Zdroj vysokého napětí
VAROVÁNÍ
Tato stránka obsahuje informace o velmi nebezpečném zařízení. Veškerý uvedený obsah je pouze informativního charakteru, jelikož některé jeho části lze využít i u bezpečných
konstrukcí. Autoři nenesou odpovědnost za případné újmy způsobené konstrukcí tohoto zařízení, nebo zařízení jiného, avšak podobného!
Základní informace
Ke stavbě tohoto zdroje jsem využil mé oblíbené zapojení. Jedná se o Mazzilliho ZVS (Zero-voltage switching) budič, který přináší oproti ostatním budičům mnoho výhod.
Mezi základní výhodu tohoto budiče patří primárně to, že se tranzistory otvírají a zavírají v okamžiku, když je na nich jen malé, či dokonce žádné napětí (odtud název). Ač si možná říkáte, že tento způsob spínání moc velkou roli hrát nemůže, jelikož po zvýšení napětí přes tranzistory proud přeci poteče stejně, není tomu tak.
Rozdíl existuje, dokonce je i znatelný. V ideálním světě, kde se tranzistory otevírají nekonečně rychle a kromě vnitřního dporu nemají žádné parazitní vlastnosti by bylo nejspíše jedno, kdy se tranzistory otevřou, nicméně reálné tranzistory mají určitá omezení, mezi které patří i omezená rychlost otevření. A právě rychlost otevření je hlavním problémem, co se týče tepelných ztrát. Problém je podrobně rozebrán zde.
Transformátor
Transformaci nízkého napětí na vysoké zajišťuje flyback transformátor z CRT televize. V CRT televizích mají tyto transformátory za úkol vytvářet vysoké napětí, kterým jsou následně urychlovány elektrony ve vakuu a vzniká katodový paprsek. Nicméně pro tyto účely stačí jen malé proudy, proto jsou integrovaná primární vinutí flyback transformátorů vinuta dráty malých průřezů, a proto zcela nedostatečná na provoz při vyšších výkonech. Při využití integrovaných vinutí nezřídka dojde k jejich zničení v důsledku vysokých tepelných ztrát a špatného chlazení (vinutí jsou zalita do epoxidové pryskyřice).
Abych tomuto problému předešel, navinul jsem si na odkrytou část jádra svoje primární vinutí, které má ve svém středu odbočku a je vinuto dráty větších průřezů (2 dráty po 1,5 mm2). Dráty jsou pro zlepšení chlazení zbaveny izolace.
Odstranění izolace však přidalo jeden velký problém - zkraty mezi jednotlivými závity. Nicméně i tento problém jsem vyřešil. K řešení problému mi totiž pomohla skutečnost, že je primární vinutí navinuto ze dvou paralelních drátů. Dvojice drátů jsem v některých bodech spojil cínovou pájkou, čímž se dráty skoro přestaly hýbat a zůstaly na svém místě i přes působení velkých sil.
Spínací prvky
Základní zapojení budiče ZVS vyžaduje ke své funkci 2 tranzistory. Každý z tranzistorů spíná jednu polovinu vinutí. Pro zvýšení efektivity jsem použil dvě dvojice tranzistorů, takže každou polovinu vinutí spínají dva paralelně spojené tranzistory. Rozhodnutí použít v zapojení 2 páry tranzistorů se mi vyplatilo, jelikož použitím dvojnásobného počtu tranzistorů se odpor RDS v otevřeném stavu snížil, což vyústilo ve snížení tepelné ztráty a zvýšení maximálních proudů.
Je také dobré zmínit, že paralelní spojení je v případě IRFP250N povolené v datasheetu. Většina MOSFETů toto zapojení umožňuje už kvůli konstrukci, jelikož i běžné MOSFETy jsou složeny z velkého množství (řádově desítek až stovek) malých MOSFETů v zapojených paralelně jednom pouzdře. I tak je však dobré si možnost paralelního zapojení v datasheetu zkontrolovat.
Nicméně i přesto je třeba počítat s tím, že takto spojený tranzistor nebude mít automaticky dvojnásobný výkon.
