Тема: Питаем импульсный твердотел умножителем напряжения

[ultra]

Все наслышаны о старых монструозных блоках питания (БП) мощных лазеров. Взять тот же МИЛ-41 мощностью 5 кВт с его 600 кг чистого веса, или СПИК-3 мощностью 11 кВт и массой 700 кг, а что говорить о более маститых танках типа ГОС-1000 с накачкой 120 кДж и массой более тонны. Тяжесть таким системам придают не только накопительные конденсаторы, которые, несомненно, берут на себя более половины массы, но и силовая часть. Для повышения напряжения сети до уровня питания ламп накачки раньше часто применялись силовые трансформаторы. Гигантоманы и максималисты могут только восхищаться, каким слоником был БП на основе трансформатора мощностью 16 кВА. Ну а тем временем мир не стоял на месте. Эстетико-практическое стремление к миниатюризации породило большой класс инверторных схем. Сначала в них прижились тиристоры, потом эволюция всех довела до крепкого словца «IGBT». Однако цена готовых мощных инверторов охладила пыл небогатых промышленников и заставила их вновь и вновь городить тяжеленные силовые трансформаторы. Даже в наше время старинная схемотехника подчас оказывается более предпочтительной и надежной, когда счет идет на десяток-другой кВт.

А теперь опустимся с небес в, так сказать, нашу рядовую среднестатистическую квартиру. Что имеем? Ставить силовой транс на пару-тройку кВт довольно непрактично, точнее даже – не к месту. Есть альтернатива: погнаться за модой и посмотреть в сторону преобразователя на IGBT. Приобрести готовый за сотню тыс. руб. бюджет не позволит. Сделать и настроить самому? Можно, но себестоимость деталей и пригласительный билет на танцы с бубном заставят сесть и надолго задуматься, наталкивая на размышления о смысле жизни. Неужели она так несправедлива ко всем лазеростроителям! Ан нет, просто как всегда работает принцип «каждому – своё». Тем, кто не ищет легких путей, у кого много денег, а также фанатам трансформаторов и инверторов, можно ниже не читать. Мы же пойдем дальше.

Начнем с того, что нам собственно нужно от блока питания? То, что он должен быть маленьким и уметь помещаться в ATX компьютерный корпус, ясно как вспышка ИФП-40000 в ночи. Остальное сведем в следующие четыре требования.

1. Он должен выдавать стабильное постоянное напряжение, достаточное для уверенного зажигания лампы. Обычно разумное значение находится в пределах 1…2,5 кВ в зависимости от типа лампы и длины ее разрядного промежутка. Плюс к этому для поджига лампы должен выдаваться очень короткий импульс 25…30 кВ. Тип поджига: последовательный.
2. БП должен обеспечивать мощность, достаточную для быстрого заряда накопительной батареи. В домашних условиях эта мощность сверху ограничена допустимым током проводки и, соответственно, тепловым расцепителем автомата в квартирном щитке, не превосходя пяти кВт.
3. Устойчивость к короткому замыканию выходов. На мой взгляд, это один из главных параметров, определяющих качество, надежность и долговечность работы БП. Откуда же возьмется короткое замыкание, если выходы БП не коротить намеренно? Может для кого-то это будет новостью, но блок питания импульсного твердотела номинально почти половину времени работы находится в режиме короткого замыкания. Этого требует специфика работы емкостной нагрузки, которой в данном случае служит накопительная батарея конденсаторов.
4. Вы еще не уснули? Тогда последний, наиболее важный пункт. Это умение БП прекращать подачу тока в батарею во время ее разряда на лампу. Если этого не произойдет, то лампа перейдёт в дуговой режим при токе короткого замыкания и выгорит как мотылек. Много было сломано копий на этом пути, проблема казалась почти неразрешимой в условиях простой и доступной схемотехники. Умами инженеров было придумано большое количество способов прекращения заряда батареи, дошло даже до микропроцессорной защиты. Однако, как всегда всё гениальное – просто. Однажды давным-давно был предложен метод колебательной зарядки, состоящий во включении катушки индуктивности последовательно с батареей конденсаторов в цепи заряда от БП. Что это дало? Очень многое. Но обо всем по-порядку и со временем… Сейчас же хочу заметить, что эта индуктивность является ЗАРЯДНОЙ, но не разрядной, которую ставят в контур лампы для смягчения разрядного импульса.

Итак, с основными параметрами БП мы определились. Что дальше? Принципиальная схема, вот ее рабочий и испытанный вариант, он рассчитан на питание ламп с напряжением зажигания 1200 В. Фактически это большинство импульсных ламп последовательного поджига малой и средней мощности.



