории действии

Как показано на рис. 3.2, трансформатор с ограничением по току Т1 соединен с мостовым выпрямителем D1-D4 и заряжает внешний накопитель – конденсатор С через резистор защиты от перенапряжения R18. Внешний накопительный конденсатор соединен между землей разряда и электродом искрового разрядника G1. Нагрузка в этом проекте включена не стандартно, а между землей разряда и электродом искрового разрядника G2. Обратите внимание, что нагрузка комплексная, обычно обладающая высокой индуктивностью (не во всех случаях) с небольшим активным сопротивлением от провода индуктивности Load. Электроды искрового разрядника G1 и G2 расположены на расстоянии, большем в 1,2-1,5 раза, чем расстояние пробоя при данном напряжении.

Третий запускающий электрод ТЕ1 разряжается коротким высоковольтным импульсом малой энергии в G2, создавая пик напряжения, ионизирующий

Рис. 3.2. Принципиальная схема импульсного генератора

Примечание:

Специальное замечание относительно диодов D14, D15. Полярность может бьггь изменена для получения боль- шеготриггерного эффекта при нагрузке с низким импедансом, как это имеет место вслучае устройства деформации консервных банок, взрывания провода, плазменного оружия и др.

Внимание! При слишком высоком импедансе нагрузки энергия может направиться назад через диоды и трансформатор Т2 и привести к выходу из строя этих компонентов.

Обратите внимание, что земля схемы и общий провод изолированы друг от друга.

Земля разряда соединена с шасси и заземлением через зеленый провод шнура питания.

Для обеспечения большей безопасности в качестве выключателя S3 рекомендуется использовать кнопки без фиксации, которая включена только в нажатом состоянии.

Если устройство находится в месте, куда имеет доступ неавторизованный персонал, рекомендуется в качестве S4 использовать включатель с замком.

зазор между G1 и G2, что приводит к разряду накопленной во внешнем емкостном накопителе энергии в нагрузку с комплексным сопротивлением.

Напряжение заряда внешнего емкостного накопителя задается цепью рези- стивного делителя R17, который также выдает сигнал для вольтметра Ml. Напряжение заряда задается последовательно соединенным с R17 управляющим переменным сопротивлением R8. Этот управляющий сигнал устанавливает уровень выключения компаратора II, который задает смещение по постоянному току транзистора Q1. В свою очередь, Q1 управляет реле, при этом реле выключается. Контактами обесточенного реле RE1 снимается подача энергии на первичную обмотку Т1. Когда R8 установлено на заданную величину, оно автоматически поддерживает определенный уровень напряжения во внешних емкостных накопителях. Безопасная кнопка S3 предоставляет возможность задержать заряд внешнего конденсатора вручную.

Красный светодиод LA1 загорается при включении питания. Желтый свето- диод LA2 загорается, когда заряд достигает заданной величины.

Цепь запускающего электрода представляет собой специальную систему емкостного разряда (CD), где энергия конденсатора С6 направляется в первичную обмотку импульсного трансформатора Т2. На вторичной обмотке Т2 генерируется последовательность положительных импульсов высокого напряжения, которая подается на конденсаторы С8 и С9 через развязывающие диоды D14 и D15. Эти импульсы постоянного тока высокого напряжения вызывают ионизацию в зазорах за счет разряда через запускающий электрод ТЕ1. На входе этой цепи находится удвоитель напряжения, состоящий из конденсаторов С4, С5 и диодов D8 и D9. Переключатель «Пуск» S1 подает энергию в цепь, вызывая немедленное срабатывание искрового разрядника. Кремниевый триодный тиристор SCR снимает заряд с С6, отпирающий ток на SCR подает динистор DIAC, смещение на который задается переменным сопротивлением R14 и конденсатором С7.

Понижающий трансформатор напряжения 12 В ТЗ питает управляющую цепь, включающую и реле RE1. Если в системе нет напряжения 12 В, запустить ее можно только активировав RE1 вручную. Выпрямитель на диодах D10-D13 выпрямляет переменное напряжение 12 В, который затем фильтруется на емкостном фильтре С1. Резистор R5 развязывает питание для управления через стабилитрон Z3, Z4, который необходим для стабильной работы цепи компаратора. Питание для накопления энергии идет от сети 115 В переменного тока, при этом задействован плавкий предохранитель F1, а включение сети питания 115 В переменного тока осуществляется выключателем S4.

