|
В своё время, для проведения лабораторных исследований, нам потребовался стабилизированный регулируемый источник питания напряжением до 20 - 30 киловольт и защитой от перегрузки по току методом ограничения силы тока на уровне 1 мА.
Ни готовых конструкций в продаже, ни описаний для самостоятельного изготовления не было, поэтому был разработан и собран стабилизированный лабораторный высоковольтный источник питания, описанный ниже. В источнике питания применяются распространённые детали от старой отечественной телевизионной техники, которые до сих пор можно найти на барахолках и сервисах бесплатных объявлений. Разработан и собран 1-й вариант источника был ещё в 2004-2005г, затем схема улучшалась и дорабатывалась, но основной принцип конструкции и работы сохранился, а идея описать и выложить конструкцию возникла только недавно.
Для упрощения конструкции пошли по пути максимального использования готовых доступных узлов и деталей.
Так, для питания конструкции использовали переработанный компьютерный блок питания ATX Octek X25В AP-3-1 250W, построенный на TL494CN. В качестве повышающего трансформатора использовали ТВС-110ЛА, в котором заменили первичную обмотку. В качестве высоковольтного умножителя напряжения использовали УН9/27-1,3.
Рисунок 1. Внешний вид высоковольтного стабилизированного лабораторного источника питания
Структурная схема и принцип работы
Структурная схема высоковольтного стабилизированного лабораторного источника питания изображена на рисунке 2
Рисунок 2. Структурная схема высоковольтного стабилизированного лабораторного источника питания
Задающий генератор вырабатывает прямоугольные импульсы удвоенной частоты, которые подаются на делитель на 2 для получения скважности, равной 2. С выхода делителя через формирователи импульсы подаются на буферные усилители и поступают на затворы полевых транзисторов инвертора. Со стоков транзисторов инвертора импульсы подаются на первичную обмотку повышающего трансформатора, а с его вторичной обмотки на умножитель напряжения. Выходное напряжение источника питания снимается с выхода умножителя напряжения. Для контроля и стабилизации выходного напряжения источника служит цепь обратной связи. Выходное напряжение, уменьшенное делителем в 10000 раз, проходит по каналу регулирования выходного напряжения и в усилителе сравнивается с напряжением, заданным переменным сопротивлением установки напряжения. Разница подаётся на вход регулировки выходного напряжения основного канала блока АТХ, на выходе которого формируется такое напряжение питания инвертора, которое в конце концов обеспечит заданное высокое напряжение на выходе нашего лабораторного источника питания.
Стабилизация выходного напряжения работает след. образом: если, допустим, выходное напряжение источника питания по какой-либо причине понизилось (например, возрос ток нагрузки), на выходе делителя (1:10000) также напряжение упадёт, возрастёт разница между ним и напряжением на движке переменного сопротивления, которым мы задаём выходное напряжение. Это в свою очередь увеличит напряжение на выходе основного канала блока питания АТХ, т. е. питания инвертора и, в результате напряжение на выходе умножителя вернётся к заданному.
Канал ограничения силы выходного тока уменьшает задаваемое переменным сопротивлением напряжение до того уровня, чтобы сила выходного тока не превысила 1 мА. На этот канал входное напряжение берётся от умножителя а не от нагрузки - это специфика построения высоковольтных источников питания.
