Высоковольтный преобразователь частоты

Регулируемый преобразователь напряжения

Эти устройства направлены на работу как в режиме повышения напряжения, так и в режиме понижения. Чаще всего это всё-таки аппараты, выполняющие плавную регулировку величины выходного сигнала, который ниже входного. То есть на вход подаётся 220 Вольт, а на выходе получаем регулируемую постоянную величину, допустим, от 2 до 30 вольт. Такие приборы с очень тонкой регулировкой применяются для проверки стрелочных и цифровых приборов в лабораториях. Очень удобно когда они оснащены цифровым индикатором. Нужно признать, что каждый радиолюбитель брал за основу своих первых работ именно этот вид, так как питание для определённой аппаратуры может быть разное по величине, а этот источник питания получался весьма универсальным. Как сделать качественный и работающий долгое время преобразователь, вот основная проблема юных радиолюбителей.

Бестрансформаторные преобразователи напряжения

В последнее время они стали очень популярны, так как на их изготовление, а в частности, производство трансформаторов, нужно тратить немалые средства, ведь обмотка их выполняется из цветного металла, цена на который постоянно растёт. Основное преимущество таких преобразователей это, конечно же, цена. Среди отрицательных сторон есть одно существенно отличающее его от трансформаторных блоков питания и преобразователей. В результате пробоя одного или нескольких полупроводниковых приборов, вся выходная энергия может попасть на клеммы потребителя, а это обязательно выведет его из строя. Вот простейший преобразователь переменного напряжения в постоянное. Роль регулирующего элемента играет тиристор.

Проще обстоят дела с преобразователями, в которых отсутствуют трансформаторы, но работающие на основе и в режиме повышающего напряжение аппарата. Здесь даже при выходе одного элемента или нескольких на нагрузке не появится опасной губительной энергии.

Инструкция по намотке

Сердечник нужно обмотать скотчем (5 слоев), вложить в желоб провод с рассчитанным диаметром, намотать по всей длине рассчитанное для первичной намотки количество витков. Оба конца обмотки выводятся на одну сторону и изолируются винилкой.

Далее наматывается 4-5 слоев скотча, конструкция помещается в корпус одноразового шприца длиной 3 см. На шприц наматывается 2 ряда скотча и рассчитанное для вторички количество витков, ширина обмотки примерно 1,5 см. Каждый слой нужно заизолировать скотчем или двумя слоями фторопластовой ленты. Концы второй обмотки выводятся на обе стороны. В результате с одного конца получается три вывода, со второго – один.

Готовая конструкция изолируется скотчем (5 слоев), припаиваются гибкие провода (выводы), наматываются еще 5 слоев скотча.

Если в процессе намотки порвался провод, концы необходимо зачистить, скрутить, спаять и заизолировать. Электрическую прочность увеличивает пропитка каждого слоя намотки лаком на основе акрила или эпоксидной смолы.

Для того, чтобы сделать трансформатор своими руками, не обязательно покупать новый провод. Подходит и старый, если отрезки соединены правильно (свиты и спаяны). При намотке витки должны плотно прижиматься друг к другу. Нежелательно укладывать их перпендикулярно к сердечнику (нужен небольшой наклон). Не допускаются перегибы и сгибы, поэтому требуется определенная натяжка. Скотч для изоляции следует нарезать на полоски шириной 1,5 см, чтобы было легче покрыть провод.

Испытание устройства

Следующая часть умножителя напряжения – высоковольтные диоды и конденсаторы, которые можно взять от компьютерного блока питания. Диоды нужны также высоковольтного типа. Их напряжение должно быть от 4 кВт. Такие элементы также можно приобрести в интернет–магазинах.

Корпусом может служить коробка от фонарика или плеера, но обязательно из диэлектрического материала: пластмассы, бакелита, стеклотекстолита.

Умножитель с высоковольтным преобразователем рекомендуется залить эбокситной смолой, расплавленным воском или термоклеем. Последний может сильно деформировать корпус, если не поместить его в емкость с холодной водой.

