Самодельный лазер - Высоковольтный конденсатор

«Заряженный высоковольтный конденсатор можно отнести к источнику постоянного тока. Считается, что постоянный ток менее опасен, чем переменный. Исходя из своего опыта, могу не согласиться. Если Вы «подключаетесь» к бытовой электросети, то Вы будете дергаться. Хотя частота тока в розетке равна 50 Гц, и человек не успеет отреагировать на столь быстрое событие, тем не менее, у Вас будет шанс в процессе конвульсий самостоятельно освободиться от действия электрического тока. Ведь напряжение в розетке 50 раз в секунду равно нулю. Если Вы «подключаетесь» к мощному источнику постоянного тока, то тут без вариантов. Ваши мышцы сильно сократятся, и никакой силы воли не хватит, чтобы расслабить их. Вы будете словно приклеенный к источнику постоянного тока. При этом Ваша тушка будет нагреваться, медленно превращаясь в уголь. Жуть !
Поражающее действие заряженного высоковольтного конденсатора несколько иное и зависит от конкретных условий. Однако в любом случае приятных ощущений от прикосновения к электродам заряженного конденсатора у Вас точно не будет. Однозначно ! Обуглиться не успеете, но шары на лоб полезут. Чик…и ты уже на небесах ! В особо тяжких случаях при чудовищно большом заряде ( не будем говорить о цифрах) конденсатор разорвет Вас как тузик грелку. Шары будут в одном углу комнаты, а лоб – в другом углу комнаты.
Короче говоря, будьте бздительны ! При работе с высоковольтной техникой лучше перебздеть, чем недобздеть.»

Конденсатор является одним из главных элементов в блоке питания импульсных лазеров. Высоковольтный конденсатор используется для питания импульсных ламп-вспышек, а также для накачки импульсных газоразрядных лазеров. Параметры конденсатора выбираются в зависимости от конкретного типа лазера. Определяющими являются такие величины как емкость, рабочее напряжение, волновое сопротивление и собственная индуктивность конденсатора. От емкости и рабочего напряжения конденсатора зависит энергия накачки. Энергия конденсатора рассчитывается по простой формуле

Е = СU²/2, где Е – энергия конденсатора

С – емкость конденсатора

U – напряжение зарядки конденсатора

От волнового сопротивления зависит величина тока, который будет проходить при разряде конденсатора через малую нагрузку. Чем меньше волновое сопротивление конденсатора, тем выше ток. Волновое сопротивление рассчитывается по формуле

ρ_к = √(L_к/C_к), где ρ_к- вволновое сопротивление конденсатора

L_к– индуктивность конденсатора

C_к- емкость конденсатора

От собственной индуктивности конденсатора зависит быстрота передачи энергии конденсатора в нагрузку. Чем меньше индуктивность конденсатора, тем выше крутизна фронта импульса накачки. Откуда в конденсаторе индуктивность ? Дело в том, что обкладки конденсатора представляют собой проводник тока, а проводник, через который протекает ток, имеет индуктивность. Даже если конденсатор состоит лишь из двух обкладок, реальная схема конденсатора соответствует рисунку ниже.

Это классический колебательный контур с активным сопротивлением R, которое зависит от диэлектрика между обкладками конденсатора и удельного сопротивления всех токоведущих элементов конденсатора. Таким образом, заряд и разряд конденсатора происходит не мгновенно, а имеет колебательный характер. Частота колебаний определяется формулой Томпсона, из которой и вычисляется собственная индуктивность конденсатора.

формула Томпсона

, где L_к– собственная индуктивность конденсатора

C_к- емкость конденсатора

f_p– основная резонансная частота

Разумеется, чем выше энергия конденсатора, тем больше мощность накачки. Однако с увеличением емкости конденсатора возрастает и время импульса накачки. Если длительность накачки не имеет принципиального значения, то для работы лазера подойдут высоковольтные электролитические конденсаторы. Такие конденсаторы можно использовать, например, для накачки рубинового или неодимового лазера. Конечно, проблематично раздобыть кондер, имеющий 1000 мкФ при рабочем напряжении 3 кВ. Но эта проблема легко решается, если использовать банк конденсаторов. При последовательном соединении отдельных конденсаторов суммарное напряжение зарядки возрастает, а емкость можно увеличить параллельным подключением конденсаторов. В радиотехнических магазинах можно купить электролитические конденсаторы, имеющие, например, 150 мкФ х 450 В.