Описание схемы электрической принципиальной
Схема электрическая принципиальная высоковольтного стабилизированного лабораторного источника питания изображена на рисунке 3
Рисунок 3. Схема электрическая принципиальная высоковольтного стабилизированного лабораторного источника питания
Задающий генератор, собранный на триггере D2.1, вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой около 30-60кГц. Частота импульсов регулируется триммером VR1. Далее импульсы подаются на делитель на 2, выполненный на триггере D2.3. Это необходимо для получения скважности, точно равной 2, что в свою очередь необходимо, чтобы повышающий трансформатор работал без подмагничивания постоянным током. Далее импульсы подаются на формирователи D3, R3, C3 и D4, R4, C4, которые формируют паузы между переключениями транзисторов инвертора (dead time). Это необходимо для исключения сквозных токов транзисторов инвертора, вызванных значительно бОльшим временем выключения транзисторов, чем временем включения. Таким образом, сквозные токи могли бы возникнуть в те короткие промежутки времени, когда один транзистор ещё не успел выключится, а другой уже успел включиться. Для формирования резких фронтов и спадов импульсов на затворах транзисторов инвертора применён буферный усилитель на U1. Напряжение питания инвертора регулируется блоком питания ATX, точнее переделанной его частью с контроллером ШИМ на TL494CN или её клонах. Таким образом, переменное напряжение на первичной обмотке повышающего трансформатора Tr1, а, значит и высокое выходное напряжение всего источника питания будет зависеть от выходного напряжения блока ATX. Часть выходного напряжения через делитель 1:10'000 на R27-R29, R15 и VR6 поступает на повторитель U2.1. Резисторы R27-R29 служат также разрядной цепью для конденсаторов умножителя. Перемычка между 1 и 4 выводами разъёма Х3 нужна для исключения выхода из строя умножителя напряжения и вторичной обмотки повышающего трансформатора Tr1 в случае, если Х3 на включенном источнике окажется разъединён. В этом случае напряжение обратной связи будет = 0 и система пойдёт в разнос, пытаясь выдать максимальное выходное напряжение (теоретически, около 60 кВ), что однозначно выведет из строя умножитель и/или вторичную обмотку повышающего трансформатора. Ещё одно назначение перемычки - разъём Х3 требуется 4-контактный, что исключает его случайный втык в разъёмы вольтметров).
На выходе 7 операционника U2.1 формируется напряжение в 10'000 раз меньше, чем напряжение выхода источника питания.
Это напряжение сравнивается с заданным с помощью резистора установки выходного напряжения VR3 и через усилитель на U2.2 подаётся на вход 1 микросхемы TL494CN компьютерного блока питания АТХ.
Построение канала ограничения силы тока выхода не по классической схеме, а через умножитель - это специфика высоковольтных источников питания и связано с тем, что диоды умножителя слаботочные, и чтобы не перегрузить их при повышении входного напряжения током зарядки конденсаторов умножителя. Правда, при этом через умножитель течёт и ток делителя напряжения обратной связи. Чтобы из показаний индикатора силы тока вычесть ток делителя, требуется компенсация в виде резистора, соединяющего на схеме 7 вывод U2 со 2-м выводом U3. При R27 + R28 + R29 = 300 МОм это 47кОм. Если сумма сопротивлений будет другой, например, 1ГОм, то сопротивление компенсации также необходимо будет пропорционально увеличить. Канал ограничения силы выходного тока состоит из шунта на R18, VR8, каскада усиления на T5, R17, VR7, R19 - R21 и инвертора на T7.
Резистор R26 служит для предотвращения (уменьшения вероятности) выхода из строя умножителя напряжения U4 УН9/27-1,3 в случае короткого замыкания (пробоя) на выходе высоковольтного источника. В случае выхода из строя умножителя напряжения будет перегреваться и гореть резистор R25.
Переработка компьютерного блока питания АТХ
Схема компьютерного блока питания ATX Octek X25d модель AP-3-1, 250W
Переработка компьютерного блока питания ATX Octek X25В AP-3-1 250W заключается в том, что удаляются все цепи супервайзера, удаляются все цепи источников +3,3В, +-5В, -12В, остаётся только цепь +12В, которая и будет использоваться для питания инвертора. Синфазный дроссель L5 тоже подлежит переработке: необходимой является только цепь +12В, но количество витков на нём для этой цепи нужно увеличить процентов но 30. Это связано с тем, что при исходном количестве витков и малом выходном напряжении синфазный дроссель L5 входил в насыщение. В качестве доработки этого дросселя можно рекомендовать подключить последовательно с его обмоткой на 12В ещё обмотку 3,3В или 5В. Также используется другой разъём соединения с остальной частью схемы и другая цветовая маркировка проводов, который, впрочем, можно получить из того, что идёт с блоком питания АТХ путём аккуратного отрезания его части. Провода внутри разъёма также нужно будет переставить по своим новым местам т.к. назначения цветов проводов имеют отличия. Схема переработанного компьютерного блока питания АТХ Octek X25В AP-3-1 250W изображена на рисунке
Рисунок 4. Схема переработанного компьютерного блока питания АТХ Octek X25В AP-3-1 250W
Рисунок 5. Внешний вид части печатной платы переработанного компьютерного блока питания АТХ Octek X25В AP-3-1 250W
Если будет использован блок питания ATX Octek X25В AP-3-1 250W, то удалению подлежат элементы:
- резисторы R22, R24-R28, R30, R32-R35, R43, R46, R47, R50-R64, R66-R73, R75
- конденсаторы C14-C21, C23, C24, C30, C31, C34
- диоды D6, D9, D11-D14, D23-D32
- транзисторы Q5, Q9 - Q15
- элементы L2-L4, L6, L7, L9, Q6, VR, ZD2-ZD4, SD2
Следующий шаг переработки блока питания АТХ - разделение общего провода силового питания инвертора и общего провода остальных цепей. Это сделано для организации защиты силовых ключей инвертора и для обеспечения устойчивости всего высоковольтного источника питания.