Красным цветом помечена цепь задержки времени подачи на опорную ёмкость С1 полного напряжения сети. Это важный момент. Понятное дело, что если убрать такую задержку и подать напряжение на умножитель резко, то от броска тока автомат поспешит отключиться, восприняв это событие как короткое замыкание. Вместо ограничительного резистора броска тока RБ можно поставить галогенку на 500 Вт и обернуть в фольгу, чтобы в момент включения БП она своим светом не подплавила что-нибудь.
Нетрудно заметить, что сердцем БП является довольно мощный умножитель напряжения 4х на электролитических конденсаторах. Если кому-то покажется, что умножители напряжения способны питать лишь анод кинескопа или другую хлипкую нагрузку, то открою Америку: существуют силовые умножители на десятки кВт, где через конденсаторы длительно протекают токи в сотню А и в этом нет ничего удивительного. За счет электролитических конденсаторов удалось значительно снизить габариты схемы. Естесственно можно повысить/понизить коэффициент умножения добавлением/удалением цепочек диод-конденсатор (в зависимости от этого надо изменить параметры остальных элементов высоковольтной части). Например, в моем БП работает умножитель на 8, а для питания маленьких ламп можно, напротив, уменьшить коэффициент до двух. Диоды должны выдерживать обратное напряжение не менее 600 В, ток 8 А и выше. Хорошо подходят 10A10, важным преимуществом которых является весьма скромный размер. Однако, перегружать такие диоды не стоит, да и нагружать на номинальных 10 А тоже не рекомендуется. Лучше будет соединить по два-три таких диода в параллель, чтобы быть уверенным в том, что однажды диод не накроется из-за теплового пробоя и не утащит в нирвану за собой весь оставшийся умножитель.
Нагрузкой умножителя выступает накопительная батарея Сн, подключенная к нему последовательно через зарядный дроссель Др2. Его назначение трудно переоценить, это очень важный компонент системы, он создает задержку подзаряда накопительной батареи от умножителя в момент ее разряда на лампу. То есть Др2 препятствует переходу лампы в дуговой режим. Его индуктивность не зависит от мощности умножителя, а определяется только ёмкостью Сн и напряжением на ней. В качестве Др2 можно взять первичную обмотку трансформатора ОСМ-400, ее индуктивность как раз ровно 1 Гн, а ток она держит достаточный, порядка 5 А. Также вместо нее можно поставить 4 дросселя от ДРЛ-250, соединенных последовательно.

Теперь о разрядной цепи. Она выделена утолщенной линией. В качестве конденсаторов накопительной батареи подойдут К-75-65М, К-75-40, К-75-60; К-75-80; К-75-81; К-75-83; К-75-88 и другие импульсные металлизованные. Можно применить специальные импульсные электролиты, но выйдет дороговато и по надёжности не очень. В случае применения электролитических конденсаторов необходимость в Др3 отпадает (импульс в этом случае будет итак длинный без помощи дросселя). Сам дроссель Др3 конструктивно лучше делать воздушным, чтобы избежать насыщения, ведь токи, проходящие через него во время вспышки, исчисляются килоамперами. Его индуктивность зависит от геометрии лампы, ёмкости накопительной батареи и напряжения на ней. Повторюсь, Др3 при использовании электролитов просто выкидывают из схемы.
Для определения параметров разрядного контура необходимо решить систему:



За L контура можно принимать сразу индуктивность Др3, так как остальными входящими в контур индуктивностями можно пренебречь. Транс поджига Т2 можно также не брать в расчет из-за того что он влетит в насыщение от разрядного импульса. Число «0,7» - это коэффициент затухания. Его смысл изображен на характерном графике изменения разрядного тока через лампу во времени при различных значениях коэффициента. Для нашего случая наиболее оптимальные значения лежат в пределах 0,7…0,8. Если взять большее число, то разрядный процесс затянется слишком надолго, в результате чего мы получим длинную размазанную слабенькую вспышку. Если, наоборот, сильно уменьшить величину коэффициента затухания, то в разрядном контуре получится колебательный затухающий процесс с большими выбросами обратного напряжения, что отрицательно сказывается на долговечности лампы и накопительной батареи. Для хоть какой-то защиты от обратных выбросов в случае использования батареи из электролитических конденсаторов параллельно ей надо поставить обратный диод, замыкающий ток обратной полярности на себя.



