Генератор импульсов высокого напряжения своими руками

Опасное развлечение: простой для повторения генератор высокого напряжения

Добрый день, уважаемые хабровчане.
Этот пост будет немного необычным.
В нём я расскажу, как сделать простой и достаточно мощный генератор высокого напряжения (280 000 вольт). За основу я взял схему Генератора Маркса. Особенность моей схемы в том, что я пересчитал её под доступные и недорогие детали. К тому же сама схема проста для повторения (у меня на её сборку ушло 15 минут), не требует настройки и запускается с первого раза. На мой взгляд намного проще чем трансформатор Теслы или умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона.

Принцип работы

Сразу после включения начинают заряжаться конденсаторы. В моём случае до 35 киловольт. Как только напряжение достигнет порога пробоя одного из разрядников, конденсаторы через разрядник соединятся последовательно, что приведёт к удвоению напряжения на конденсаторах, подсоединённых к этому разряднику. Из-за этого практически мгновенно срабатывают остальные разрядники, и напряжение на конденсаторах складывается. Я использовал 12 ступеней, то есть напряжение должно умножиться на 12 (12 х 35 = 420). 420 киловольт — это почти полуметровые разряды. Но на практике, с учетом всех потерь, получились разряды длиной 28 см. Потери были вследствие коронных разрядов.

О деталях:

Сама схема простая, состоит из конденсаторов, резисторов и разрядников. Ещё потребуется источник питания. Так как все детали высоковольтные, возникает вопрос, где же их достать? Теперь обо всём по порядку:

1 — резисторы

Нужны резисторы на 100 кОм, 5 ватт, 50 000 вольт.
Я пробовал много заводских резисторов, но ни один не выдерживал такого напряжения — дуга пробивала поверх корпуса и ничего не работало. Тщательное загугливание дало неожиданный ответ: мастера, которые собирали генератор Маркса на напряжение более 100 000 вольт, использовали сложные жидкостные резисторы генератор Маркса на жидкостных резисторах, или же использовали очень много ступеней. Я захотел чего-то проще и сделал резисторы из дерева.

Отломал на улице две ровных веточки сырого древа (сухое ток не проводит) и включил первую ветку вместо группы резисторов справа от конденсаторов, вторую ветку вместо группы резисторов слева от конденсаторов. Получилось две веточки с множеством выводов через равные расстояния. Выводы я делал путём наматывания оголённого провода поверх веток. Как показывает опыт, такие резисторы выдерживают напряжение в десятки мегавольт (10 000 000 вольт)

2 — конденсаторы

Тут всё проще. Я взял конденсаторы, которые были самыми дешевыми на радио рынке — К15-4, 470 пкф, 30 кВ, (они же гриншиты). Их использовали в ламповых телевизорах, поэтому сейчас их можно купить на разборке или попросить бесплатно. Напряжение в 35 киловольт они выдерживают хорошо, ни один не пробило.

3 — источник питания

Собирать отдельную схему для питания моего генератора Маркса у меня просто не поднялась рука. Потому, что на днях мне соседка отдала старенький телевизор «Электрон ТЦ-451». На аноде кинескопа в цветных телевизорах используется постоянное напряжение около 27 000 вольт. Я отсоединил высоковольтный провод (присоску) с анода кинескопа и решил проверить, какая дуга получится от этого напряжения.

Вдоволь наигравшись с дугой, пришел к выводу, что схема в телевизоре достаточно стабильная, легко выдерживает перегрузки и в случае короткого замыкания срабатывает защита и ничего не сгорает. Схема в телевизоре имеет запас по мощности и мне удалось разогнать её с 27 до 35 киловольт. Для этого я покрутил подстроичник R2 в модуле питания телевизора так, что питание в строчной развертке поднялось с 125 до 150 вольт, что в свою очередь привело к повышению анодного напряжения до 35 киловольт. При попытке ещё больше увеличить напряжение, пробивает транзистор КТ838А в строчной развёртке телевизора, поэтому нужно не переборщить.

Процесс сборки

С помощью медной проволоки я прикрутил конденсаторы к веткам дерева. Между конденсаторами должно быть расстояние 37 мм, иначе может произойти нежелательный пробой. Свободные концы проволоки я загнул так, чтобы между ними получилось 30 мм — это будут разрядники.