Далее в схему добавляются элементы, нарисованные красным. Резистор 100к можно ставить в диапазоне 100 - 220к - для предотвращения ухода в разнос компьютерного блока питания АТХ, если он не подключён к остальной схеме. Конденсатор (на схеме красный) подбирают при регулировке устойчивости высоковольтного источника питания.
Внешний вид переработанного компьютерного блока питания АТХ Octek X25В AP-3-1 250W изображён на рисунке 5
Если не найдётся компьютерный блок питания ATX Octek X25В AP-3-1 250W, можно использовать другой на TL494 или её клонах. Важно корректно удалить цепи супервайзера блока, иначе они заблокируют работу основного источника.
Блоки питания АТХ на других микросхемах (2005, KA3511, SG6105D и др.) использовать затруднительно т. к. в них встроенный супервайзер, "обмануть" который будет сложно.
Конструкция высоковольтного лабораторного стабилизированного источника питания
Вся конструкция собрана на текстолите 250 х 300, толщиной 4.
Рекомендуемая сумма сопротивлений резисторов R27-R29 находится в пределах 300 - 1000 МОм. Вместо 3-х резисторов КЭВ-1 по 100 МОм можно применить 1 резистор КЭВ-5 на сопротивление 510-1000 МОм.
Внешний вид высоковольтного стабилизированного лабораторного источника питания 30кВ 1мА изображен на фото 6
Цифровые вольтметры следует выбирать трёхзначные, с "плавающей" точкой.
Для корректного отображения выходного напряжения цифровым вольтметром (перемещения точки), его входной делитель доработали - подобрали его добавочное сопротивление так, что он показывает в 10 раз большее напряжение, чем то, что поступает на вход. Например, если выходное напряжение 25 кВ, переработанный вольтметр так и покажет, а вольтметр, не подвергшийся переработки, покажет 2,5.
В качестве сердечника и вторичной обмотки трансформатора Tr1 могут быть использованы соответствующие с ТВС-110ЛА, ТВС-110ЛМ или ТВС-110Л2
Первичная обмотка трансформатора Tr1 намотана на пластиковой водопроводной трубе минимального диаметра, способной одеться на ферритовый сердечник, и содержит 2 х 5 витков медного эмалированного провода диаметром 1,0 - 1,5 мм. Коэффициент трансформации трансформатора Tr1 около 240.
- В качестве D1-D7 могут быть применены любые маломощные диоды: 1N4148, Д220, Д223, КД509, КД521, КД522
- В качестве D9 КД221, FR101 - FR107, FR151 - FR157
- Микросхема D2 - 2 D - триггера, 561ТМ2, 1561ТМ2, CD4013
- Микросхема U1 - ICL7667, MC34151P или DS0026
- Микросхемы U2 и U3 - сдвоенные операционные усилители TL062 или TL072
Транзисторы T1 и T2 должны быть одинакового типа: IRFZ48N, IRF540N, или другие с максимальным напряжением не менее 60В и максимальной силой тока не менее 25А, лучше больше. Ставить на радиатор обязательно. Достаточно радиатора от такого же компьютерного блока питания ATX.
