Минздрав предупреждает:

Высокое напряжение опасно для Вашего здоровья !

Здесь приводятся схемы генераторов высоковольтного напряжения (выходное напряжение > 1 кВ), которые можно использовать для питания газоразрядных лазеров, а также для питания самодельной лампы-вспышки. Конечно, приведенные ниже схемы не исчерпывают все возможные варианты. Они были найдены в Интернете и подходят  для самостоятельного повторения.

Генератор высоковольтных импульсов на тиристоре

Генератор содержит гасящий конденсатор С1, диодный выпрямительный мост VD1 — VD4, тиристорный ключ VS1 и схему управления. При включении устройства заряжаются конденсаторы С2 и СЗ, тиристор VS1 пока закрыт и ток не проводит. Предельное напряжение на конденсаторе С2 ограничено стабилитроном VD5 величиной 9 В. В процессе зарядки конденсатора С2 через резистор R2 напряжение на потенциометре R3 и, соответственно, на управляющем переходе тиристора VS1 возрастает до определенного значения, после чего тиристор переключается в проводящее состояние, а конденсатор СЗ через тиристор VS1 разряжается через первичную (низковольтную) обмотку трансформатора Т1, генерируя высоковольтный импульс. После этого тиристор закрывается и процесс начинается заново. Потенциометр R3 устанавливает порог срабатывания тиристора VS1.

Частота повторения импульсов составляет 100 Гц. В качестве высоковольтного трансформатора Т1 может быть использована автомобильная катушка зажигания. В этом случае выходное напряжение устройства достигнет 30...35 кВ.

Генератор высоковольтных импульсов на двух транзисторах

В описываемом ниже регулируемом высоковольтном преобразователе с выходным напряжением 8...16 кВ использован с небольшими переделками стандартный высоковольтный трансформатор, который применяется в блоке строчной развертки телевизоров.

Устройство состоит из задающего генератора с само­возбуждением, усилителя мощности и выпрямителя. Задающий генератор (транзистор V8) представляет собой блокинг-генератор (длительность импульса — около 200 мкс, частота повторения — 1 кГц). Генератор питается от параметрического стабилизатора R3, R4, V6. С выходной обмотки трансформатора Т2 сигнал поступает на усилитель мощности, собранный на транзисторе V1. В цепь коллектора транзистора включена обмотка II высоковольтного трансформатора Т1.

Высоковольтная обмотка I трансформатора питает выпрямитель — удвоитель напряжения. Резисторы R1 и R2 ограничивают импульс тока нагрузки при включении преобразователя, если она имеет емкостный характер. Выходное напряжение регулируют изменением напряжения питания. Трансформатор Т1 — TBC-110J1A. С него срезают (не разбирая магнитопровода) анодную обмотку, и на ее место наматывают новую, состоящую из 18 витков провода ПЭВ-2-0,44 с отводом от 14-го витка. Высоковольтную обмотку оставляют неизменной. Трансформатор Т2 намотан на кольце типоразмера К20х12х6 из феррита М2000НМ1. Коллекторную обмотку III и обмотку обратной связи II наматывают первыми. Они содержат по 25, а выходная обмотка 1—15 витков провода ПЭВ-2-0,44.

Применение в качестве V1 достаточно мощного транзистора дало возможность установить его непосредственно на плате без радиатора. Для устранения возможности появления коронирующих разрядов детали высоковольтного выпрямителя должны быть припаяны к плате очень аккуратно, без заусенцев и острых углов, и залиты с обеих сторон платы эпоксидной смолой или парафином слоем 2...3 мм. Резисторы R1 и R2 лучше всего использовать типа КЭВ. Если емкость нагрузки не превышает нескольких сотен пикофарад, эти резисторы могут быть исключены. Конденсатор С1 — ПОВ (или К15-4, КВИ). Зазор между платой и металлическими стенками футляра преобразователя должен быть не менее 20 мм. Налаживание преобразователя сводится к подбору резистора R6 в пределах 0...20 Ом по наилучшей устойчивости работы задающего генератора и подбору конденсатора С2 при максимальном напряжении на выходе устройства по минимуму тока.