Dobře aplikovatelné pravidlo je, že dva MOSFETy spojené paralelně budou mít v důsledku výrobních odlišností cca 1,5násobek
povoleného výkonu uvedeného v datasheetu. Hodnota 1,5násobku se může zdát přehnaně podhodnocená, nicméně tomu takto skutečně je.
Tranzistory se totiž ani v případě stejného druhu nikdy neotevřou ve stejný čas, proto by jeden z nich mohl chvilkově vést větší proud, než na který je stavěn.
Rezonanční kondenzátory
Rezonanční kondenzátory jsou podceňovanou součástí konstrukcí, které využívají rezonanční obvody. Ač se zdají býti součástkou, na které lidově řečeno: "nelze nic zkazit", opak je pravdou. Je naprosto nutné vybrat správný druh, jinak dojde k omezení výkonu zapojení, zničení kondenzátorů, nebo rovnou obojímu dohromady. Rezonanční kondenzátory opravdu nepodceňujte, na fotografii níže je vidět, jak obvod po zhruba 10 minutách intenzivního provozu dopadne, když nezvolíte vhodný druh kondenzátoru:
Na co si tedy při výběru rezonančních kondenzátorů dát pozor? Uvedu zde 3 hlavní parametry:
1) Ztrátový činitel tg delta (tangens delta), v datasheetu značen "Dissipation factor"
2) Maximální strmost impulzu dU/dt (Volty na mikrosekundu; V/usec), v datasheetu značeno jako "Maximum pulse rise time"
3) Dielektrikum - izolační materiál mezi vodivými plochami. Ovlivňuje vlastnosti kondenzátoru
1. Ztrátový činitel
Vzhledem k tomu, že se jedná o činitel ztráty, je vhodné, aby byl co nejnižší. Uvádí se v závislosti na frekvenci. Jedná se o bezrozměrnou veličinu, která se běžně pohybuje v rozmezí 10-3 až 10-5
Pokud je datasheetová hodnota tohoto činitele při 10 kHz menší, než 7*10-4, tak by kondenzátor měl provoz vydržet. Nejedná se však o jediný rozhodující parametr a není vhodné na tuto skutečnost spoléhat, jedná se pouze o orientační ukazatel!
2. Maximální strmost impulzu
U této hodnoty je vhodné, aby byla co možná nejvyšší. Určuje, jak strmý impulz kondenzátor vydrží. Ideální je, aby tato hodnota byla větší, nebo rovna 400 voltům na mikrosekundu.
3. Druh dielektrika
Druh dielektrika určuje vlastnosti kondenzátoru. Nejlepším dielektrikem bývá polypropylen (PP). Kondenzátory s tímto dielektrikem bývají označovány MKPxx, nicméně je vždy lepší druh dielektrika dohledat v datasheetu.
Ve svém zapojení jsem využil kondenzátory řady MKP10 o kapacitě 330 nF s následujícími parametry:
tg delta (10kHz) => 6*10-4
dU/dt => 400 V/mikrosek.
Polypropylenové dielektrikum
Kondenzátory jsem zapojil 2 paralelně. Mám s nimi dlouhodobé zkušenosti a vždy odolaly obrovským zátěžím. Již jsem je použil v několika konstrukcích a jsem s nimi spokojen.
Parametry vstupu a výstupu
Na výstupu je při napájení ze 12 V zdroje zhruba 20 kV. Výstupní proud je také poměrně vysoký, nicméně nemám přesný údaj. Při tvrdém zkratu výstupu zdroj odebírá 5 A a při zapáleném výboji hodnota dosahuje stabilních 25 A. Výboj je možné natáhnout zhruba na 8 cm. Pracovní frekvence zdroje bez zátěže je 60 kHz, takže přeskok na jakoukoli část těla je poměrně silně cítit, nicméně účinek zdaleka není zdaleka tak destruktivní, jako u nízkofrekvenčních výbojů, například výstupu transformátoru z mikrovlnné trouby.
Fotografie