Лучше один раз увидеть, чем 100 раз услышать. Смотрите видео, где я подробно показал процесс сборки и работу генератора:

Техника безопасности

Нужно соблюдать особую осторожность, так как схема работает на постоянном напряжении и разряд даже от одного конденсатора будет скорее всего смертельным. При включении схемы нужно находиться на достаточном удалении потому, что электричество пробивает через воздух 20 см и даже более. После каждого выключения нужно обязательно разряжать все конденсаторы (даже те, что стоят в телевизоре) хорошо заземлённым проводом.

Лучше из комнаты, где будут проводиться опыты, убрать всю электронику. Разряды создают мощные электромагнитные импульсы. Телефон, клавиатура и монитор, которые показаны у меня в видео, вышли из строя и ремонту больше не подлежат! Даже в соседней комнате у меня выключился газовый котёл.

Нужно беречь слух. Шум от разрядов похож на выстрелы, потом от него звенит в ушах.

Интересные наблюдения

Первое, что ощущаешь при включении — то, как электризуется воздух в комнате. Напряженность электрического поля настолько высока, что чувствуется каждым волоском тела.

Хорошо заметен коронный разряд. Красивое голубоватое свечение вокруг деталей и проводов.
Постоянно слегка бьет током, иногда даже не поймёшь от чего: прикоснулся к двери — проскочила искра, захотел взять ножницы — стрельнуло от ножниц. В темноте заметил, что искры проскакивают между разными металлическими предметами, не связанными с генератором: в дипломате с инструментом проскакивали искорки между отвёртками, плоскогубцами, паяльником.

Лампочки загораются сами по себе, без проводов.

Озоном пахнет по всему дому, как после грозы.

Заключение

Все детали обойдутся где-то в 50 грн (5$), это старый телевизор и конденсаторы. Сейчас я разрабатываю принципиально новую схему, с целью без особых затрат получать метровые разряды. Вы спросите: какое применение данной схемы? Отвечу, что применения есть, но обсуждать их нужно уже в другой теме.

На этом у меня всё, соблюдайте осторожность при работе с высоким напряжением.

Источник

Схема высоковольтного генератора

Батраков Евгений E-mail captain_billy (at) mailru.com http://radiolub.chat.ru/Monstr/monstr.htm

Я как любитель всяких импульсных и особенно высоковольтных устройств решил сделать высоковольтный генератор (идея вообще-то была сделать люстру Чижевского). Подошел я к этому весьма творчески. Т.е. как всегда чужую готовую схему повторять неинтересно — надо что-то сочинить свое. Сначала я правда перепробовал кучу схем. На транзисторах делал — мне что-то не понравилось, да и транзисторы грелись сильно. Сделал обычную схему на тиристорах — трансформатор сильно трещит (можно его конечно залить эпоксидкой, но возиться не хотелось). Частота низкая импульсы короткие. Да и напряжения высокого какого хотел (а хотелось по больше) я не получил. И я решил пойти другим путем — чтобы треск или свист не был слышен, я решил поднять частоту за пределы слышимости, т.е. килогерц 20-30 и при этом сделать генератор на тиристоре. У меня для этого было несколько высокочастотных тиристоров ТЧ63. Мощная штука — частота до 33кГц, ток постоянный 63А, а импульсный ток килоампера полтора, т.е. для импульсных устройств подходит идеально.

Попробовал я сначала вот эту схему (с этим тиристором):

Но почему-то я не смог выжать с однопереходного транзистора больше 10 кГц, ну а свист — кому понравится. Хотя в принципе схема не плохая. Хотя недостаток был еще один — резистор R3 греется очень сильно, причем мне пришлось ставить два проволочных остеклованных по 7 Ватт каждый, и все равно нагрев чрезмерно большой. Меня это не устроило. Хотя на выходе получил достаточно большое напряжение — пробивало зазор в несколько миллиметров. К сожалению напряжение померить было нечем — проверял на глазок по ширине пробивного зазора. В разной литературе указывается по разному, но в большинстве принято считать для переменного напряжения примерно 1 мм на 1 кВ, а для постоянного 1 мм на 3 кВ. Хотя это зависит от частоты (для переменного тока) и от влажности и давления. У меня ширина пробоя оказалась миллиметров 10-12 для переменного тока (почему-то при попытке выпрямить или пропустить через умножитель напряжение падало настолько сильно, что зазор уменьшался почти до нуля). Меня все это совершенно не устроило. Вот тут я и ступил на путь создания «высоковольтного монстра».