Электроды можно взять от обычной вилки. Шокер снабжен предохранительным выключателем для защиты от случайного включения. Для активации устройства его снимают с предохранителя. Загорается индикаторный светодиод, затем нажимают на кнопку.

Высоковольтный модуль — преобразователь напряжения успешно показывает работоспособность в электрошокере. Зарядное устройство построено на базе микросхемы, где на вход модуля подается напряжение в 5 вольт, на выходе в 3,6 вольта. Такая зарядка позволяет питать девайс от любого USB-порта.

С помощью припоя можно сделать защитные разрядники, ограничивающие длину дуги для безопасной работы высоковольтного преобразователя. Шокер готов.

Модификации для двигателей на 10 кВт

На компрессоры и конвейеры часто устанавливаются частотные преобразователи для асинхронных двигателей. Принцип работы устройств построен на фазовом изменении частоты. Выпускаются модели, как правило, двухступенчатого типа. У некоторых из них резисторы устанавливаются резонансного типа. Для подключения преобразователя используются контакты. Модуляторы применяются только дипольного типа. Трансиверы в устройства выделяются повышенной чувствительностью.

Перегрузки они максимум способны выдерживать в 20 В. Показатель номинального напряжения колеблется в районе 230 В. Модификации с двумя реле встречаются редко. У многих преобразователей трансиверы применяются хроматического типа

Также важно упомянуть о том, что на рынке представлены устройства с регуляторами. Для повышения стабилизации системы применяются усилители

Триггерные блоки, как правило, отсутствует в преобразователях данного типа. Параметр номинального тока в устройствах не превышает 3.5 А.

Технические характеристики преобразователя напряжения измерительного высоковольтного емкостного ПВЕ-220:

Комплект поставки ПВЕ-220

Правила выполнения намоточных движений

Высоковольтный модуль для электрошокера требует, чтобы была выполнена намотка первичного типа трансформаторной обмотки. Длину провода в 0,5 мм складывают в два раза. Оптимальные показатели диаметра – от 0,4 до 0,7 мм. Потребуется намотать не менее 8 витков и вывести второй конец проводов наружу.

Изолируем намотанную обмотку при помощи нескольких слоев фторопласта или прозрачного скотча. К тонкому поводу, толщина которого не более 0,05 мм, припаивается кусок многожильного провода, помещенного в толстую изоляцию.

Места, где была выполнена пайка, изолируем при помощи термоусадки. Выводим провод и фиксируем его термоклеем, чтобы случайно не оборвать в процессе обмотки.

Наматываем первичную обмотку, по 100-120 витков, чередуя ее с несколькими слоями изоляции. По своему принципу намотка проста: ряд – слева направо, второй – справа налево, с изоляцией между ними. Так повторяем от 10 до 12 раз.

После того, как намотка выполнена, провода срезаются, к ним припаиваются многожильные высоковольтные провода и термоусадка. Все фиксируют посредством нескольких слоев прозрачным скотчем и собирают трансформатор.

Если не хотите так долго наматывать витки, можно приобрести готовые модули в китайских интернет–магазинах по вполне доступной стоимости или изготовить высоковольтный модуль своими руками.

Усовершенствование моделей

Есть множество подобных изобретений, но мощность их недостаточно высока. Для зарядки телефона нужно как минимум 2 Вт на выходе такого моторчика для старой модели мобильного устройства и не менее 5 Вт — для современного смартфона.

Где взять высоковольтный модуль с хорошей мощностью? Попытаемся его сделать самостоятельно. Подберем удобную ручку вращения для шаговика, все выводы проводов подсоединим по схеме. Результирующие выводы постоянного тока будут идти на ваттметр и на нагрузку, которая подобрана под этот двигатель и под обороты по оптимальным параметрам.

Какую же мощность удастся развить на крупном шаговом двигателе при оборотах в количестве 120 в минуту? Начнем опыт. Ваттметр показывает 0,8 Вт при напряжении 6 вольт и токе 0,11–0,12 ампер. При более быстром вращении пиковая цифра достигает 1 ампера, но это при очень быстрых оборотах.