Из таких конденсаторов можно составить банк на любую емкость и рабочее напряжение.
На рисунке ниже показан пример банка конденсаторов, эквивалентный одному конденсатору на 30 мкФ х 2 кВ.

Если длительность накачки должна быть как можно меньше, то для работы лазера электролитические конденсаторы уже не подходят, и нужно приобретать импульсные конденсаторы. К сожалению, в радиотехнических магазинах импульсные высоковольтные конденсаторы – товар редкий. В магазине «Чип и Дип» можно затариться высоковольтными конденсаторами фирмы «MURATA».

Однако максимальное напряжение таких конденсаторов ограничено на уровне 15 кВ при емкости 1 нФ. Такие конденсаторы можно использовать для накачки самодельных азотных лазеров или лазеров на парах металлов.
Для накачки лазеров на красителях потребуется 100 – 1000 штук таких конденсаторов, соединенных параллельно. Учитывая стоимость одного такого кондера на уровне ~ 80 руб/шт, все удовольствие обойдется любителю минимум 8 000 руб. Так еще нужно спаять из кучи конденсаторов единый банк.
Через Интернет можно приобрести конденсаторы типа КВИ-3, которые также подходят для накачки лазеров, но их цена будет еще дороже (~ 200 руб/шт).

Также через Интернет приобретаются конденсаторы типа КПИМ, которые вполне подойдут для накачки лазера на красителе.

Эти конденсаторы имеют впечатляющие характеристики. Рабочее напряжение может быть в пределах 5 – 100 кВ при емкости конденсатора 0,1 – 240 мкФ. Но вот частота импульсов будет < 1Гц. По стоимости эти конденсаторы самые дорогие. Их цена за штуку начинается от 20 000 руб. За такие деньги можно купить готовый лазер, причем нехилой мощности и не заниматься творческим онанизмом.
Если же денег нет, а очень хочется, то приступаем к рукоблудию, а именно к изготовлению самодельного высоковольтного конденсатора.

Самодельный высоковольтный конденсатор

Схема конденсатора проста, но вот трудности реализации этой схемы в виде готовой конструкции возрастают с ростом рабочего напряжения конденсатора. Для начала разберем возможные варианты простого конденсатора из двух обкладок, разделенных воздухом. На рисунке 1 показаны пластины заряженного конденсатора. Если нужно изготовить конденсатор с низкой индуктивностью, то следует стремиться укорачивать все токоведущие элементы. Причем направление токов в обкладках конденсатора при разрядке должно быть противоположным, дабы снизить магнитное поле. Направление токов зависит от места подключения электродов конденсатора. Индуктивность конденсатора будет самой наименьшей, если электроды конденсатора соединены с обкладками по центру, как показано на рисунке 2.

Собственно по этой схеме изготавливаются коммерческие керамические конденсаторы. Только у высоковольтных конденсаторов обкладки имеют форму круга во избежание возникновения коронных разрядов. Возможные варианты подключения электродов к обкладкам конденсатора, а также направления токов при разрядке показаны на рисунке ниже.

Схема рисунка 3 соответствует минимальной индуктивности конденсатора. По этой схеме и нужно изготавливать конденсатор, если требуется короткий импульс накачки.
Емкость плоского конденсатора вычисляется по формуле:

, где С – емкость конденсатора

ε – относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрика между

обкладками конденсатора

ε₀ – абсолютная диэлектрическая проницаемость, равная 8,85х10^-12 Ф/м

S – площадь обкладок конденсатора

d – толщина диэлектрика между обкладками конденсатора

Как видно из формулы, для повышения емкости конденсатора нужно уменьшать толщину диэлектрика и повышать площадь обкладок конденсатора. Уменьшать толщину диэлектрика можно до определенного предела, который зависит от диэлектрической прочности материала диэлектрика. Ниже этого предела произойдет пробой диэлектрика и конденсатор можно выбрасывать. Повышение площади обкладок приводит к увеличению размеров конденсатора. Для компактности конденсатора его обкладки либо сворачиваются в рулон (рулонная технология), либо собираются в пакет (пакетная технология).

Рулонная технология

Под рулонной технологией изготовления конденсатора понимается способ компоновки обкладок конденсатора, когда длинные полоски обкладок сворачиваются в рулон, тем самым, уменьшая размеры конденсатора. Схематически такой конденсатор является полосковой линией, показанной на рисунке ниже.

