Модули дуговых генераторов могут быть небольшими по размеру, но они дают большие возможности для практических исследований в электронике. Независимо от того, экспериментируете ли вы с моделированием электрической дуги, тестируете поведение схемы в условиях неисправности или просто интересуетесь явлениями, возникающими при высоких напряжениях, эти миниатюрные модули обеспечивают безопасный и доступный способ изучения основ.
В этой статье будут представлены практические советы и рекомендации по работе с наборами для сборки и схемами дуговых генераторов любительского уровня, которые идеально подойдут для энтузиастов и начинающих инженеров, экспериментирующих с высокими напряжениями.
Существует несколько способов получения электрической дуги. Однако эту статью мы посвятим тому, как достичь сверхвысоких уровней напряжения с помощью несложных электронных схем. В центре внимания – общедоступный и недорогой набор для самостоятельной сборки модуля дугового генератора, разработанный для радиолюбителей. Это простейший способ заняться экспериментами с высоким напряжением, не тратя много денег.
Взгляните на комплект на Рисунке 1, а также на его основные технические характеристики, которые помогут вам понять, что он предлагает:
- Входное напряжение: от 3.7 В до 4.2 В DC;
- Входной ток: меньше 2 А;
- Выходное напряжение: примерно 15 кВ;
- Выходной ток: не более 0.4 А;
- Максимальная длина дуги: 0.5 см.
 | |
| Рисунок 1. | Это всего несколько деталей для компактного дугового генератора, обеспечивающего выходное напряжение около 15 кВ. |
Это, пожалуй, один из самых простых и доступных наборов для энтузиастов электроники, желающих исследовать высоковольтные приложения. (Его можно найти, в частности, по названию «Diymore WPI707» – Ред.) Набор требует минимальных навыков для сборки и не нуждается в регулировках на уровне схемы. Хотя выходная мощность не слишком высока, даже незначительная авария может привести к серьезным электрическим ожогам. Тем не менее, при соблюдении надлежащих мер безопасности система может генерировать дуги невероятно высокой частоты.
Теперь давайте посмотрим на Рисунок 2, чтобы понять, как работает эта схема.
 | |
| Рисунок 2. | Принципиальная схема демонстрирует, как комплект из минимального количества компонентов обеспечивает получение высокого напряжения. |
При взгляде на внутреннюю электронику можно обнаружить, что в основе схемы лежит однотранзисторный генератор. Эта простая, но эффективная конфигурация позволяет генерировать высокое напряжение из напряжения стандартных аккумуляторных элементов.
Функционально он действует как повышающий трансформаторный преобразователь, в котором переключением силового транзистора управляет цепь обратной связи. Секрет высокого выходного напряжения кроется в конструкции обмоток трансформатора. В нем используются две первичные обмотки – основная и обратной связи – и вторичная обмотка, которая может вырабатывать напряжения, достигающие диапазона киловольт.
Важнейшее назначение диода в этой схеме генератора – блокировка импульса обратного напряжения, создаваемого спадающим магнитным полем трансформатора. Эта функция необходима по двум причинам: она предотвращает повреждение транзистора и обеспечивает плавный переход в выключенное состояние.
Далее следует еще один компактный высоковольтный повышающий модуль (набор для сборки которого иногда обозначается как XKT203-33), способный генерировать напряжение до 30 кВ. Специально разработанный для борьбы с вредителями, он находит применение в устройствах, предназначенных для уничтожения комаров, тараканов и других мелких насекомых. Несмотря на впечатляющее выходное напряжение, модуль эффективно работает при минимальном энергопотреблении, что делает его идеальным для систем с батарейным питанием или низким энергопотреблением.
На Рисунке 3 представлен вышеупомянутый модуль, а также для справки – его внутренняя схема. Более детальное рассмотрение схемы показывает использование удвоителя напряжения Делона, оптимально размещенного в выходном каскаде для получения требуемого напряжения 30 кВ.
 | |
| Рисунок 3. | Элегантная минималистичная конструкция этого высоковольтного модуля обеспечивает генерацию напряжения 30 кВ. |
Более пристальный взгляд на два популярных высоковольтных модуля генератора показывает, что справиться с этой задачей могут даже скромные стандартные компоненты. Тем не менее, интеграция специализированных компонентов может улучшить характеристики и повысить КПД.
Но прежде чем заканчивать статью, рассмотрим альтернативную конструкцию высоковольтного генератора. Этот подход многие исследовали и добились хороших результатов. Давайте вкратце остановимся на Рисунке 4.
 | |
| Рисунок 4. | На эскизе показано, как генерировать высокое выходное напряжение с помощью автомобильной катушки зажигания. |
В этой конструкции для получения высокого выходного напряжения просто используется универсальная автомобильная катушка зажигания, как показано на простой и понятной схеме.
Катушка зажигания состоит из трех основных компонентов: первичной обмотки, вторичной обмотки и шихтованного стального сердечника. Вторичная обмотка содержит значительно больше витков провода, чем первичная, что создает коэффициент трансформации, напрямую влияющий на увеличение напряжения. Существует довольно типичный диапазон коэффициентов трансформации катушек зажигания, обычно от 50:1 до 200:1, причем наиболее распространенным является 100:1.
Добавим, что в индуктивной системе зажигания первичная обмотка обычно запитана напряжением 12 В или 24 В. При резком прерывании тока во вторичной обмотке наводится высоковольтная ЭДС, часто достигающая 20–40 кВ, чего более чем достаточно для пробоя искрового промежутка.
Одно переключение транзистора (биполярного/ IGBT/ MOSFET) инициирует процесс зажигания, пропуская ток через первичную обмотку катушки зажигания. Ток заряжает первичную обмотку, накапливая энергию в ее магнитном поле. Когда транзистор выключается и прерывает ток, магнитное поле начинает спадать.
В ответ катушка, сопротивляясь резкому изменению поля, вызывает быстрый рост напряжения на вторичной обмотке, что в конечном итоге приводит к возникновению высоковольтной искры, необходимой для зажигания. Этого достаточно для ионизации воздуха и создания искры.
Возвращаясь к теме: при управлении катушкой зажигания с помощью IGBT или MOSFET попробуйте поэкспериментировать с прямоугольными импульсами. Начинайте с низких частот порядка 150–350 Гц и коэффициентов заполнения от 25% до 45% (просто чтобы почувствовать реакцию).
Будьте осторожны! Прикосновение к высокому напряжению катушки зажигания определенно будет болезненным. Это не убьет вас, но заставит пожалеть о прикосновении.
На этом я завершаю статью. У меня в запасе еще много практических советов и идей, так что в ближайшее время ждите новых публикаций.
Наконец, обратите внимание, что эта статья предназначена исключительно для информационных и образовательных целей. Она ничего не продвигает, не рекламирует и не связана коммерчески с каким-либо упомянутым продуктом, брендом или услугой. Никакого спонсорства, никаких скрытых целей – только откровенные знания для любознательных умов.