Следовательно, подобное устройство требует усовершенствования. Нужен преобразователь, повышающий обороты в 3-4 раза, чтобы успешно можно было заряжать телефон в походных условиях.

Для этого применяется коллекторный моторчик. Можно сделать ременную передачу на этот двигатель, чтобы повысить его обороты в 3 раза. Получится установка с диаметром шкива, который в 3 раза больше того, который установлен на шаговом двигателе. Теперь такое устройство будет вращаться в 3 раза быстрее, что позволит достигнуть показателей в 2–2,2 Вт. При этом напряжение – 17 вольт, ток – 0,12-0,13 ампер. Такая мощность уже более значительна. Если устройство закрепить на столе, крутить ручку достаточно просто.

Чем больше обороты, тем больше полезной мощности может выдать генератор.

Назначение и принцип работы

Что такое преобразователь напряжения. Так называют электронный прибор, изменяющий величину входного сигнала. Он может использоваться в качестве устройства, повышающего или понижающего его значение. Входное напряжение после преобразования может изменить как свою величину, так и частоту. Такие устройства, изменяющие постоянное напряжение (преобразовывающие его) в выходной сигнал переменного тока, получили название инверторов.

Преобразователи напряжения находят применение как в виде автономного устройства, питающего потребителей энергией переменного тока, так и могут входить в состав других изделий: систем и источников бесперебойного питания, устройств повышения постоянного напряжения до необходимой величины.

Инверторы представляют собой генераторы напряжения гармонических колебаний. Источнику постоянного тока с помощью специальной схемы управления создается режим периодического переключения полярности. В результате на выходных контактах устройства, к которым подключена нагрузка, формируется сигнал переменного напряжения. Его величину (амплитуду) и частоту определяют элементы схемы преобразователя.

Управляющее устройство (контроллер) задает частоту переключения источника и форму выходного сигнала, а его амплитуду определяют элементы выходного каскада схемы. Они рассчитаны на максимальную мощность, которую потребляет нагрузка в цепи переменного тока.

Контроллер используется и для регулирования величины выходного сигнала, которое достигается управлением длительностью импульсов (увеличение или уменьшение их ширины). Информация об изменениях величины выходного сигнала на нагрузке поступает в контроллер по цепи обратной связи, на основании которой в нем формируется управляющий сигнал на сохранение необходимых параметров. Этот метод называется ШИМ (широтно-импульсной модуляцией) сигналов.

В схемах силовых выходных ключей преобразователя напряжения 12В могут использоваться мощные составные биполярные транзисторы, полупроводниковые тиристоры, полевые транзисторы. Схемы контроллеров выполняются на микросхемах, представляющих собой уже готовые к работе устройства с необходимыми функциями (микроконтроллеры), специально разработанных для таких преобразователей.

Схема управления обеспечивает последовательность работы ключей для обеспечения на выходе инвертора сигнала, необходимого для нормальной работы устройств потребителя. Кроме того, управляющая схема должна обеспечивать симметрию полуволн выходного напряжения

Это особенно важно для схем, в которых на выходе используются повышающие импульсные трансформаторы. Для них недопустимо появление постоянной составляющей напряжения, которая может появиться при нарушении симметрии

Существует много вариантов построения схем инверторов напряжения (ИН), но выделяют из них 3 основные:

• ИН бестрансформаторный мостовой;
• трансформаторный ИН с нулевым проводом;
• мостовая схема с трансформатором.

Каждая из них находит применение в своей области в зависимости от примененного в нем источника питания и требуемой выходной мощности для питания потребителей. В каждой из них должны быть предусмотрены элементы защиты и сигнализации.

Защита от понижения и повышения напряжения источника постоянного тока определяет диапазон работы инверторов «по входу». Защита от повышенного и пониженного выходного переменного напряжения необходима для нормальной работы оборудования потребителя. Диапазон срабатывания устанавливается в соответствии с требованиями используемой нагрузки. Эти виды защиты обратимые, то есть при восстановлении параметров оборудования до нормы работа может быть восстановлена.