Транзисторы T3, T6 и T7 маломощные n-p-n КТ312, КТ315, 2SC945, BC547, BC548 с любым буквенным индексом.
Транзисторы T4 и T5 маломощные p-n-p КТ209, КТ361, BC557, BC558 с любым буквенным индексом.
Все потенциометры (подстроечные резисторы) многооборотные для более точного регулирования.
Представленная на рисунке 6 печатная плата односторонняя, имеет размер 135 х 70 также подустарела и требует доработки в соответствии со схемой на рисунке 3. Вид на печатную плату со стороны деталей.
Рисунок 6. Печатная плата высоковольтного стабилизированного лабораторного источника питания и расположение элементов на ней
Наладка высоковольтного лабораторного стабилизированного источника питания
ВНИМАНИЕ! Наладка и эксплуатация высоковольтного лабораторного стабилизированного источника питания требуют строгого соблюдения правил электробезопасности при работе с высоким напряжением! Не подвергайте себя опасности!
1-й этап наладки - проверка работы переработанного блока питания ATX. К схеме его не подключаем. Создадим ему цепь обратной связи, стабилизирующую выходное напряжение. Для этого соединяем зелёный провод разъёма ATX резистором 10 кОм с выходом регулируемого источника напряжения (единственный, который не был удалён) и идёт на предохранитель F1. Подаём сетевое питание на блок питания ATX и меряем выходные напряжения. Относительно общего провода на резисторе обратной связи должно быть около 2,5 - 3,0 вольт. Также должны быть: стабилизированное напряжение +5В, нестабилизированное +6-12-15В и переменное напряжение частоты преобразователя (из которого далее схема сформирует стабилизированное -5В).
2-й этап наладки проводится только после успешного прохождения 1-го этапа. Проводится на собранной конструкции источника, но с изъятым предохранителем F1. Создадим ему цепь обратной связи, имитирующую выходное напряжение. Для этого соединяем резистором 100 кОм выход блока питания ATX, идущий на предохранитель с выводом 3 разъёма Х3. Движки всех подстроечных сопротивлений устанавливаем в примерно средние положения. Ручку регулятора выходного напряжения VR3 выкручиваем в положение, соответствующее минимальному выходному напряжению. Такой подход обеспечит отсутствие выхода из строя трансформатора Tr1 и умножителя U4 в случае, если блок питания ATX по какой-либо причине уйдёт в разнос. Требуется проконтролировать наличие импульсов скважности 2 и частоты 15-30 килогерц. Наибольший КПД силовой части в нашем приборе получился на частоте на буферах U1 около 18 кГц. Частота задаётся потенциометром VR1. Также должны быть: стабилизированное напряжение -5В на коллекторе транзистора Т6, стабилизированное напряжение +5В и нестабилизированное +6-12-15В. Если все предыдущие проверки успешно пройдены, проверяем работу цепи обратной связи путём измерения напряжения на выходе блока питания ATX, идущего к предохранителю F1 в разных положениях движка регулятора выходного напряжения VR3. Оно должно меняться в пределах от 0 до примерно 10-15В.
3-этап - завершающий. К нему приступаем, если все предыдущие проверки успешно пройдены. Его целью является приведение в соответствие диапазона выходных напряжений, ограничения силы тока, и показаний измерительных приборов. Для этого потребуется контрольный киловольтметр до 30 киловольт и мультиметр. Установите предохранитель F1. Подключите киловольтметр к выходу высоковольтного источника. Ручку регулятора выходного напряжения VR3 ставим в положение, соответствующее минимальному выходному напряжению (верхнее по схеме положение). Подаём на источник питание и наблюдаем показания приборов высоковольтного источника и внешнего киловольтметра. С помощью VR4 добиваемся, чтобы в положении VR3, соответствующем минимальному выходному напряжению, на выходе высоковольтного источника был 0, а при небольшом его повороте, на выходе высоковольтного источника питания появлялось напряжение. Установите VR3 так, чтобы внешний киловольтметр показывал около 3-5 кВ. С помощью VR6 добейтесь соответствия показаний внутреннего и внешнего киловольтметров. Подключаем нагрузку (около 10МОм). Потенциометром VR8 добиваемся соответствия показаний встроенного и внешнего миллиамперметров. Потенциометром VR7 добиваемся ограничения силы выходного тока на уровне 1,0мА (на нагрузке). Потенциометром VR5 добиваемся ограничения установки выходного напряжения на уровне 30кВ. Можно также ограничить установку выходного напряжения на меньшее значение. Один из изготовленных нами для коллег высоковольтных источников питания по их просьбе имел ограничение выходного напряжения до 16 кВ (во избежание случайного пробоя тестируемых ими высоковольтных цепей).