Во-первых я собрал задающий генератор по стандартной, годами проверенной схеме. На двух транзисторах разной проводимости. Это позволило без труда сделать генератор коротких импульсов с частотой изменяемой в широких пределах от 1 кГц до 50-70 кГц. Трансформатор на ферритовом колечке диаметром 10-12 мм.

Затем порывшись в груде книг и учебников я выбрал другое включение конденсатора-тиристора-трансформатора (именно так кстати делается в электронных тиристорных схемах зажигания) ее преимущество в том, что этот вариант включения практически не боится короткого замыкания на выходе:

И самое главное вместо так непонравившегося мне греющегося резистора я поставил дроссель Др1 (кстати пусковой дроссель от лампы дневного света). Дроссели Др2 и Др3 в принципе защитные (по 16 витков на феррите), но можно их наверное не ставить (хотя Др3 — влияет на резонанс).

Когда я все это включил, то начал с минимальной частоты и напряжения питания вольт 30-50. Сначала я услышал писк и на выходе пробивало зазор в пару миллиметров. Затем я стал повышать частоту и при приближении к 18-20 кГц писк не стал слышен. А вот дальше произошло самое интересное. В какой-то момент система попала в резонанс. Я услышал мощное шипение, и между выходными проводами образовалась дуга длиной миллиметров в 45, причем это было не просто потрескивание с синей искрой — это была дуга с высокой энергией ярко сиреневого цвета — такой плазменный жгут или шнур. И это все при напряжении питания в 60 вольт (если честно, я больше 80 В дать просто побоялся). Я решил проверить как обычно на пробой плотного листа бумаги (с предыдущими схемами я баловался — симпатичные такие дырочки получались). Сказать, что ее пробило — это ничего не сказать — бумага вспыхнула сразу при касании к дуге. Т.е. энергия была очень высокой. Если я концы провода подносил ближе друг к другу — они на концах начинали плавиться (тут мне и пришла мысль, что сварочник надо делать именно на тиристорах и где-то на этой же частоте). Пробивался даже фторопласт. Причем в этой схеме я использовал строчный трансформатор от цветного лампового усилителя, а выходная обмотка там имеет мало витков и при обычно схеме на выходе получалось небольшое напряжение (у ч/б телевизоров строчник с более большим коэффициентом трансформации). Я подумал, а что если напряжение питания поднять до 220В — сколько будет тогда на выходе (хотя скорее всего пробило бы трансформатор).

Когда улеглись первые восторги, я начал замечать и недостатки это конструкции. Во-первых, через пару минут работы (а то и меньше) начинал разогреваться трансформатор (и довольно сильно) затем тиристор и даже диод (мощность-то прокачивалась ого-го). Во-вторых система оказалась очень чувствительна к изменениям частоты генератора (все-таки схема-то резонансная). Так же на резонанс влияло и изменение нагрузки. Но что хуже всего — при такой высокой частоте колебаний — я нигде не смог это применить. Выпрямить невозможно — пробовал ставить на выходе высоковольтные (12 кВ, 300 мА, исправные) диоды — они начинали нагреваться даже, если припаяны одним концом, а второй просто висит в воздухе (в пространство что ли излучают). Даже при подключении высоковольтного кабеля длиной всего сантиметров 20 — напряжение падало в десятки раз (может резонанс сбивается и регулировка частоты не помогает). Пробовал собрать умножитель на выходе — с тем же результатом.

Где применить такое я не знаю. Думал даже электрошокер сделать, но схема у меня работала вольт от 16-20 не меньше, да и мощность потребляла большую и размеры были приличные (тиристор довольно внушительных размеров, дроссель, мощный конденсатор, строчный трансформатор — это будет не миниатюрное устройство, а «ранцевый» вариант, если учесть, что батареек надо к нему штук 16), к тому же в шокере на выходе должно быть постоянное напряжение (а если все-таки переменка, то на маленькую частоту). Да и вообще я такое побоюсь применить — убьет еще кого ненароком или пробьет изоляцию и мне достанется. Короче забросил я этого монстра. Хотя идея была красивая.