При срабатывании защиты вследствие короткого замыкания в нагрузке или чрезмерного возрастания выходного тока перед тем, как продолжить эксплуатацию оборудования, необходим тщательный анализ причин этого события.

Преобразователь 12В является наиболее приемлемым для создания локальной электросети. Наличие большого количества автомобилей и аккумуляторных батарей 12В постоянного тока позволяет их использовать для обеспечения запросов пользователей. Такие сети можно создавать в самых различных местах, начиная от собственного авто. Они мобильны и не зависят от места стоянки.

Выбор материала магнитопровода

Маломощный преобразователь можно сделать на броневом или стержневом магнитопроводе. В броневом стержни с прямоугольным сечением располагаются горизонтально. Это сравнительно сложная конструкция, поэтому используется редко. В стержневом магнитопроводе стержни располагаются вертикально, обмотки цилиндрические.

Для повышающего трансформатора лучше использовать Ш-образный ферритовый магнитопровод

Важно точно подобрать размеры (на стержне должно поместиться требуемое количество витков). Если сердечник нужно разобрать, чтобы сделать другой из полученных пластин, толщина пакета подбирается, базируясь на мощность

Пластины вставляют в катушку, стягивают при помощи шпилек и гаек.

Сферы применения продукции

Где используется высоковольтный модуль? Такие устройства широко используются для изготовления современной аппаратуры, могут служить лабораторным генератором высокого напряжения. С помощью такого устройства можно построить самодельный шокер, систему для поджигания топлива в форсунке или двигателе.

Можно использовать для обеспечения питания портативного счетчика Гейгера, дозиметра, разновидностей аппаратуры, требующей высоких показателей напряжения с питанием, которое имеет небольшую мощность.

Устройство микросхемы включено в режиме «Мультивибратор» при показателях частоты, регулируемой в зависимости от того, каковы характеристики трансформатора. Высокий уровень, который показывает выходной сигнал тока, протекающий по резистору и первичной обмотке трансформатора, способен зарядить конденсатор 10 мкф. Для того, чтобы изготовить электрошок, потребуется устройство трансформатора, коэффициент умножения которого составляет 1 к 400 и выше.

Для получения искры в 1 мм нужны показатели напряжения около 1000 В. Зная последовательность работ, можно изготовить такое устройство собственными руками.

Скалярные устройства

Скалярные преобразователи управляются только при помощи модуляторов. В данном случае можно устанавливать пульт для дистанционного изменения мощности двигателя. Наиболее часто на рынке предлагаются именно одноступенчатые скалярные модификации. Резисторы в них используются разного типа. Как правило, модели продаются с одним реле. Выпрямители у скалярных модификаций встречаются редко. Расширители для коротковолновых помех устанавливаются с изоляторами.

У некоторых модификаций используются триггерные блоки. Такие преобразователи хорошо подходят для компрессоров большой мощности

Если говорить про параметры, то важно отметить, что показатель номинального напряжения у них колеблется в районе 220 В при частоте в 60 Гц. Перегрузки система максимум способна выдерживать в 5 В

По точности стабилизации модели отличаются. В среднем указанный параметр не превышает 3 %.

Делаем электрошокер: подготовка

Электрошоковые устройства могут быть очень мощными. Законом разрешено использовать устройства до 3 Ватт, которые не способны нанести тяжкий вред здоровью, но гарантируют довольно сильный удар током и ожог.

Схема устройства следующая:

• источник питания;
• повышающий преобразователь;
• высоковольтный умножитель напряжения.

Можно использовать обычный литий-ионный аккумулятор компактных размеров, лучше — литий-железофосфатный. Он имеет меньшую емкость при одинаковом весе, а номинальное напряжение составляет 3,2 вольт против 3,7 вольта в литий-ионном варианте.

