31.03.21

[Домашняя]

В различной литературе описано немало блоков питании для аэроионизаторов, известных как «Люстра Чижевского». Эти блоки должны вырабатывать отрицательное напряжение порядка 30 кВ по абсолютной величине при токе не более 10 мкА. Почти во всех конструкциях выходное напряжение не стабилизировано, что снижает эффективность работы аэроионизаторов, поскольку при напряжении менее 25 кВ аэроионы бесполезны. Кроме того, практически очень трудно как в процессе настройки,  так и при эксплуатации проверить и установить необходимое напряжение, приходится довольствоваться различными внешними признаками работы ионизатора.   Здесь предпринята попытка разработки стабилизированного преобразователя без самодельных моточных изделий с объективным контролем выходного напряжения. Схема предлагаемого преобразователя приведена на рис. 1.

РИС. 1

Устройство представляет собой генератор с ударным возбуждением. Индуктивности обмоток стандартного выходного трансформатора строчной развертки Т1 от телевизора совместно с межвитковой емкостью и входной емкостью умножителя на элементах С10— С21, VD8—VD19 образуют колебательный контур с резонансной частотой около 50 кГц и добротностью порядка 15...20. Генератор импульсов на элементах DD1.1 и DD1 2 (триггерах Шмитта) настраивается на резонансную частоту этого контура подстроечным резистором R5. Выходные импульсы генератора дифференцируются цепочкой C7R6R7 и поступают на вход запуска ждущего мультивибратора на элементах DD1.3 и DD1.4. Ждущий мультивибратор генерирует импульсы положительной полярности, поступающие на затвор высоковольтного полевого транзистора VT5 через резистор R14 и эмиттерный повторитель на транзисторе VT4. Резистор R14 ограничивает выходной ток элемента DD1.4 и входной емкостный ток затвора транзистора VT5- а транзистор VT4 с ограничительным резистором R15 обеспечивают форсированное выключение VT5. Длительность импульсов, генерируемых ждущим мультивибратором, зависит от нескольких факторов. Максимальная длительность определяется подстроечным резистором R9 и регулируется в пределах примерно от 200 нс до 2 мкс. Относительно этой величины длительность может быть уменьшена за счет коллекторного тока транзистора VT2 практически равного току коллектора VT3. Ток коллектора транзистора VT3 в свою очередь задается напряжением на его базе. Это напряжение определяется делителем, состоящим из резисторов R19 R12 и R13. Резистор R19 подключен к выходу первой ступени высоковольтного умножителя напряжения. Напряжение на нем составляет 1/6 часть выходного напряжения преобразователя, следовательно, ток через него примерно равен IR19  = 1/6xUвых/R19 и при выходном напряжении 30 кВ составляет около 30 мкА. В результате при увеличении выходного напряжения (по абсолютной величине) сверх заданного значения ток коллекторов транзисторов VT2 и VT3 увеличивается, уменьшая длительность импульсов, подаваемых на затвор транзистора VT5, и стабилизируя выходное напряжение. Конденсатор С8 служит для подавления высокочастотных наводок на цепь обратной связи. Светодиод HL1 задает напряжение на базе транзистора VT2 и может служить индикатором включения преобразователя. Второй причиной, уменьшающей длительность импульсов, является работа ограничителя тока через транзистор VT5, собранного на транзисторе VT1 и резисторах R16 и R17. При превышении указанным током значения 0,6 А транзистор VT1 открывается и обрывает импульс на выходе ждущего мультивибратора. Для обеспечения быстрой реакции на рост тока через VT5 и применена КМОП микросхема серии КР1554 с высоким быстродействием. Импульсы высокого напряжения, возникающие на вторичной обмотке, поступают на умножитель, выполненный на диодных столбах VD8—VD19 и конденсаторах С10—С21. Отрицательное напряжение с выхода умножителя подается через