Пару слов о тиратроне. Он может быть любым с напряжением анода не менее 4 кВ. Я в своем БП применил водородный ТГИ1-100/8. Необходимо позаботиться о трансформаторе накала (Т1), чтобы одна из его обмоток могла давать ток 5 А при 6,0…6,3 В. Управление тиратроном осуществляется через развязывающую ёмкость С12 импульсами 1...5 мкс амплитудой не менее 250 В. Конечно же, вместо тиратрона возможно применение иного коммутатора, например, управляемого газового разрядника. Можно поставить шустрый тиристор с обратным "у" не менее 2 кВ. В любом случае важно, чтобы коммутатор был достаточно быстрым, чтобы создать импульс длительностью 0,5...4 мкс.
Кстати, некоторым кажется невероятным, что импульс поджига амплитудой 30 кВ без вреда проходит через накопительную батарею, рассчитанную на куда более низкое напряжение. Но как всегда всё просто: импульс поджига очень короткий, настолько, что не в состоянии зарядить большую накопительную батарею даже на долю процента, поэтому относительно него емкость остается незаряженной, являясь по сути коротким замыканием. Большей частью именно в этом кроется требование к импульсу поджига быть длительностью не больше нескольких мкс.

Может показаться, что колебательный контур поджига (цепь первичной обмотки Т2) в состоянии обойтись без конденсаторов С13-С14. Но достаточно их убрать оттуда, чтобы убедиться в обратном. Принцип их работы состоит в поддерживании затухающих колебаний в контуре, образованном собственно ими самими и первичной обмоткой Т2. Такой способ возбуждения контура с помощью второй последовательной с контуром емкости С8-С11 носит название "ударного". С13-С14 замыкают собою обратные полуволны, которые могут, во-первых, повредить коммутатор, а во-вторых, если даже коммутатор и будет зашунтирован диодом, колебания из-за длинного пути через ударные емкости С8-С11 не смогут развить требуемой остроты. К слову, легенда о том, что водородные тиратроны могут с легкостью пропускать обратную волну, неверна в корне. Обратное сопротивление тиратрона в разы больше прямого, вызывая серьезное ухудшение добротности контура. При этом тиратрон создает столь короткие импульсы, что даже если его и зашунтировать обратным диодом, всё равно через некоторое время этот диод выносит пробоем. Поэтому самый надежный (и практически единственно возможный) вариант видится в ударном возбуждении контура первички Т2, что позволяет вообще отказаться от обратного диода.

Не обойдем вниманием трансформатор поджига Т2. От этого компонента зависит надежное зажигание лампы. Так как у нас поджиг последовательный, то весь разрядный ток должен протекать через его вторичную обмотку, поэтому она должна наматываться проводом сечением не менее 2,5 мм². Я обычно применяю акустический из розовой бескислородной меди в полиэтиленовой изоляции. При подаче на первичку импульса с тиратрона вторичная обмотка должна развивать 25…30 кВ. Этого хватит любой лампе (стоит сказать, что лампы, охлаждаемые водой, поджигаются более низким напряжением в пределах 15...20 кВ в зависимости от длины разрядного промежутка). Для получения таких выходных характеристик первичную обмотку лучше делать из одного витка, а на вторичке мотать 70-80 витков. Я мотал на разных сердечниках, удобнее и практичнее это делать на кольцах. Выходное напряжение вторичной обмотки зависит не только от коэффициента трансформации, но и от качества изоляции (а также емкостных потерь между витками, но их брать в счет не будем, намотка у нас однослойная). На мой взгляд, для изолирования обмоток лучше всего подходит заливка эпоксидной смолой. Вначале кольцо заливается слоем эпоксидки 5 мм, затем после отверждения наматываются обмотки, первичку можно выполнить из латунной трубки в один виток. Конечно, лучше стремиться, чтобы первичная обмотка была как можно ближе к ферриту, что достигается изготовлением конической обмотки, как на фотках, но это значительно сложнее. Получается примерно вот так.





Построенный блок питания с легкостью помещается в компьютерном АТХ корпусе. Естесственно, коденсаторы боевой батареи не влезут и их придется размещать где-то поблизости. Стоит отметить, что в данной схеме для упрощения не был показан способ плавного регулирования выходного напряжения, оставим это дело другой статье. Пока различные напряжения можно снимать ступенчато с указанных на схеме точек умножителя и даже этого для многих применений может оказаться вполне достаточным.