Такое устройство обладает массой преимуществ:

• При собственной емкости всего в 700 мА/часов такой способен отдавать токи в 30-50 А.
• Имеет срок службы 10-15 лет.
• Способен работать при температуре до -30 градусов без утраты емкости и прочих негативных последствий.
• Экологически чист, безопасен, не вздувается и не взрывается.
• Утрачивает емкость гораздо медленнее.
• Не так чувствителен к параметрам зарядного устройства, может быть заряжен большими токами, не перегреваясь.

Для преобразователя можно использовать готовую модель из Китая. Или изготовить его собственными руками

Самое важное в таком устройстве – трансформатор. Его можно взять от дежурного источника неработающего блока питания компьютера

Желательно, чтобы он был удлиненного типа, что облегчит процесс мотания.

Сборка

Изготовить качественный высоковольтный трансформатор невозможно без пропитки эпоксидной смолой. Цель этой процедуры – удалить пустоты и пузырьки воздуха, вызывающие протечки и пробои. Нужен каркас для заливки и вакуумная установка.

Последнюю тоже можно сделать своими руками, если имеется:

• обратный клапан (продается в зоомагазинах);
• шланг из силикона;
• банка, оснащенная прорезиненной привинчиваемой крышкой;
• шприц;
• пластилин;
• герметик.

В металлической крышке делается отверстие, в которое пропихивается шланг. Все щели замазываются герметиком, потом пластилином с обеих сторон. Воздух из банки выкачивается шприцем (крышка должна вжаться).

Перед пропиткой смола подогревается, добавляется отвердитель. Каркас можно сделать из обычной бумаги, предназначенной для принтера компьютера. К бумаге приклеивается скотч, делается цилиндр по диаметру преобразователя, все склеивается термоклеем. После обработки в вакууме необходимо подождать примерно сутки, потом можно снять каркас.

Перед установкой преобразователь желательно проверить на:

• целостность магнитопровода;
• отсутствие разрывов проводов в обмотках;
• целостность изоляционного материала.

Для проверки изоляции мультиметр переключается на мегомметр, замеряется сопротивление между обмотками или между каждой обмоткой и корпусом (для ВВ оптимальное значение 1 МОм).

Далее измеряется ток в обмотках в рабочем состоянии, чтобы определить, соответствует ли коэффициент трансформации требуемому. Но это не самый лучший метод, если напряжение достаточно высокое. Более безопасно прозвонить выводы. Если они из разных обмоток, на сопротивление бесконечное. При прозвоне выводов одной обмотки сопротивление имеет цифровое значение.

К сети трансформатор присоединяется параллельно. Если на выходе требуется постоянный ток (например, в блоке питания для системы освещения), к вторичной обмотке подключается сглаживающий фильтр из диодного моста и электролитического конденсатора.

Высоковольтный преобразователь напряжения серии M2 (высоковольтный DC-DC преобразователь)

