Como fazer um conversor meia ponte com TDKS e observar descargas coloridas

A tecnologia de alta tensão é uma direção especial na eletrônica, que possui espírito, estética e recursos próprios e únicos. Milhares de entusiastas ao redor do mundo estão construindo diversos projetos, que vão desde simples multiplicadores até enormes geradores Van de Graaff e bobinas de Tesla - via de regra, todos esses dispositivos não têm aplicação prática, seu valor está justamente na criação de coloridos de alta qualidade. descargas de tensão.

O elemento mais acessível capaz de gerar alta tensão pode ser chamado com segurança de transformador de linha - este elemento está presente em qualquer TV CRT; no momento, o preço desses transformadores está se tornando muito baixo, visto que as TVs CRT estão gradualmente se tornando uma coisa de o passado. Dois tipos de tais transformadores podem ser distinguidos - TDKS, com um multiplicador embutido, e TVS - um transformador “nu”, ao qual o multiplicador pode ser conectado separadamente.Em ambos os casos, para que tal transformador produza alta tensão, é necessário um circuito especial que “bombeie” o seu enrolamento primário com uma tensão de alta frequência; esta frequência pode variar entre 1-100 kHz. Há um grande número de circuitos semelhantes na Internet, muitas vezes circuitos simples de terminação única usando apenas um transistor poderoso, que fecha e abre o circuito do enrolamento primário de um transformador de linha com a frequência necessária - tais circuitos, embora simples, têm uma eficiência bastante baixa (o transistor esquenta muito) e baixa potência, portanto, não permitem que todo o potencial do transformador seja revelado e que a potência máxima possível seja removida dele - e o comprimento, força e brilho do as descargas dependem diretamente da potência.

Esquema

O circuito apresentado neste artigo é um conversor clássico de meia ponte baseado no microcircuito IR2153; pode desenvolver bastante potência na carga - até 500 watts ao usar os transistores apropriados na saída, e com pequenas modificações até mesmo um alguns quilowatts. Ao mesmo tempo, o circuito em si parece muito simples de montar, não contém elementos caros e é altamente repetível.

A carga do circuito é a indutância L1 - no nosso caso é o enrolamento primário do transformador de linha. Mas também com base neste circuito é possível montar diversos outros dispositivos que requerem tensão de alta frequência e grande amplitude, por exemplo, um aquecedor por indução. Para maior clareza, a imagem abaixo mostra o formato do sinal na saída do circuito sem carga conectada - pulsos retangulares quase ideais.

Um pouco sobre os detalhes e funcionamento do conversor

O microcircuito IR2153 atua como um gerador de pulso retangular push-pull - é push-pull porque existem duas saídas (pinos 5 e 7) e o microcircuito controla simultaneamente dois transistores de efeito de campo, os braços superior e inferior. Este microcircuito não está em falta; algumas fontes de alimentação de rede e outros dispositivos de comutação são construídos com base nele; o preço nas lojas de componentes de rádio geralmente não excede 100 rublos. Este microcircuito é conveniente porque já contém um diodo zener em seu interior, o que permite que o microcircuito seja alimentado com a mesma tensão da carga - esta tensão para operação efetiva da meia ponte deve ser de 100-300 volts, portanto, um adicional fonte de baixa tensão não é necessária para alimentar a parte lógica do circuito. O resistor que limita a corrente através do diodo zener do microcircuito é R1 - seu valor está marcado com um asterisco no diagrama. A resistência deste resistor dependerá da tensão de alimentação de todo o circuito - quanto maior a tensão de alimentação, maior será o valor da resistência; você pode calcular o valor exato para qualquer tensão de alimentação usando uma calculadora para calcular o resistor do diodo zener . A classificação indicada no diagrama é adequada para uma tensão de alimentação de 250 volts. Deve-se também levar em consideração que alguma potência será dissipada neste resistor, portanto é necessário utilizar um resistor de 1-3 watts, ou vários de baixa potência em paralelo, como é feito em uma placa de circuito impresso. O capacitor C2 serve para filtrar a tensão de alimentação do microcircuito, seu valor pode ser de 100 a 220 μF, a tensão é de pelo menos 25 volts.O capacitor C1 é uma fonte de alimentação de alta tensão, você não deve economizar em sua capacidade, pois a potência na carga dependerá disso - se a capacidade for muito pequena, podem ocorrer quedas de energia e a potência diminuirá. O valor ideal seria 470-680 uF; observe que este capacitor deve ser projetado para uma alta tensão de alimentação + alguma margem.