Для изготовления конденсатора понадобится полиэтиленовая пленка, пищевая алюминиевая фольга, полоски жести от консервной банки (например, «сгущенное молоко»), скотч-лента. Полиэтиленовую пленку можно купить на строительном рынке или в магазине «Хозтовары». Лучше брать самую толстую пленку (~200 мкм), хотя и пленка в 100 мкм тоже подойдет. Просто расход пленки будет больше. Главное, чтобы поверхность пленки не имела царапин и проколов. Полиэтиленовая пленка будет служить диэлектриком, разделяющим обкладки конденсатора, и от качества поверхности пленки зависит надежность работы конденсатора. Любая соринка или волосок на поверхности пленки будут источником коронного разряда, который в конечном итоге приводит к пробою пленки.
Прежде всего, нужно определиться с рабочим напряжением конденсатора. От этого зависит выбор толщины полиэтиленовой пленки. Диэлектрическая прочность полиэтилена находится в пределах 40 – 60 кВ/мм. Это значит, что при толщине пленки 100 мкм предельное рабочее напряжение конденсатора составит ~ 5 кВ.
При толщине пленки 200 мкм предельное рабочее напряжение конденсатора составит ~ 10 кВ. Для повышения рабочего напряжения нужно просто использовать несколько слоев пленки, наложенных один на другой.
Изготавливать конденсатор будем по схеме рисунка 3 (см. выше).

Каждая из обкладок конденсатора будет помещаться в свой конверт из полиэтиленовой пленки. Конверт представляет собой сложенную пополам полоску полиэтиленовой пленки произвольных размеров. Чем больше будет длина полоски, тем выше возможная емкость конденсатора. Ширина полоски делается несколько больше ширины обкладок конденсатора с тем, чтобы предотвратить возникновение разряда по воздуху между обкладками конденсатора.

Электроды конденсатора вырезаются из консервной жести в виде прямоугольной полоски шириной ~ 1 см. Длина жестяной полоски произвольная, но не меньше ширины полиэтиленовой пленки. Для предотвращения коронных разрядов концы жестяной полоски округляются напильником (рис.7 ниже). Для снижения активного сопротивления жестяная полоска обворачивается несколькими слоями алюминиевой фольги (рис.8 ниже).
Для предотвращения возникновения искрового разряда между электродами конденсатора полоска жести с одного конца обворачивается несколькими слоями полиэтиленовой пленки, которая фиксируется скотч-лентой (рис.9 ниже).

Обкладки конденсатора вырезаются в виде прямоугольной полоски из алюминиевой фольги. Размеры обкладки делаются такими, чтобы она была несколько меньше размеров полиэтиленового конверта. Концы алюминиевой полоски округляются ножницами с целью предотвращения возникновения коронного разряда.
Электрод фиксируется на обкладке скотч-лентой как показано на рисунке ниже.

Обкладка конденсатора помещается на полиэтиленовую пленку так, как показано на рисунке ниже.

Затем полиэтиленовая пленка складывается пополам, как показано на рисунке ниже.

Таким же способом подготавливается вторая обкладка конденсатора.
Теперь можно сворачивать полоски в рулон. Если полиэтиленовые полоски очень длинные, то сворачивать рулон проще на полу комнаты.
Один конверт полиэтиленовой пленки с обкладкой конденсатора расстилается на полу и сверху на него накладывается второй конверт с обкладкой конденсатора так, чтобы обе обкладки были параллельно друг другу ( рисунок ниже).

Рулон сворачивается, начиная от электродов, как показано на рисунке ниже.

Поскольку алюминиевая фольга в полиэтиленовом конверте не закреплена, при сворачивании рулона нужно следить, чтобы обкладки конденсатора оставались параллельны друг другу и не вылезали за пределы полиэтиленовой пленки. Свернутый рулон как можно туже стягивается скотч-лентой, которая служит не только стяжкой, но и фиксирует рулон, предотвращая разматывание полиэтиленовой пленки.
Изготовленный конденсатор показан на рисунке ниже.

Для предотвращения пробоя по воздуху электроды конденсатора несколько отгибаются друг от друга. Но лучше при рабочих напряжениях конденсатора более 10 кВ между электродами конденсатора установить пластинку оргстекла толщиной 3 – 4 мм. Размеры пластинки выбираются исходя из рабочего напряжения конденсатора. Назначение оргстеклянной пластинки в том, чтобы снизить напряженность электрического поля между электродами конденсатора и тем самым предотвратить межэлектродный пробой по воздуху.
Емкость изготовленного конденсатора можно измерить цифровым LC – метром.