Высоковольтные DC-DC преобразователи созданы в модульном исполнении для встраивания их в объемлющие системы. Данные высоковольтные преобразователи напряжения предназначены для питания электронных и ионных умножителей, фотодиодов, а так же в качестве блоков питания ФЭУ (фотоэлектронных умножителей). Высоковольтные преобразователи имеют малые выходные пульсации, возможность регулировки высоковольтного напряжения внешним потенциаметром или аналоговым сигналом. Максимкальная выходная мощность достигает 6 Вт, что позволяет обеспечивать питание большинства типов детекторов. Высокий КПД преобразователя позволяет ограничиться воздушным охлаждением изделия. DC-DC преобразователь можно использовать в исследовательских целях, так как имеет малые температурную и временную нестабильности. В преобразователе напряжения предусмотрен контроль реального выходного напряжения и тока. Так же имеют встроенную защиту от дуги, перегрузки, перегрева и короткого замыкания. Основные характеристики: Выходное напряжение до +/- 2 кВ Широкий диапазон регулирования Малые выходные пульсации, менее 0.01% Мощность до 6 Вт Малые температурный и временной уходы Высокий КПД Малые габаритные размеры Cпецификация моделей Модель Выходное напряжение, В Максимальный выходной ток, мА Пульсации M2-500P 0…500 12 20 ppm M2-2000P 0…2000 3 20 ppm M2-500N 0…-500 12 20 ppm M2-2000N (рекомендуется для ФЭУ) 0…-2000 3 20 ppm Общая спецификация Параметр Типовое значение Напряжение питания +12 В (±0.5В) Предельные пульсации напряжения питания 100 мВ Температурный дрейф 25 ppm/оC Временной дрейф 50 ppm/сутки КПД 85% Температура эксплуатации 0…45 оС Температура хранения -15…+90 оС Габаритные размеры 125x57x32 мм(1) (1)По запросу возможна поставка в безкорпусном исполнении, при этом размер изделия будет составлять 100x50x20 мм. Входной разъём XP1 используется для обеспечения питания модуля и подачи аналогового сигнала для управления высоковольтных напряжением. К разъёму XP2 подаются выходные сигналы монитора выходного напряжения и тока. Ответные разъёмы для пайки под кабель прилагаются в комплекте. Подключение выходного высоковольтного напряжения до 2-х кВ обеспечивается через стандартный клеммный разъём. Для обеспечения малых выходных пульсаций рекомендуется подключать стандартный коаксиальный кабель серии РК с внешним диаметром не менее 3 мм (по запросу может прилагаться в комплекте). Сферы применений высоковольтного преобразователя напряжения серии M2: Блок питания ФЭУ (Фотоэлектронных умножителей) Электронные умножители Нейтронные детекторы Микроканальные пластины Лавинные фотодиоды Твердотельные детекторы Устройства на основе пьезоэффекта Ионная оптика Высоковольтные конденсаторы Масс спектрометрия Хроматография НИР Физические демонстрации Помните, высокое напряжение является источником повышенной опасности.

Внешний вид высоковольтного преобразователя напряжения серии M2:

Расчет необходимого диаметра провода

Сечение проводов рассчитывается, базируясь на значение и плотность тока (среднее значение 2 А/мм2).

Ток на первичной намотке:

С такими исходными данными диаметр провода (без изоляции):

Если под рукой нет провода с рассчитанным диаметром, можно параллельно соединить несколько более тонких таким образом, чтобы сумма сечений не оказалась меньше рассчитанной.

Для расчета поперечного сечения используется формула:

Если обмотка низкого напряжения создается из толстого провода и располагается над другими витками, плотность тока увеличивается до 2,5-3 А/мм2 благодаря улучшению охлаждения. В формулу 0,8 заменяется на 0,7 или 0,65.

От необходимости в вычислениях освобождают специальные таблицы, например:

В заключении необходимо вычислить диаметр проводов с изоляцией.

Площадь сечения всех витков любой обмотки:

0,8d2_из

d_из – диаметр с изоляцией

Все рассчитанные площади складываются, полученное значение умножается на 2 или 3 (это площадь окна сердечника).

Пример расчета

Требуется преобразователь, питающийся от сети 220 В, на вторичной обмотке которого должно быть напряжение 6,3 В и ток 50 мА.

Мощность вторичной намотки:

P₂=6,3*3=18,9 Вт

Мощность первичной намотки:

P₁=1,25*18,9=23,625 Вт

Площадь сечения сердечника (если он изготовлен из трансформаторной стали): примерно 4,7 см2.

Количество витков (на один вольт):

50/4,7=10,6

Ток на первичной намотке:

24/220=0,1 А

Количество витков на первичной обмотке:

10,6*220=2332

Диаметр провода: 0,8 мм

Количество витков на вторичной обмотке:

10,6*6,3=78 (примерно)

Диаметр провода: 0,17 мм

Диаметр с изоляцией определяется по таблице:

0,8 – 0,85 мм;

0,17 – 0,185 мм.

Провод лучше всего взять медный, изоляция эмалированная.

Если удалось найти трансформатор, который возможно перемотать, в процессе размотки нужно сосчитать, сколько витков во вторичной обмотке. Если известен коэффициент трансформации, можно определить, сколько витков требуется для нового преобразователя.