Подводя итог, хочется поговорить о безопасности. Описанный блок питания довольно прост, построить умножитель под силу любому, знающему что такое паяльник. Прежде, чем начать строить, необходимо иметь осознавание, к каким последствиям может привести попадание под выходное напряжение. При своих скромных размерах умножитель способен выдать очень большую мощность и запросто убить. Речь идет о токах, которые вызывают в теле серьёзные необратимые изменения. Конечно, никто и не собирается садиться верхом на блок питания или крутить выходные зажимы под напряжением. Я тоже никогда не собирался и считал, что знания техники безопасности достаточно. Но однажды случилось так, что плюсовой провод выхода 2,5 кВ работающего БП выскочил из креплений и упал на пинцет, зажатый моей левой рукой, в то время как правая опиралась на заземленный корпус. Всё, что помню – яркая желтая вспышка в глазах и сильный разогрев тканей в области шейных позвонков. Вот откуда знаменитое «искры из глаз посыпались». Ум в такой ситуации даже не может осознать, что происходит, он просто отключается, и при всём желании убрать руки или крикнуть не получится. Легкие резко сокращаются и невозможно вдохнуть. Меня спасло УЗО, отключившееся от тока на землю, но полторы сотни джоулей заряженных электролитов продолжали держать тело в плену, пока не истратили на это оставшуюся энергию. Всё произошло довольно быстро, однако кисть левой руки до середины оказалась глубоко обугленной и плохо двигалась, был некроз тканей. Со временем зажило, остались лишь шрамчики как напоминание о собственной халатности. Я очень легко отделался, просто чудом остался жив, после две недели не подходил к лазеру и до сих пор срабатывает рефлекс на болтающиеся провода ))
Так что 10 раз подумайте, прежде чем что-то делать. И удачи на нелёгком и захватывающем поприще лазеров!
Будут практические вопросы или что-то не ясно – спрашивайте, отвечу с удовольствием.

[ultra]

Может получиться примерно так...



БП в стадии наладки при настоящей нагрузке - четырехламповом квантроне:

[Miha57]

Приветствую русский САМОУБИЙЦА---ГДЕ ГАЛЬВАНОРАЗВЯЗКА ЧЕРЕЗ ТРАНСФОРМАТОР!!!!

Вот ссылка как собрать БП на коленках.
http://www.pulslaser.de/
Рекомендую для накачки ипользовать трансЫ от печки СВЧ.
Для регулировки выходного напряжения включить на входе транса латр и будет счастье.
Для зажигания лампы,подключаем транс на феррите последовательно с лампой.
Вот схема.

[nerv]

умножительный бп не так уж и плох, если подавать фазу и ноль туда, куда надо. и корпус заземлить. Выриант с мотом имеет свои преимущества, но и недостатки...

[ultra]

ГДЕ ГАЛЬВАНОРАЗВЯЗКА ЧЕРЕЗ ТРАНСФОРМАТОР!!!!

Гальваноразвязка, говоришь? Я бы не спешил с выводами, а подумал получше и взгялнул на процессы с точки зрения обычной квартирной сети.

[Miha57]

По этой схеме я собрал БП на 2000вольт  при этом рядом работает комп и ЖК телевизор.
Выпрямитель от печки ,мост.
Все работает без помех.

[nerv]

какой мощности получился бп? а на счет помех - мой умножительный бп тоже не дает помех в сеть. телевизоры, компьютеры и прочая работают в штатном режиме

[Miha57]

Вот схема упрощенная,транс примерно 400-500 ватт.Снаружи транса железо
110мм высота, 110мм горизональная ,60мм толщина.

[Miha57]

Схема

[nerv]

какова расчетная длительность импульса через лампу? что-то не заметил разрядного дросселя на схеме.

[Miha57]

Длительность какая получиться,функция разрядного  дросселя, это поджигающий транс.

[nerv]

30 витков на воздухе? слишком мала индуктивность.
Я с дросселем 230мкгн убил лампу инп3-7/120 за 15 пыхов на энергии  200дж(длительность импульса была меньше 200мкс). Треснула колба.

Как уже писалось, напруга на капах, емкость, индуктивность разрядного дросселя, габариты лампы жестко связаны. и максимальный кпд ты получишь только при определенных значениях этих параметров.

[Miha57]

Схема питания МОЯ.
А лампу охлаждаю водой дестилированной с примесью хромпика(чтобы не цвела)

[nerv]

водой проточной или стоячей?

собственно если конструкция твоего лазера особо секретна, фотографии и чертежи (если таковые есть) можешь не выкладывать.

то, что схема ТВОЯ, я и так понял. У меня она тоже СВОЯ
отрицать то, что изучено полвека назад умными академиками думаю довольно глупо.

[Miha57]

Схема не моя ,но доработано и обдумано мной.
Вода в емкости 3 литра.
Позже пришлю фотки,секрета нет.