Пакетная технология

Под пакетной технологией изготовления конденсатора понимается способ компоновки обкладок конденсатора, когда короткие полоски обкладок накладываются друг на друга, образуя пакет.

Схематически такой конденсатор показан на рисунке ниже.

Самым простым способом изготовления конденсатора по пакетной технологии будет использование двусторонне фольгированного гетинакса, который можно купить на радиорынке или в магазине (например, «Чип и Дип»). Двусторонне фольгированный гетинакс – это практически готовый конденсатор (рис.1 ниже). Осталось лишь с двух сторон снять по периметру листа полоску меди (рис.2 ниже) для предотвращения межэлектродного пробоя по воздуху и подключить электроды к обеим поверхностям листа (рис.3 ниже).
Все ! Конденсатор готов !

Конечно, емкость такого конденсатора будет небольшой. Но если наложить друг на друга несколько листов, соединяя плюс к плюсу, а минус к минусу, то можно получить значительную емкость. К сожалению, гетинакс, также как и текстолит, - не самый лучший материал для высоковольтной техники. Диэлектрическая прочность этих материалов ~ 18 кВ/мм. Это значит, что самый распространенный в продаже фольгированный лист гетинакса толщиной 1,5 мм можно зарядить до ~ 20 кВ. При большем зарядном напряжении возрастает вероятность пробоя гетинакса. Кроме того, себестоимость изготовления такого самодельного конденсатора будет очень высокой, если нужна большая емкость.
Более дешевым, но трудоемким будет изготовление высоковольтного конденсатора с использованием полиэтиленовой пленки и пищевой алюминиевой фольги. Ниже изложен вариант методики изготовления конденсатора по пакетной технологии.

В первую очередь определяемся с рабочим напряжением конденсатора, отчего зависит выбор толщины полиэтиленовой пленки. Еще раз напомню, диэлектрическая прочность полиэтилена находится в пределах 40 – 60 кВ/мм. Для изготовления конденсатора большой емкости потребуется значительное количество, как алюминиевой фольги, так и полиэтиленовой пленки. Кроме того, потребуются два толстых (4 – 5 мм) диэлектрических листа (в моих самоделках используется оргстекло) для стяжки пакета конденсатора.
Каждая обкладка конденсатора представляет собой полоску алюминиевой фольги, концы которой округлены ножницами для предотвращения возникновения коронных разрядов. Каждая обкладка соединяется с другими обкладками той же полярности через контактную полоску, которая вырезается из алюминиевой фольги и закрепляется скотч-лентой на обкладке (рисунок ниже).

Из полиэтиленовой пленки вырезается полоска, размеры которой несколько больше размеров обкладки конденсатора. На пленке с помощью скотч-ленты фиксируется полоска алюминиевой фольги (рисунок ниже).

Затем пленка складывается пополам, образуя слой диэлектрика с двух сторон обкладки конденсатора (рисунок ниже).

Так же изготавливается обкладка конденсатора противоположной полярности. Затем обкладки накладываются друг на друга (рисунок ниже).

В принципе, конденсатор готов. Нужно только прижать обкладки друг к другу с помощью диэлектрических пластин и стянуть весь пакет. Однако емкость конденсатора будет незначительной. Для увеличения емкости нужно увеличивать число обкладок конденсатора. Поперечный разрез конденсатора с несколькими обкладками показан на рисунке ниже.

По такой схеме можно изготовить конденсатор на любую емкость и рабочее напряжение. Хоть на 1 000 0000 В. Принципиальное ограничение – размер помещения, где будет находиться конденсатор. С ростом емкости увеличиваются и размеры конденсатора. Даже если рабочее напряжение будет 20 кВ, наращивание емкости приведет к тому, что конденсатор превращается…

…превращается конденсатор…

…в элегантную тумбочку для интерьера комнаты.

И чем толще пакет конденсаторных обкладок, тем больше нужно прилагать усилий, чтобы стянуть его. Облегчить стягивание пакета помогут толстые диэлектрические пластины, между которыми помещается весь пакет обкладок.

Как вариант на рисунке ниже показаны две пластины из оргстекла толщиной 5 мм, которые будут служить и корпусом конденсатора, и сжимать пакет обкладок. На верхней пластине по всей длине приклеена межэлектродная разделительная перегородка с пазами для пластиковых стяжек.