Импульсный высоковольтный блок питания

В статье из журнала ,,РАДИО,, №7 1990 приводится схема импульсного блока питания самодельного компьютера, которую можно использовать как генератор высоковольтного напряжения, если в качестве выходного трансформатора использовать трансформатор от строчной развертки телевизора типа ТВС или же использовать самодельный трансформатор на П-образном ферритовом магнитопроводе. При подключении ко вторичной обмотке такого трансформатора высоковольтного умножителя типа УН-8,5/25 или же самодельного умножителя на выходе получим напряжение ~ 25 - 30 кВ.

Схема генератора приведена на рисунке ниже.

Первичная обмотка (I) выходного трансформатора Тр2 преобразователя включена в диагональ моста, образованного транзисторами VT1, VT2 и конденсаторами С9, С10. Базовые цепи этих транзисторов питаются от обмоток II и III  трансформатора Т1, на первичную обмотку которого поступает ступенчатое напряжение с формирователя, собранного на микросхемах DD1, DD2.

Задающий генератор формирователя собран на инверторах DD1.1 и DD1.2 и вырабатывает колебания частотой, определяемой резистором R4  и конденсатором С6. Чем выше частота импульсов задающего генератора, тем выше мощность блока питания. Однако, следует помнить, что для выпрямления высокочастотных импульсов на вторичной обмотке выходного трансформатора потребуются быстродействующие диоды. Стандартные умножители напряжения типа УН - 9/27 рассчитаны на выпрямление импульсов с частотой ~ 15 кГц. Именно такой частоты выходных импульсов (можно чуть меньше) нужно добиваться, подбирая номиналы R4 и C6. Импульсы с выходов триггеров DD2.1 и DD2.2 поступают на входы элементов DD1.3 и DD1.4, в результате чего на их выходе формируются импульсные последовательности со скважностью 4. Их разность имеет вид импульсов чередующейся полярности с одинаковой длительностью и продолжительностью пауз между ними.

Через трансформатор Т1 это ступенчатое напряжение передается на базу транзисторов VT1,VT2 и поочередно открывает их. Наличие пауз между импульсами гарантирует полное закрывание каждого из них перед открыванием другого.

Микросхемы DD1,DD2 формирователя питаются напряжением 12 В от бестрансформаторного источника, состоящего из балластного конденсатора С3, выпрямительного моста VD2, стабилитрона VD3 и конденсаторов фильтра С7, С8. Выбор такого напряжения питания микросхем позволил использовать трансформатор Т1 с максимально возможным коэффициентом трансформации (10:1), что снизило токовую нагрузку на элементы DD1.3, DD1.4 и дало возможность обойтись без дополнительных транзисторных ключей в их выходной цепи.

Устройство собрано на печатной плате из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.

Транзисторы VT1, VT2 закреплены на пластине размерами 40х22 мм из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, припаянной перпендикулярно плате. Транзисторы КТ704А можно заменить на транзисторы КТ872А.

Трансформатор Т1 намотан на кольцевом магнитопроводе типоразмера К10х6х5 из феррита 3000НМ. Его обмотка I содержит 180 витков провода ПЭЛШО 0,1, обмотки II и III- по 18 витков ПЭЛШО 0,27.

Магнитопровод трансформатора Т2 собран из двух ферритовых (М2000 НМ ) П-образных половинок. Конкретный размер П-образного магнитопровода для маломощного генератора высокого напряжения значения не имеет. Обмотка I состоит из 100 витков провода ПЭВ-2 0,27, обмотка II - из 1200 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм.

Обмотки I  и II выходного трансформатора Т2 необходимо распределить по магнитопроводу как можно дальше друг от друга. Обычно их располагают так, как показано на рисунке ниже.

Если каркас обмотки I может быть выполнен из любого диэлектрика, то каркас высоковольтной обмотки II должен выдерживать высокое напряжение и не допускать пробоя между магнитопроводом и витками вторичной обмотки ( можно использовать обрезок сантехнической полипропиленовой трубки, внутренний диаметр которой равен диаметру магнитопровода). По торцам каркаса вторичной обмотки желательно сделать щитки из диэлектрической пластины, которые будут препятствовать высоковольтному пробою между витками вторичной обмотки и магнитопроводом.