токоограничительный резистор R18 на «люстру». В моменты закрывания транзистора VT5 на его стоке образуются импульсы с полной амплитудой порядка удвоенного выпрямленного сетевого напряжения, т. е. около 600 В. Эти импульсы при включений преобразователя и при различных переходных процессах могут быть и больше, для их ограничения установлен защитный диод VD6. Высокое напряжение на первичную обмотку трансформатора Т1 и ключ на транзисторе VT5 подается с простейшего однополупериодного выпрямители на диоде VD3 и конденсаторе С4 Формирователь импульсов на микросхеме DD1 получает питание от гасящего избыток напряжения конденсатора С1 и однополупериодного выпрямителя на диодах VD1, VD2 и конденсаторе С2. Стабилитрон VD1 выполняет также роль первой ступени стабилизатора, вторая ступень выполнена на микросхеме DA1. В источнике использованы в основном резисторы МЛТ, R1 мощностью 0,5 Вт, остальные — 0,125 или 0,25 Вт. Резистор R18 составлен из трех последовательно включенных С2-29 сопротивлением 10 МОм (подойдут и МЛТ с таким же суммарным сопротивлением), подстроечные резисторы — СПЗ 19а Резистор R17 — импортный аналог С1 4 мощностью 0,5 Вт, R19 составлен из 17-ти таких резисторов с номинальным сопротивлением 10 МОм. Эти резисторы проще найти и они дешевле. Чем один или два высоковольтных резистора соответствующего номинала. Приобретенные автором резисторы С1-4 10 МОм 5 % имели в большинстве своем отклонение от номинала не более 1 % и лишь три из 20-ти — около 4 %, поэтому их можно использовать без подбора. Оксидные конденсаторы использованы импортные (аналоги К50-35). С1 — К73-17, остальные — керамические КМ-5, КМ-6. Конденсаторы умножителя С10—С21 — К15-В на напряжение 6,3 кВ группы Н70 по ТКЕ. Биполярные транзисторы можно заменить практически любыми кремниевыми соответствующей структуры малой мощности, однако VT3 должен иметь как можно больший коэффициент передачи тока базы. Проще не подбирать этот транзистор, а установить КТ3107К или КТ3107Л. Полевой транзистор VT5 должен быть с n-каналом на рабочее напряжение 800...900 В и ток не менее 2 А Подойдут, например, КП707В, BUZ80 с различными индексами и многие другие. Диод VD1 — любой стабилитрон на 12 В, VD2 и VD3 — любые выпрямительные на рабочее напряжение не менее 50 и 800 В соответственно. Диоды VD4 и VD5 — любые кремниевые импульсные. Диод VD6 — защитный на 300 В, подойдет, например, P6KE300CA. Диод VD7 на рабочее напряжение не менее 600 В, ток не менее 1 А и с временем восстановления обратного сопротивления не более 100 нс, например, HER106—HER108, HER206—HER208, SF18, SF28. Высоковольтные столбы VD8—VD19 — КЦ106В или КЦ106Г. Светодиод HL1 диаметром 3 мм красного цвета свечения и с хорошей светоотдачей. Микросхема DA1 — любой стабилизатор напряжения на 6 В, например, КР1157ЕН602. Заменить микросхему КР1554ТЛЗ можно только ее импортными аналогами, например, 74АС132 различных изготовителей. Хотя устройство и будет работоспособным при установке на место DD1 микросхемы КР1554ЛАЗ, делать этого не следует по причине значительно худшей стабильности частоты генераторов на двух элементах при их выполнении на микросхеме без гистерезиса. В качестве Т1 использован телевизионный выходной трансформатор строчной развертки ТВС-110ПЦ15, без изменений можно установить ТВС-110ПЦ16. Можно попробовать и другие строчные трансформаторы с близким коэффициентом трансформации (1:10... 1:11), при этом потребуется настройка задающего генератора на частоту, соответствующую резонансной для этого трансформатора. Источник собран в корпусе размерами 80х120х270 мм, склеенном из листового полистирола толщиной 3 мм. Все элементы источника, кроме умножителя, смонтированы на печатной плате размерами 80х90 мм из одностороннего фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой приведен на рис 2.