Замечание

В нашей лаборатории в Information Unlimited аппаратура накопления энергии включает 10 стоек масляных конденсаторов. В каждой стойке размещается 50 конденсаторов по 32 мкФ на напряжение 4500 В, соединенных параллельно для достижения общей емкости 1600 мкФ или около 13000 Дж при 4000 В на стойку. Все 10 стоек, соединенных параллельно, дают 130000 Дж. Очень важно при таких уровнях энергии правильно выполнить соединения и собрать систему с соблюдением необходимого расположения и толщины проводов для получения импульсов мощностью в сотни мегаватт. Для защиты персонала от опасного напряжения вокруг накопительных стоек установлены противовзрывные щиты.

Время заряда одной стойки составляет около 10 мин. При таком заряде использование 10 стоек было бы непрактично, поскольку для их заряда потребовалось бы почти 2 ч. Мы используем систему заряда тока 10000 В, 1 А, которая позволяет обеспечить заряд всех 10 стоек масляных конденсаторов для накопления энергии в 130000 Дж в течение 1 мин. Такое высоковольтное зарядное устройство можно приобрести по специальному заказу.

Порядок предварительной сборки устройства

В данном разделе предполагается, что вы знакомы с основными инструментами и имеете достаточный опыт сборки. Импульсный генератор собирается на металлическом шасси 25,4×43,2×3,8 см, изготовленном из оцинкованного железа толщиной 1,54 мм (калибр 22). Он использует трансформатор RMS с ограничением по току 6500 В, 20 мА. Нужно как можно точнее следовать приведенному чертежу. Можно использовать более мощный трансформатор, тогда придется изменить и размер устройства. Предлагаем соединить параллельно до 4 использовавшихся ранее трансформаторов; чтобы получить зарядный ток 80 мА. На передней панели устанавливается вольтметр и средства управления. Рекомендуется заменить S4 на выключатель с замком, если устройство находится в месте, куда имеет доступ неавторизованный персонал.

При сборке устройства соблюдайте следующую последовательность действий:

1. Если вы приобрели набор, разложите и идентифицируйте все компоненты и конструктивные детали.

2. Вырежьте из заготовки плату с сеточной перфорацией 0,25 см и размерами 15,9×10,8 см (6,25×4,25 дюйма).

Рис. 3.3. Монтажная плата импульсного генератора

Примечание:

Пунктирная линия показывает соединения на тыльной стороне платы. Крупные черные точки показывают отверстия в плате, которые используются для установки компонентов и соединений между ними.

3. Вставьте элементы, как показано на рис. 3.3, и припаяйте их к выводам элементов, к тем контактным площадкам, где это необходимо, по мере движения от левого нижнего края вправо. Пунктирная линия показывает соединения проводов на тыльной стороне платы в соответствии с принципиальной схемой. Избегайте проволочных мостов, потенциальных замыканий и холодной пайки, поскольку это неизбежно вызовет проблемы. Паяные соединения должны быть блестящими и гладкими, но не шарообразными.

4. Соедините монтажную плату проводами со следующими точками (см. рис. 3.3):

– с землей шасси проводом в виниловой изоляции #18 длиной 20 см;

– с ТЕ1 проводом высокого напряжения 20 кВ длиной 10 см;

– с резистором R18, проводом в виниловой изоляции #18 длиной 20 см;

– с анодами D3 и D4 проводом в виниловой изоляции #18 длиной 30 см (земля схемы);

– с ТЗ (2) 12 В постоянного тока проводом в виниловой изоляции #22 длиной 20 см;

– с вольтметром М1 (2) проводом в виниловой изоляции #22 длиной 20 см. Проверьте все соединения, компоненты, расположение всех диодов, полупроводниковых элементов, электролитических конденсаторов CI, С2, С4, С5, С7. Проверьте качество паек, потенциальные короткие замыкания, наличие мест холодной пайки. Паяные соединения должны быть гладкими и блестящими, но не шарообразными. Тщательно проверьте это, прежде чем включать устройство.

5. Сборка искрового разрядника осуществляется следующим образом (рис. 3.4):

– изготовьте базу BASE1 из листа оцинкованного железа толщиной 1,4 мм (калибр 20) и размерами 11,4×5 см (4,75×2 дюйма);

– изготовьте две скобы BRKT1 из листа оцинкованного железа толщиной 1,4 мм (калибр 20) размерами 6,4×3,2 см (2,5×1,25 дюйма) каждая. Загните край в виде козырька размером 1,9 см;

– изготовьте два блока BLK1 из поливинилхлорида (PVC) или другого аналогичного материала толщиной 1,9 см и размерами 2,5×3,2 см (1×1,25 дюйма). Они должны обладать хорошими изолирующими свойствами;

– изготовьте блок BLK2 из тефлона. Он должен выдерживать запускающий импульс высокого напряжения;