Источник

Опасное развлечение: простой генератор высокого напряжения Кокрофта-Уолтона

Добрый день, уважаемые хабровчане.

Этот пост будет небольшим и не очень обучающим, но может быть кому-нибудь покажется интересным. В нем я расскажу вам, как сделать очень маленький, полностью SMD-шный и легко масштабируемый генератор Кокрофта-Уолтона, или попросту умножитель напряжения, который на вход получает переменные N вольт, а на выходе выдает постоянные x*N вольт, где x — число ступеней.

Предупреждаю: так как на выходе стоят конденсаторы (собственно, как и на входе, кроме конденсаторов и диодов в нем ничего и нет), удар тока, скорее всего, окажется для вас смертельным. Собирайте схему на ваш страх и риск и только в том случае, если понимаете, что делаете. Я не несу никакой ответственности за вашу жизнь, здоровье и психику.
Не испугались? Тогда идем дальше.

Предыстория и предпосылки

Собственно, предыстория очень простая — этот генератор высокого напряжения — один из самых простых схемотехнически, не содержит огромных катушек, в отличие от Трансформатора Теслы и весьма легок в сборке. Результаты, конечно, тоже менее впечатляющие, чем у Теслы — на выходе мы имеем не высокое напряжение большой частоты, а просто высокое напряжение. Поэтому, во-первых, красивых коронных разрядов можно не ждать, а во-вторых, в отличие от Теслы, разряд генератора Кокрофта-Уолтона лишен скин-эффекта, поэтому, вероятнее всего, смертелен. Следует соблюдать большую осторожность.

В общем, когда-то я собрал себе умножитель по традиционной схеме (рассмотрим чуть позже), из больших конденсаторов и диодов, который выглядел вот так:

Было в нем 15 ступеней, конденсаторы на 400В х 0.1 мкФ и диоды на 1000В х 1А. Для того, чтобы его запитать, я собрал небольшой инвертер из валявшегося под рукой трансформатора 220В->6В, который, судя по искре, выдавал на выходе больше киловольта, из-за чего постоянно вылетали диоды (конденсаторы оказались более живучими, но изредка помирали и они).

Искра на выходе была около 5 мм, легко пробивала бумагу и звучала как выстрел из пистолета с пистонками (думаю, у многих в детстве такой был. ).

Чтобы добиться более впечатляющих результатов, нужно было наращивать число ступеней, что, при такой конструкции, мне совершенно не хотелось делать — колбаса из конденсаторов и так была слишком большой. В общем, поразвлекавшись с пробиванием бумажек, я забросил свой умножитель.

Но спустя пару лет увидел в магазине smd.ru просто потрясающие, на мой взгляд, конденсаторы. Тем, кто работает с такими каждый день, как мой друг Aregus, они, конечно, были не в новинку. Но для меня SMD-конденсатор, рассчитанный на 1000В и 0.1 мкФ, после здоровенных 400В кондеров из моего старого умножителя показались просто чудом. Поэтому я не сдержался и развел небольшую плату умножителя.

Если посмотреть видео на youtube по запросу Cockcroft–Walton generator, можно найти, конечно, куда более зрелищные результаты с многокиловольтным выходом. Однако все они собраны на здоровенных кондерах для монтажа в отверстия и, чаще всего, точно так же висят в воздухе, как мой первый генератор. Я разводил свою плату так, чтобы она была:
1) маленьких размеров
2) полностью SMD
3) легко масштабируемой.

В итоге получилась плата размером 35х45 мм, с креплениями по углам под стандартную стойку. На плате расположено 10 ступеней, максимальное входное напряжение — до 500В. Плата выдерживает и больше, но тогда периодчески умирают диоды. Если брать напряжение пробоя воздуха в 30 КВ/см, то максимум, что она выдавала — несколько разрядов в 10-15 КВ, после чего выбивало один из диодов. При работе в номинальном режиме такого, разумеется не происходит — ее можно запитать, например, от 220В, получив на выходе около 3111В без ущерба для ее компонентов. И, самое главное — можно легко сделать десяток таких плат, составить из них башню, пользуясь стойками, и получить умножитель в 100 раз.