Умножитель вместе с резисторами, образующими R19, собран навесным монтажом и размещен в полистироловом пенале размерами 24х70x170 мм, изготовленном из коробки, в которую были упакованы отечественные мощные транзисторы. При сборке между элементами необходимо выдержать зазор не менее 2 мм (между резисторами, составляющими R18 — 4 мм), а после пайки отмыть их от остатков канифоли спиртом, просушить и залить парафином. Парафин следует приобрести в аптеке, его необходимо 200 г. Три провода — к Т1, общему проводу и VD5, С1 — выводят из одного торца пенала, провод МГШВ-0,75 к «люстре» — из другого торца. В корпусе печатную плату размещают в нижней части, умножитель — вертикально в верхней. Настройку преобразователя удобнее произвести до полной сборки умножителя. Для этого спаивают только первую ступень — удвоитель С21, С20, VD18, VD19 — и подключают его к плате вместе с R19. Для имитации емкости умножителя в качестве VD18 и VD19 следует соединить параллельно по шесть используемых столбов. К выводам диода VD5 подключают микроамперметр с током полного отклонения 50 мкА или мультиметр. Замыкают выводы С1 перемычкой, резистор R13 устанавливают в положение минимального сопротивления (максимального выходного напряжения), резистор R9 — в среднее положение и подключают вход преобразователя к источнику постоянного тока напряжением 20 В. Подстраивают резистор R5 до получения максимального отклонения стрелки микроамперметра. Если максимум соответствует крайнему положению движка резистора R5, на место R4 следует установить последовательно включенные постоянный резистор 22 кОм и переменный того же номинала, их после окончательной настройки надо заменить на резистор с эквивалентным сопротивлением. Не следует устанавливать на место R5 резистор с большим сопротивлением, т. к. он уже не обеспечит необходимой плавности настройки. Далее, убрав перемычку с С1 подключают вход преобразователя к выходным зажимам лабораторного регулируемого автотрансформатора (ЛАТР) через предохранитель на 1 А. Плавно повышая напряжение и подстраивая R5 проверяют работу преобразователя по микроамперметру. При этом необходимо не допускать превышения током через микроамперметр величины 36 мкА, при необходимости следует уменьшать длительность импульсов резистором R9. Ток силой в 1 мкА соответствует напряжению 1 кВ полностью собранного преобразователя. При настройке полезно последовательно с диодом VD6 включить миллиамперметр на 3.5 мА, зашунтированный кон­денсатором, аналогичным С21. По этому миллиамперметру можно судить о мощности, рассеиваемой на VD6, ток не должен превышать 2 мА. Удобно также вместо этого миллиамперметра поставить однотипный с HL1 светодиод. Сравнивая яркость его свечения с яркостью HL1 можно судить о токе через VD6. После окончательной настройки свечение дополнительного светодиода должно быть практически незаметно. На печатной плате предусмотрены посадочные места для установки этого светодиода (HL2) и конденсатора (С23). Окончательную настройку преобразователя следует произвести так. На ЛАТРе установить минимальное напряжение сети, при котором должен работать ионизатор, например 180 В. Резистором R9 установить ток микроамперметра, превышающий численно на единицу необходимое максимальное выходное напряжение в киловольтах, например, 36 мкА для максимального выходного напряжения 35 кВ. Напомним, что резистор R13 пока находится в положении минимального сопротивления. Увеличивая сопротивление резистора R13 установить ток 35 мкА. Настройка закончена. Теперь резистором R13 можно устанавливать любое выходное напряжение в пределах 25...35 кВ. Рекомендуемое напряжение — 29...30 кВ. На рис 3 приведены зависимости выходного напряжения преобразователя от напряжения сети для указанного варианта регулировки и различных положений движка R13.