– аккуратно припаяйте фланцы COL1 к скобам BRK1. Отрегулируйте арматуру так, чтобы обеспечить точное выравнивание вольфрамовых электродов после сборки устройства. На этом этапе вам придется использовать газовую паяльную лампу на пропане и т.п.;

– сточите острые концы с восьми винтов. Это необходимо для предотвращения поломки материала PVC из-за коронного разряда, образующегося на острых концах при высоком напряжении;

– предварительно соберите детали, просверлите в них необходимые отверстия для сборки. Для правильного размещения следуйте рисунку;

Рис. 3.4. Искровой разрядник и устройство зажигания

Примечание:

Искровой разрядник является сердцем системы, и именно там энергия, накопленная конденсаторами за весь период заряд а, быстро высюобомиается в нагрузку в виде обладающего высокой мощностью импульса. Очень важно, чтобы все соединения были способны выдерживать большие токи и высокое напряжение разряда.

Показанный здесь прибор предназначен для НЕР90 и способен обеспечивать переключение при энергии до 3000 Дж (при правильно отрегулированном импульсе), чего обычно достаточно для эффективного проведения экспериментов с устройствами перемещения масс, сгибания банок, взрывания проводов, магнетизма и других аналогичных проектов.

По специальному заказу может быть поставлен переключатель высокой энергии, способный работать с энергией 20000Дж. Оба переключателя используют высоковольтный запускающий импульс, который зависит от высокого импеданса нагрузки линии. Обычно это не является проблемой для нагрузок сумеренной индуктивностью, но может стать проблемой при малой индуктивности. Эту проблему можно решить, если поместить несколько ферритовых или кольцевых сердечников в эти линии. Сердечники реагируют на запускающий импульс очень сильно, но при основном разряде достигают насыщения.

Конструкция искрового разрядника должна учитывать механические силы, которые возникают в результате действия сильных магнитных полей. Это очень важно при работе с ф дхжой энергией и потребует дополнительных средств для уменьшения индуктивности и сопротивления.

Внимание! При проведении экспериментов вокруг устройства должен быть установлен экран для защиты оператора от возможных осколков при поломке устройства.

Для надежного запуска запускающий зазор должен быть установлен в зависимости от напряжения заряд а. Зазор должен быть расположен не менее чем в 0,6 см от скобы. Если включение нестабильно, нужно поэкспериментировать с этой величиной.

– присоедините большие блочные наконечники LUG1 к каждой стороне скоб BRKT1. Соединение должно быть выполнено тщательно, поскольку импульсный ток достигает величины килоампер;

– временно установите основной зазор на величину 0,16 см, а запускающий зазор – на величину 0,32 см.

Порядок окончательной сборки устройство

Ниже указаны этапы окончательной сборки:

1. Изготовьте шасси и панель, как показано на рис. 3.5. Разумно будет проделать в панели квадратное отверстие для установки вольтметра до изготовления панели. Вольтметр, который используется, требует квадратного отверстия со стороной 10 см. Другие, более мелкие отверстия могут быть определены по чертежу и просверлены после соединения шасси и панели.

Примечание:

Изготовьте переднюю панель из листа оцинкованного железа толщиной 1,54 см (калибр 22) размерами 53,34×21,59 см (21×8,5 дюйма). Загните с каждой стороны по5 см для соединения с шасси, как показано на рисунке. Проделайтеотверстиедля вольтметра.

Изготовьте шасси из оцинкованного железа толщиной 1,54 см (калибр 22) размерами55,88×27,9см (22×15 дюйма). Загните с каждой стороны по 5 см и сделайте козырек 1,25 см. Общий размер будет (25x43x5см) с козырьком 1,25 см по дну шасси.

Более мелкие отверстия и отверстия для соединений выполняйте по ходу дальнейшей работы.

Идущий поданной части шасси козырек на рисунке не показан.

Рис. 3.5. Чертеж для изготовления шасси

2. Примерьте контрольную панель и просверлите необходимые отверстия для средств управления, индикаторов и т.д. Обратите внимание на изоляционный материал между шасси и частями устройства, см. на рис. 3.6 часть PLATE1. Этого можно добиться с помощью небольшого количества силиконового клея-герметика RTV с комнатной температурой вулканизации. Просверливайте соответствующие отверстия по мере выполнения работы, проверяя правильность расположения и габаритов.

Рис. 3.6. Общий вид устройства в сборе

Примечание:

Провода показаны несколько удлиненными, чтобы обеспечить ясность изображений и соединений.

Пунктирные линии показывают элементы и соединения, расположенные под шасси.

3. Примерьте остальные части (см. рис. 3.6) и просверлите все необходимые для монтажа и размещения отверстия. Обратите внимание на держатели плавких предохранителей FH1 /FS1 и изоляцию шнура входного питания BU2. Они расположены на нижней стороне шасси и показаны пунктирными линиями.