A cadeia de elementos R2-C3 define a frequência, por isso é importante usar um capacitor de alta frequência de alta qualidade aqui; um capacitor de filme normal servirá. Quanto maior a capacitância do capacitor, menor a frequência de operação do circuito, nas classificações indicadas é aproximadamente igual a 80 kHz. Você pode montar um circuito com frequência fixa, mas os melhores resultados podem ser obtidos se você puder ajustar a frequência, então em vez de um resistor constante, recomendo instalar um trimmer de 20 kOhm; a faixa de ajustes de frequência também pode ser selecionada pelo capacitância do capacitor. Capacitor C4 - é aconselhável usar um capacitor de tântalo apolar com capacidade de 20-30 µF, mas um eletrolítico normal serve. Os resistores R3, R4 servem para limitar a corrente nas portas dos transistores, adequados para 10-30 Ohms.

Atenção especial deve ser dada à escolha dos transistores de potência, pois são eles que irão chavear a carga e deles dependerá tanto a eficiência do circuito quanto sua confiabilidade. A opção mais barata, mas não a mais poderosa, é o IRF630 - eles são adequados para operar em tensões não superiores a 150 volts com pouca potência, eu os uso.Você pode usar quase todos os transistores de efeito de campo poderosos aqui; ao escolher, você deve levar em consideração sua tensão operacional máxima, corrente e resistência de canal aberto. As opções adequadas também seriam IRF740, IRF840, IRFP450, IRFP460, os dois últimos são mais caros, mas permitirão operar em potências mais altas, de até 500 watts. Os capacitores C5 e C6 formam um divisor de tensão, necessário para a operação de um conversor de meia ponte; capacitores de filme com capacidade de 1-2 μF podem ser usados ​​aqui; sua tensão de operação também deve ser projetada para a tensão de alimentação + alguns reserva. VD1 é um diodo, aqui você não precisa usar diodos comuns, mas ultrarrápidos, por exemplo UF4007 e similares.

Montagem do conversor

Todo o circuito é montado em uma placa de circuito impresso, que fica anexada ao artigo. Observe que o circuito é “caprichoso” em termos de fiação, esta versão da placa foi testada, nenhum artefato foi detectado no trabalho nela. A placa é feita pelo método LUT padrão, as fotos do processo de confecção da placa e selagem das peças estão abaixo.

Algumas palavras sobre o enrolamento primário - ele deve ser enrolado no núcleo de ferrite do transformador, uma vez que os enrolamentos primários padrão não são projetados para alta potência. O enrolamento não leva muito tempo, bastam 30-40 voltas de fio de cobre esmaltado, sua seção transversal não deve ser muito pequena, caso contrário ocorrerão perdas. O enrolamento resultante deve ser conectado à placa com fios e seu comprimento não deve ser muito longo.

Como você pode imaginar, a alta tensão é removida do terminal “quente” do transformador, que geralmente pode ser identificado pelo isolamento espesso.O contato negativo no TDKS está localizado na parte inferior da caixa junto com todos os outros terminais; é fácil de encontrar - basta observar qual contato o arco acenderá quando o terminal “quente” for aproximado. Observe que a parte inferior do TDKS na fotografia apresenta escurecimento - eles foram formados quando o TDKS estava trabalhando com este circuito meia ponte, já que o transformador é utilizado quase no limite de suas capacidades, às vezes ocorrem quebras entre seus diferentes terminais . Para evitá-los, você deve preencher todos os terminais com um composto dielétrico e retirar apenas o fio negativo necessário com um fio separado.

Toda a estrutura deve ser alimentada por uma fonte com potência adequada, é conveniente que a tensão de alimentação possa ser ajustada. No meu caso, a fonte de alimentação é o antigo transformador da TV de tubo TS-160, para retificação é conectada separadamente uma ponte de diodos com capacitores em uma pequena placa, como pode ser visto na foto.

Mesmo os transistores de “baixa potência” como o IRF630 neste circuito não esquentam muito; após vários minutos de operação contínua, eles permanecem quentes apenas em pequenos radiadores. Embora a dissipação de calor seja pequena, especialmente ao usar, por exemplo, IRFP450-560, pequenos radiadores como na foto para confiabilidade não serão supérfluos. Visão geral do projeto:

Fotografias finais - que retratam arcos de alta tensão, bem como vídeos. A tensão de ruptura do ar é de aproximadamente 3 centímetros. Como pode ser visto no vídeo, se os eletrodos de alta tensão forem colocados a uma certa distância um do outro, o arco não queima e o transformador opera ocioso, enquanto descargas violetas são coronadas de seu terminal “quente”, também como do próprio corpo - quando aparecem, é aconselhável isolar todos os possíveis locais de quebra com composto dielétrico.Observe que o TDKS não possui apenas alta tensão, mas também energia suficiente para causar ferimentos elétricos se você tocar nos terminais de alta tensão com as mãos. O toque nem é necessário para que um arco ocorra, dada a distância de ruptura bastante grande. Deve-se lembrar também que após desligar o circuito, a alta tensão na saída do TDKS ainda permanece, pois existe um capacitor em seu interior, portanto após desligar os terminais de alta tensão devem ser conectados entre si para descarregar este capacitor . Feliz edifício!

Assista o vídeo