Микроамперметр можно отключить, а можно и установить в корпус устройства для постоянного контроля выходно­го напряжения. Автор использовал микроамперметр М42305 с током полного отклонения 50 мкА и классом точности 1,5, его шкала имеет 50 делений, и каждому делению в результате соответствует 1 кВ напряжения на «люстре». После полной сборки устройства можно уточнить настройку задающего генератора на резонансную частоту трансформатора и необходимое выходное напряжение. При настройке и работе выходной провод умножителя должен быть максимально удален от всех остальных проводников устройства, а провод, соединяющий вывод 15 трансформатора и вход умножителя, не должен касаться других проводов. Процесс стабилизации выходного напряжения, описанный выше, реализуется лишь вблизи точки настройки. При существенном превышении напряжением сети напряжения, при котором проводилась настройка, работа ждущего мультивибратора становится прерывистой. Частота выдачи «пачек» им пульсов составляет около 500 Гц, иногда происходит синхронизация выдачи «пачек» с частотой сети. Колебания в трансформаторе в паузах имеют значительно меньшую амплитуду и поддерживаются за счет прямого прохождения синхроимпульсов через элемент DD1.4. В любом случае амплитуда пульсаций высокого напряжения на выходе умножителя не превышает, как это можно рассчитать, 300 В, что составляет около 1 % от выходного напряжения. Собственно «люстру» (рис. 4) целесообразно изготавливать в следующем порядке. Вначале в качестве игл нужно заготовить соответствующее число канцелярских булавок с колечком. Колечки залудить, окуная их в расплавленный припой, на поверхность которого предварительно насыпают твердый хлористый цинк (он при этом плавится). Можно просто перед лужением окунать колечки в раствор хлористого цинка (паяльную кислоту). Далее необходимо изготовить кольцо диаметром 700..1000 мм. Согнув его из металлической трубки диаметром 6.20 мм и соединив концы трубки встык с помощью отрезка металлического стержня подходящего диаметра и заклепок. Вырезать из гофрированного картона круг, свободно проходящий в кольцо. Круг разметить сеткой со стороной квадратов 35...45 мм и в узлы сетки воткнуть иглы, после чего через колечки игл протянуть луженую медную проволоку Ø0,5…0,7 мм в двух направлениях и пропаять колечки. Круг вставить в кольцо и концы проволоки намотать на него, витки желательно пропаять. Аккуратно снять картонный круг, немного растянуть сетку для получения нужного прогиба — «люстра» готова. Устанавливают «люстру» на расстоянии не менее 800 мм от потолка, стен осветительных приборов и 1200 мм от места нахождения людей в комнате. Целесообразно расположить ее над кроватью, закрепив на двух туго натянутых между стенами комнаты лесках диаметром 0,8…1 мм. Лески удобно натянуть треугольником — два крючка для ее крепления устанавливают на стене, к которой «люстра» ближе, один — на противоположной стене. Саму «люстру» крепят к леске небольшими проволочными крючками. Источник  напряжения  желательно установить на высоте около двух метров, например на шкафу, с тем, чтобы ни он, ни подводящий высоковольтный провод не были доступны. Следует помнить, что крупные металлические предметы в комнате, в которой работает аэроионизатор, например, люстра или кровать, а также люди, могут накапливать электрический заряд. Искра, возникающая при прикосновении к ним, может быть весьма болезненной. Кроме того, после накопления заряда осветительной люстрой, находящейся в той же комнате, возможен пробой изоляции её электропроводки, безвредный, но сопровождающийся достаточно громким щелчком. Поэтому целесообразно заземлить металлические предметы, лучше через резистор сопротивлением несколько мегом. Металлический каркас освети­тельной люстры можно соединить через такой же резистор с одним из сетевых проводов. Аэроионизатор включает перед сном на два часа, используя для этих целей простой таймер.

Схемотехника №4 2004г стр. 15