Весь пакет обкладок помещается на нижнюю диэлектрическую пластину, а верхняя пластина накладывается на пакет. Затем как можно сильнее верхняя пластина прижимается (руками, ногами, прессом и т. д.) к нижней. Фиксация стянутых пластин осуществляется пластиковыми стяжками.
Готовый стянутый пакет обкладок конденсатора показан на рисунке ниже.

После стягивания и фиксации пакета можно закреплять контактные полоски обкладок конденсатора. Схема крепления контактных полосок показана на рисунке ниже.

Достоинством «сухого» конденсатора, изготовленного по изложенной выше рулонной или пакетной технологии, является малая величина утечки электрического заряда, что важно при работе конденсатора в высокочастотных схемах. Однако такой конденсатор имеет и существенный недостаток, а именно наличие воздуха между обкладками. Каким бы сильным не было сжатие обкладок, воздух между ними будет всегда. Само по себе наличие воздуха никоим образом не сказывается на энергетических характеристиках конденсатора. «Сухие» конденсаторы вполне можно применять в качестве накопительных, которые служат для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения до 1 кВ. Однако с ростом зарядного напряжения воздух начинает ионизироваться, что проявляется в характерном шипении конденсатора при его подключении к источнику напряжения > 10 кВ. Шипение вызвано возникновением коронных разрядов, которые в конечном итоге приводят к пробою диэлектрика между обкладками конденсатора. А если использовать конденсатор в режиме коротких замыканий, что характерно для работы импульсного конденсатора, то проявление коронных разрядов будет максимальным. Даже при идеальной поверхности пленки между обкладками конденсатора коронные разряды будут возникать по периметру кромки алюминиевой фольги в момент быстрого разряда конденсатора, как показано на рисунке ниже.

Свечение коронных разрядов в самодельном конденсаторе можно увидеть в затемненном помещении.

По причине возникновения коронных разрядов коммерческие высоковольтные конденсаторы всегда погружаются в жидкий диэлектрик, который, во-первых, имеет большую диэлектрическую прочность, чем воздух, а во-вторых, повышает емкость конденсатора, поскольку диэлектрическая проницаемость любого жидкого диэлектрика выше, чем у воздуха. Более того, высоковольтные конденсаторы с рабочим напряжением в десятки киловольт никогда не делаются в виде единого рулона или отдельного пакета. Если требуется изготовить высоковольтный конденсатор, то он набирается из нескольких секций (рулонов или пакетов), которые соединяются между собой параллельно для увеличения емкости и последовательно для увеличения рабочего напряжения. Причем рабочее напряжение каждой секции не превышает 10 кВ. Все секции собранного конденсатора размещаются в прочном корпусе и заливаются жидким диэлектриком.
В качестве жидкого диэлектрика применяют масло, которое может быть либо минеральным (нефтяное), либо растительное (касторовое), либо синтетическое (например, силиконовое). Каждое из масел имеет свои плюсы и минусы, не имеющие особого значения для самодельных конструкций. Если есть желание погружать свой самодельный конденсатор в масло, то совсем не обязательно затариваться, например, касторовым маслом, которое можно купить в аптеке. Вполне подойдет пищевое растительное масло типа «Олейна», «Милора» и т.д, которое обойдется дешевле. Например, рулонный конденсатор можно сунуть в стеклянную банку и залить ее маслом (рисунок ниже).

Заманчиво использовать в качестве жидкого диэлектрика глицерин (ε ≈ 40) или дистиллированную воду (ε ≈ 80). Эти жидкости на порядок повышают емкость конденсатора. К сожалению, и глицерин, и вода имеют относительно низкое удельное сопротивление, что приведет к шунтированию источника высокого напряжения, имеющего высокоомный выход (например, диодно-конденсаторный умножитель напряжения ). Проще говоря, конденсатор замкнет блок питания, и никакого высокого напряжения не будет. Тем не менее, глицерин и воду с успехом применяют в импульсных высоковольтных конденсаторах. Фишка в том, что конденсатор заряжается не от источника постоянного напряжения, а от генератора импульсных напряжений (ГИН).

Конструкция импульсного конденсатора представляет собой коаксиальную линию, составленную из двух дюралюминиевых трубок, между которыми заливается либо глицерин, либо дистиллированная вода.