Рассмотрим схемотехнику платы.

Железо

Схемотехнически плата очень простая.

Это типовая схема генератора Кокрофта-Уолтона, умножителя напряжения, которая хорошо описана в википедии.

Также там описан механизм его работы:

Благодаря диодам, конденсаторы по очереди заряжаются до удвоенного напряжения питания, соответственно на выходе имеем напряжение, возросшее в N раз, где N — количество конденсаторов в цепи. Разумеется, конденсаторы следует подбирать так, чтобы они выдерживали это самое удвоенное напряжение, поэтому, т.к. конденсаторы в схеме рассчитаны на 1000В, максимум что можно подать на них не боясь отказа — 500В. Для ровного счета я взял 10 ступеней.

Далее я развел плату:

Верхняя сторона

нижняя сторона

Можно было, в принципе, уменьшить размеры еще сильнее, но я решил не мельчить, чтобы ненароком не пробило где не надо.
Дорожки специально делал потолще, т.к. недостатка в площади в силу предыдущего пункта не испытывал. В общем, плату легко изготовить ЛУТом или фоторезистивным методом в домашних условиях.
Но т.к. мне все равно нужно было заказывать несколько плат по работе, я разместил на той же заготовке три модуля умножителя, благо они почти не занимали места.

Результаты

В результате с производства мне приехала вот такая замечательная плата:

В уже упомянутом магазине я закупил 10 конденсаторов и 10 диодов (на самом деле несколько больше, с запасом, и не зря — я все-таки не удержался и запитал умножитель от своего инвертора, напряжение на выходе которого явно выше того, на которое рассчитаны конденсаторы и диоды, в результате чего мне выбило входной диод через три-четыре разряда).

После сборки получаем вот такой модуль:

Он же в окружении моего старенького инвертора изображен на самой первой фотографии статьи.
Я долго не решался подключить его к 220 вольтам — видимо, сказывалось то, что я цифровик и ни разу не высоковольтник.

Очень не хотелось застрелиться из генератора, который сам собрал, в день своего двадцатипятилетия. Но в итоге я все-таки пересилил себя и запитал модуль от розетки, включив последовательно с чайником, который выступал в роли токоограничительного сопротивления — при мощности чайника в 1 КВт максимальный ток, который бы потек, в случае КЗ в схеме был бы не более 4.5А.

К счастью, схема заработала с первого раза в силу своей простоты.
Ниже привожу видео работы. К сожалению, моя камера не может запечатлеть нормально недлинные, но яркие разряды и нормально захвать сопутствующий звук. Зато, если смотреть в HD, хорошо видно как разряды насквозь пробивают бумажку.

Для тех, кто не хочет ради этого смотреть видео в HD — фото пробитой бумажки (пробито много раз в верхнем правом углу):

Кстати, на видео, наверное, незаметно, но в живую ясно видно, что когда между электродами вставлена бумажка, искра приобретает красноватый оттенок — видимо, из-за прогорающего вещества.

В целом конденсаторы и диоды обошлись мне рублей в 200-300 (по 15 штук и тех и тех), сейчас уже не помню точно, а на сайте цену не пишут.

Производство платы мне обошлось в 2600 рублей в московском Резоните. Но следует помнить, что, во-первых, в заказе было шесть плат, только три из которых — платы умножителя. Суммарный размер заготовки был около 100х200 мм.

А во-вторых, из этих 2600 рублей 1800 стоила подготовка к производству и 350 — доставка, так что сами платы вышли очень даже дешево. Думаю, найдется множество несогласных, но при такой цене на платы, у меня просто рука не поднимается возиться с их изготовлением дома — теперь я предпочитаю отработать по максимуму на макетках, накопить несколько различных плат, после чего заказать их все разом.

В дальнейших планах дозаказать-таки десяток таких плат и собрать башню на 30+ киловольт.

На этом у меня все, берегите себя и осторожнее с высоким напряжением.

Источник