4. Обеспечьте достаточное пространство для высоковольтных компонентов: для выходных контактов трансформатора, диодов высокого напряжения и резистора R18. Обратите внимание, что высоковольтные диоды устанавливаются на пластиковую плату с помощью двухсторонней липкой ленты RTV.

5. Установите на место контрольную панель. Закрепите монтажную плату с помощью нескольких кусочков ленты с нанесенным на нее клеем-герме- тиком RTV, когда убедитесь, что все нормально.

6. Выполните все соединения. Обратите внимание на использование гаек для провода при подключении выводов Т1 и Т2.

Предварительные электрические испытания

Для проведения предварительных электрических испытаний выполните следующие действия:

1. Закоротите выходные контакты трансформатора с помощью высоковольтного провода с зажимом.

2. Удалите плавкий предохранитель и установите в его держатель барретер 60 Вт (электровакуумный прибор для стабилизации тока) в качестве балластного сопротивления на период тестирования.

3. Установите переключатель S4 (см. рис. 3.7) в выключенное состояние, переведите ось совмещенного с переменным сопротивлением R8/S2 выключателя в положение «выключено», установите переменные сопротивления R14 и R19 в среднее положение и включите устройство в сеть 115 В переменного тока, вставив вилку шнура питания COl в розетку.

4. Поворачивайте ось совмещенного выключателя с переменным сопротивлением R8 до включения и наблюдайте, как загораются лампы LA1 и LA2.

5. Нажмите кнопку заряда S3 и удостоверьтесь, что реле RE1 включилось (слышен звук щелчка) и лампа LA2 погашена на время, пока нажата кнопка S3.

6. Включите S4 и нажмите S3, заметьте, что барретер, включенный в соответствии с пунктом 2, горит в полнакала.

7. Нажмите кнопку «Пуск» S1 и наблюдайте вспышку между запускающим электродом ТЕ1 и основным зазором разряда между G1 и G2. Обратите

Рис. 3.7. Передняя панель и органы управления

внимание, что ось переменного сопротивления установлена в среднее значение, но, поворачивая ось по часовой стрелке, можно увеличить разряд.

Основные испытания

Для проведения испытаний выполните следующие действия:

1. Выньте шнур питания из сети и выключите S2 и S4.

2. Подсоедините конденсатор 30 мкФ, 4 кВ и резистор 5 кОм, 50 Вт в качестве С и R, как показано на рис. 3.6.

3. Удалите балластную лампу и вставьте плавкий предохранитель 2 А.

4. Установите запускающий зазор на величину 0,32 см, а основной зазор – на 0,16 см.

5. Подключите вольтметр высокого класса точности через внешний конденсатор.

6. Включите устройство и включите S2 и S4. Нажмите кнопку S3 и убедитесь, что внешний конденсатор заряжается до величины 1 кВ до отключения RE1. Заметьте, что в нормальном состоянии LA2 горит и выключается только на время цикла заряда. Когда будет достигнут заданный заряд, светодиод LA2 снова включается, показывая, что система готова.

7. Поверните R8/S2 на 30° по часовой стрелке и заметьте, что напряжение достигает большей величины перед прекращением заряда.

8. Нажмите кнопку S1 и наблюдайте мгновенную мощную дугу в основном зазоре, которая возникает, когда энергия направляется во внешнюю нагрузку.

9. Зарядите устройство до 2500 В, измеряя напряжение по внешнему вольтметру, подсоединенному через конденсатор. Отрегулируйте R19, чтобы вольтметр на передней панели показывал значение 2,5 при полной шкале 5. Сделайте пометку на передней панели, чтобы знать, где напряжение составляет 2500 В. Теперь прибор на передней панели с достаточной степенью точности показывает значение напряжения заряда при достаточной точности внешнего вольтметра. Повторите шаг 8, наблюдая интенсивную дугу при разряде. Повторите циклы заряда и разряда при разных напряжениях, чтобы ознакомиться с управлением прибором.

На этом завершается проверка и калибровка устройства. Дальнейшие операции потребуют дополнительного оборудования, в зависимости от проекта, в рамках которого вы экспериментируете.

Полезные дли донного оборудования математические соотношения

Энергия системного накопителя:

Идеальный подъем тока достигается в системах LC. Используйте коэффициент 0,75 при использовании масляных конденсаторов и более низкие значения для фото- и электролитических конденсаторов. Время достижения пикового тока на 1 А цикла:

Магнитный поток

А = площадь грани катушки в м 2 ; Le = расстояние между полюсами в м; М = масса в кг. Сила:

Ускорение: Скорость:

где t – время достижения пикового тока.