Мощный высоковольтный блок питания

Изложенный ниже высоковольтный блок питания мощностью 800 Вт может быть использован для питания газоразрядных лазеров с рабочим током разряда в пределах 10 – 100 мА.

От описанных ранее он отличается применением в преобразователе полевых транзисторов, что обеспечивает более высокий КПД и пониженный уровень высокочастотных помех.

Недостаток такого схемного решения — высокое напряжение на половинах первичной обмотки, что требует применения транзисторов с соответствующим допустимым напряжением. Правда, в отличие от мостового преобразователя, в данном случае достаточно двух транзисторов вместо четырех, что немного упрощает конструкцию и повышает КПД устройства. В предлагаемом ИБП применен двухтактный преобразователь с трансформатором, первичная обмотка которого имеет средний вывод. Он имеет высокий КПД, низкий уровень пульсации и слабо излучает помехи в окружающее пространство.

Входное напряжение ИБП — 180...240 В, выходное напряжение определяется числом витков во вторичной обмотке высоковольтного трансформатора, максимальная мощность нагрузки — 800 Вт, рабочая частота преобразователя — 90 кГц. Принципиальная схема ИБП изображена на рисунке ниже.

Как видно, это преобразователь с внешним возбуждением без стабилизации выходного напряжения. На входе устройства включен высокочастотный фильтр Cl, LI, С2, предотвращающий попадание помех в сеть. Пройдя его, сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом VD1...VD4, пульсации сглаживаются конденсатором СЗ. Выпрямленное постоянное напряжение (около 310 В) используется для питания высокочастотного преобразователя.

Устройство управления преобразователем выполнено на микросхемах DD1...DD3. Питается оно от отдельного стабилизированного источника, состоящего из понижающего трансформатора Т1, выпрямителя VD5 и стабилизатора напряжения на транзисторах VT1, VT2 и стабилитроне VD6. На элементах DDl.l, DD1.2 собран задающий генератор, вырабатывающий импульсы с частотой следования около 360 кГц. Далее следует делитель частоты на 4, выполненный на триггерах микросхемы DD2. С помощью элементов DD3.1, DD3.2 создаются дополнительные паузы между импульсами. Паузой является не что иное, как уровень логического 0 на выходах этих элементов, появляющийся при наличии уровня логической 1 на выходах элемента DD1.2 и триггеров DD2.1 и DD2.2. Напряжение низкого уровня на выходе DD3.1 (DD3.2) блокирует DD1.3 (DD1.4) в «закрытом» состоянии (на выходе — уровень логической 1). Длительность паузы равна 1/3 от длительности импульса напряжений на выводах 1 DD3.1 и 13 DD3.2, чего вполне достаточно для закрывания ключевого транзистора. С выходов элементов DD1.3 и DD1.4 окончательно сформированные импульсы поступают на транзисторные ключи (VT5, VT6), которые через резисторы R10, R11 управляют затворами мощных полевых транзисторов VT9, VT10 .

Импульсы с прямого и инверсного выходов триггера DD2.2 поступают на входы устройства, выполненного на транзисторах VT3, VT4, VT7, VT8. Открываясь поочередно, VT3 и VT7, VT4 и VT8 создают условия для быстрой разрядки входных емкостей ключевых транзисторов VT9, VT10, т.е. их быстрого закрывания. В цепи затворов транзисторов VT9 и VT10 включены резисторы относительно большого сопротивления R10 и R11. Вместе с емкостью затворов они образуют фильтры нижних частот, уменьшающие уровень гармоник при открывании ключей.

С этой же целью введены элементы VD9...VD12, R16, R17, С12, С13. В стоковые цепи транзисторов VT9, VT10 включена первичная обмотка трансформатора Т2. Выпрямитель выходного высоковольтного напряжения выполнен на цепочке из высоковольтных диодов VD и конденсатора С, рабочее напряжение которого должно быть выше напряжения на вторичной обмотке высоковольтного трансформатора.

В устройстве применены конденсаторы К73-17 (С1, С2, С4), К50- 17 (СЗ), МБМ (С12, С13), К73-16 (С14...С21, С24, С25), К50-35 (С5...С7), КМ (остальные).

