Портативний пристрій для заряджання конденсаторів
Портативний пристрій для заряджання конденсаторів.
Щоб магнітний прискорювач мас став повноцінною зброєю, його застосування не повинно залежати від наявності під рукою розетки. Для цього потрібно виготовити пристрій, що перетворює напругу від кількох батарейок або акумуляторів у високу напругу для заряду конденсаторів.
Існує безліч різноманітних конструкцій перетворювачів напруги, і всі вони мають свої переваги і недоліки.
Розглянемо досить простий, але ефективний перетворювач напруги на основі однотранзисторного автогенератора з індуктивним зворотним зв'язком.
Його спрощена електрична схема виглядає так:
Як видно, колектор транзистора n-p-n типу через первинну обмотку трансформатора надходить струм від джерела живлення. При наростанні цього струму в трансформаторі виникає змінне магнітне поле, яке створює в 2-х інших обмотках струм протилежної спрямованості. Обмотка зворотного зв'язку через резистор з'єднана з базою транзистора і струм, що виникає в ній, закриває транзистор. Струм через первинну обмотку починає падати, від чого транзистор знову починає відкриватися. Таким чином, у ланцюгу виникають самопідтримуючі незатухаючі коливання і в багатовитковій вторинній обмотці з'являється змінна висока напруга, яку через випрямляч і резистор можна використовувати для заряду конденсаторів.
Однак у цієї схеми є низка недоліків. Коли я її зібрав, вона у мене працювала погано, недовго і не могла видавати більшої потужності на навантаження.
.. .Я заново перемотав пробитий трансформатор і, як відважний фахівець у схемотехніці, взявся за доопрацювання схеми. У ланцюг "обмотка ОС - резистор - база" замість резистора був послідовновключений маленький конденсатор на 100пФ (згодом ємність цього конденсатора було збільшено до 200пФ). База через резистор 3,9К (потім був збільшений до 6,8К) була приєднана до плюс джерела живлення. Транзистор був встановлений на радіатор, так як без останнього після 20-30 секунд роботи схеми, на транзисторі вже можна смажити яєчню (скажу чесно - про яєчню не впевнений, але пальці я обпік не гірше паяльника). Отримана схема має високу стабільність і стійкість автогенерації і дає на виході напругу приблизно 1000-1500в і струм в 5мА, а її принципова електрична схема набула наступного вигляду:
Однак на відмінний результат це ніяк не тягнуло – розрахункова вихідна напруга мала бути 250В, а насправді було цілих півтора кіловольта! Ви можете запитати - звідки ж взялося зайве, та ще й таке більше напруги і що з ним робити? Все дуже просто. Справа в тому, що закон коефіцієнта трансформації справедливий лише для синусоїдальних коливань струму та напруги! Цілком очевидно, що в цьому випадку коливання далекі від синусоїди. Характер коливань у подібних схемах визначається режимом роботи транзистора. Якщо транзистор працює режиму “А” – тобто. його вхідний сигнал на основі повністю укладається в межах лінійної ділянки прохідний вольт амперної властивості (ВАХ), то коливання в ланцюгу синусоїдальні.
Якщо ж вхідний сигнал великий і виходить за межі лінійної ділянки, то транзистор працює в режимі відсікання і коливання на його виході є послідовністю прямокутних імпульсів. Погляньте на графіки, і вам все стане зрозуміло.
Але як все це впливає на вихідну напругу схеми? Дуже просто. Як відомо, струм у вторинній обмотці тим більше, чим швидшезмінюється струм первинної обмотці, тобто. пропорційний похідній від напруги у первинній обмотці. Якщо похідна від синусоїди теж є синусоїдою з такою ж амплітудою (у трансформаторі величина напруги множиться на коефіцієнт трансформації N), то з прямокутними імпульсами справа інакша. На передньому і задньому фронті трапецієподібного імпульсу швидкість зміни напруги дуже висока і похідна тут теж має велике значення, звідси і виникає висока напруга.
Гідність це чи недолік – вирішувати вам. З одного боку, використання режиму відсікання дозволяє використовувати трансформатор з меншою кількістю витків у вторинній обмотці – намотувати такий набагато простіше. Однак ККД перетворювача в режимі відсічення невисокий. Щоб транзистор працював у лінійному режимі, необхідно в ланцюг зворотного зв'язку послідовно з конденсатором і обмоткою включити резистор. Величину резистора доведеться підбирати - спробуйте підключити змінний резистор і збільшувати його опір, поки напруга на виході не зменшиться до розрахункового значення. Потім виміряйте опір змінного резистора і замість нього поставте постійний на аналогічний опір. ККД перетворювача в такому разі буде набагато вищим. Правда, не приховуватиму від вас, що вищеописаний спосіб настойки генератора малоефективний і досить складний. Для ефективного вирішення проблеми необхідно доповнити схему ланцюгом негативного зворотного зв'язку на основі стабілітрона і польового транзистора, яка автоматично зменшуватиме коефіцієнт посилення основного транзистора, якщо напруга на виході перевищує номінальне значення. Описувати цю схему я поки не буду (бо в принципі можна обійтися без цього геморою, до того ж, ООС знизить(вихідну потужність), але якщо дуже захочеться – можете розробити її самі.
Так само має значення, який випрямляч ви використовуватимете на виході перетворювача. Однонапівперіодний випрямляч з одного діода кращий при роботі генератора в режимі відсікання. Для лінійного режиму краще використовувати бруківку. Так само слід підібрати обмежувальний опір - якщо воно буде занадто велике - той час заряду конденсаторів буде дуже великим, якщо опору не буде взагалі - то робота генератора може порушуватися (бо в момент початку заряду конденсаторів генератор фактично закорочений на виході) та його вихідна напруга може виявитися настільки малою, що зарядившись до певного рівня конденсатори і зовсім перестануть заряджатися далі від генератора. На виході відразу після випрямляча непогано поставити конденсатор на 0,1мкФ. Адже перетворювач працює на частоті десятки кілогерц, а електролітичні конденсатори нашої електромагнітної гармати мають досить відчутну інертність, тому "вбирають" послідовність високочастотних імпульсів набагато гірше, ніж рівна постійна напруга.
Крім того, для підвищення потужності перетворювача на його вході паралельно до джерела живлення необхідно поставити електролітичний конденсатор на 220 - 470мкФ. Також для підвищення потужності можна використовувати спарений транзистор – з'єднати паралельно два транзистори, спаявши їх висновки один до одного. Загальний опір транзисторів буде меншим, струм більше і потужність більша.
І насамкінець коротко опишу характеристики мого перетворювача, зібраного за вищеописаною схемою і працюючого в режимі відсікання. Джерело первинного живлення: 6 лужних елементів Varta - сумарна напруга 9В, струм при КЗ 11А. Транзистор – КТ805АМпластиковий корпус встановлений на радіатор. Трансформатор – на Ш-подібному феритовому сердечнику, первинна обмотка – 12 витків, вторинна – 340 витків дротом 0,2 ПЕЛ, обмотка ОС – 4 витки. Споживаний струм - 800мА, максимальний вихідний струм при КЗ - 30мА. Вихідна напруга при ХХ - 1500В, при навантаженні - 100В (недобір напруги викликаний недостатньою ємністю конденсатора в ланцюзі ОС). Ефективна вихідна потужність (на основі оцінки швидкості заряду батареї конденсаторів від мережевого блоку живлення з вихідною потужністю 7Вт і часу заряду конденсаторів від перетворювача напруги) становить приблизно 0,25 Вт. потужність до 4-5Вт.