Также на этом этапе также добиваемся устойчивости (отсутствия колебаний выходного напряжения) стабилизации высоковольтного источника питания в каналах регулировки напряжения и ограничения силы тока. Сначала добиваемся устойчивости в канале регулировки напряжения. Для этого устанавливаем выходное напряжение около 5 кВ, нагрузка, примерно 0,1 мА, т. е. канал ограничения тока закрыт. В качестве нагрузки использовали резисторы МЛТ-2 1МОм, включённые последовательно. Устойчивости добиваемся подбором номиналов элементов со звёздочкой в переработанном блоке питания ATX, а также конденсаторов С10 и С11. Затем устанавливаем выходное напряжение 25 кВ и нагрузку для такой же силы тока 0,1мА. Контролируем устойчивость источника питания, если необходимо, добиваемся её подбором тех же элементов. Затем проверяем устойчивость канала ограничения силы тока, для чего подбираем и подключаем нагрузку, чтобы при напряжении 7-15 кВ добиться ограничения силы тока в 1,0 миллиампер. После этого рекомендуем ещё раз убедиться в соответствии или откорректировать положения потенциометров VR4 - VR8 (см. методику выше).
Рекомендуем также с помощью VR1 подобрать оптимальную рабочую частоту инвертора по максимальному КПД, измеряя напряжение и силу тока через предохранитель F1 и сопоставляя с напряжением и силой тока по встроенным приборам на типичной нагрузке высоковольтного источника.
Пути модернизации, улучшения, удешевления высоковольтного стабилизированного лабораторного источника питания
В процессе модернизации источника уже появились цифровые индикаторы напряжения и силы тока на выходе.
Ещё можно заменить микросхемы D1 и U1 одной такой, как IRS2153 (DIP-4), в этом случае выходной каскад инвертора также потребует изменений.
Для измерения силы тока в нагрузке можно применить встраиваемый цифровой миллиамперметр. Его следует включать в цепь минуса нагрузки и подавать питание, скорее всего, через развязывающий DC-DC преобразователь. Тогда становятся лишними U3 с её цепями. В этом случае цепь шунта цифрового миллиамперметра рекомендуем зашунтировать ещё прямо смещённым диодом для предотвращения выхода из строя миллиамперметра в случае малейших казусов на выходе источника.
Если необходимо более высокое постоянное напряжение на выходе, можно применить каскадное включение 2-х или 3-х умножителей напряжения или сделать умножитель напряжения из дискретных элементов с нужным коэффициентом умножения.
Повысить силу тока на выходе можно применив умножитель напряжения из дискретных элементов с современными высоковольтными диодами на бОльшую максимальную силу тока.
Увеличить мощность высоковольтного источника можно, выполнив трансформатор Tr1 на сердечнике от ТВС-90ЛЦ2-1 со вторичной обмоткой, намотанной более толстым проводом и залитой высоковольтным компаундом. Первичную также следует намотать более толстым проводом или мотать в 2 провода. Если решитесь на изменения в конструкции трансформатора Tr1 и / или умножителя - не забудьте подобрать оптимальную рабочую частоту инвертора по максимальному КПД, обычно на режиме половины максимальной силы тока и половины максимального выходного напряжения.
Чертёж печатной платы в формате sLayout 6.0
В конструкции нашего высоковольтного стабилизированного лабораторного источника питания применено ещё много хитростей и тонкостей, о которых мы по давности лет забыли упомянуть, уж не обессудьте). Будем рады вашим вопросам, отзывам и комментариям.
|