Вместо указанных на схеме допустимо применение микросхем серий К176, К564. Диоды Д246 (VD1...VD4) заменимы на любые другие, рассчитанные на прямой ток не менее 5 А и обратное напряжение не менее 350 В (КД202К, КД202М, КД202Р, КД206Б, Д247Б), или диодный выпрямительный мост с такими же параметрами, диоды КД2997А (VD13...VD20) — на КД2997Б, КД2999Б, стабилитрон Д810 (VD6) - на Д814В.

В ка­честве VT1 можно использовать любые транзисторы серий КТ817, КТ819, в качестве VT2...VT4 и VT5, VT6 — соответственно, любые из серий КТ315, КТ503, КТ3102 и КТ361, КТ502, КТ3107, на месте VT9, VT10 - КП707В1, КП707Е1. Транзисторы КТ3102Ж (VT7, VT8) заменять не рекомендуется.

Трансформатор Т1 — ТС-10-1 или любой другой с напряжением вторичной обмотки 11...13 В при токе нагрузки не менее 150 мА.

Катушку L1 сетевого фильтра наматывают на ферритовом (М2000НМ1) кольце типоразмера К31х18,5х7 проводом ПЭВ-1-1.0 (2x25 витков).

Трансформатор Т2 изготовлен из двух П-образных половинок феррита той же марки. Обмотка I содержит 2x42 витка провода ПЭВ-2-1,0 (наматывают в два провода), число витков вторичной обмотки определяется требуемым напряжением питания лазера и может изменяться в широких пределах. Толщина провода вторичной обмотки выбирается, исходя из рабочего тока лазера.

Транзисторы VT9, VT10 устанавливают на теплоотводах с вентиляторами, применяемых для охлаждения микропроцессоров Pentium (подойдут аналогичные узлы и от процессоров 486).

Конкретные параметры диодов VD  высоковольтной выпрямительной цепочки зависят от рабочего напряжения и тока газоразрядной трубки лазера. Кроме того, следует помнить, что для выпрямления высокочастотного импульсного напряжения требуются быстродействующие диоды типа диоды Шоттки.

При монтаже ИБП следует стремиться к тому, чтобы все соединения были возможно короче, а в силовой части использовать провод возможно большего сечения. Поскольку ИБП не оснащен устройством защиты от короткого замыкания и перегрузки, в цепи питания необходимо включить предохранители на 10 А. В налаживании описанный ИБП практически не нуждается. Важно только правильно сфазировать половины первичной обмотки трансформатора Т2. При исправных деталях и отсутствии ошибок в монтаже блок начинает работать сразу после включения в сеть. Если необходимо, частоту преобразователя подстраивают подбором резистора R3.

Высоковольтный блок питания с регулировкой выходного напряжения

Ниже приведена схема высоковольтного блока питания, в котором имеется возможность регулировки выходного напряжения. Задающий генератор импульсов собран на микросхеме IR 2153. Частота импульсов регулируется резистором R6.

Силовая часть выполнена на шести MOSFET-транзисторах типа IRF 840. Для маломощного блока питания вполне хватит и двух транзисторов IRF 840.

Выходное напряжение регулируется резистором R14, а пределы регулировки определяются резистором R16.

В качестве высоковольтного трансформатора используется стандартный трансформатор от телевизора типа ТВС-110 ЛА.

Высоковольтный блок питания на микросхеме IR 2153

Ниже приведена схема компактного генератора высоковольтного напряжения на микросхеме IR 2153 и двух силовых MOSFET-транзисторах типа IRF 840. По этой схеме я собрал блок питания для своих самодельных лазеров на воздухе .

В качестве высоковольтного трансформатора можно использовать стандартный трансформатор от телевизора типа ТВС или же самодельный.

Частота импульсов задающего генератора микросхемы IR 2153 определяется номиналами деталей R3 и С5. Подбирая эти детали, следует добиться частоты импульсов на вторичной обмотке трансформатора Т1 в пределах 10 – 15 кГц. Не нужно увеличивать частоту импульсов, ибо на частотах > 18 кГц стандартные умножители напряжения типа УН – 9/27 перестают работать, и выходное напряжение повышаться не будет. В зависимости от числа витков во вторичной обмотке трансформатора Т1 выходное напряжение может достигать ~ 30 кВ.