Nel seguente lavoro viene descritta La realizzazione di un generatore di alta tensione con tensioni in uscita
regolabili, sono disponibili all’ uscita le seguenti tensioni:
-c. a. 5,3-10,3 KV rms F 9,10–9,80 KHz (tensione sinusoidale)
-c.c. 7,5-30 KV
-c.c. 110KV (impulsi di tensione a 110KV regolabili da 20 a 80 imp./min.
In genere chi necessita di avere delle alte tensioni continue può trovare conveniente utilizzare i trasformatori di Flyback dei vecchi TVC che in genere hanno un triplicatore di tensione incorporato, con questi trasformatori si possono raggiungere i 28-30 KV, ma il tallone d’ Achille di questi trasformatori e la massima corrente in uscita per cui sono stati progettati che in genere non supera 1mA. Attingere da questi trasformatori correnti superiore porta alla fine prematura degli stessi!
Nella mia realizzazione ho proceduto alla costruzione di un trasformatore in ferrite sotto olio in grado di erogare una corrente di 10mA senza problemi. Il nucleo in ferrite è stato recuperato da un vecchio trasformatore di flyback, sotto la sua foto
Con un seghetto da metallo ho eseguito 2 tagli per liberare il nucleo come visibile in foto, la manovra è risultata abbastanza semplice e nello stesso tempo mi ha permesso di osservare le tecniche costruttive usate nell’ assemblaggio di questi trasformatori.
Il collante in resina epossidica che tiene uniti i 2 elementi a C del nucleo viene rimosso con una pistola termica riscaldando fortemente i due punti di giunzione.
L’ osservazione al microscopio USB mi ha permesso di valutare le caratteristiche dell’avvolgimento: 4100 spire di filo diam. 0,05mm, avvolgimento a disco in bobine separate con solo 8-9 spire per strato e questo presenta notevoli vantaggi nei trasformatori ad alta tensione ed alta frequenza di lavoro, poi vedremo meglio questo particolare.
Costruzione di un trasformatore per alta tensione che lavora in condizioni di risonanza.
Le operazioni che seguono richiedono l’ uso di tester ed oscilloscopio, utile anche l’ uso di un tester LCR e di un frequenzimetro.
Avevo deciso di far lavorare il primario in condizioni di risonanza, in questo caso bisogna fissare la frequenza a cui far lavorare il trasformatore, il nucleo magnetico adoperato è fatto per funzionare alla frequenza di riga dei televisori 15.625 Hz quindi basta stare entro i limiti di questa frequenza e non si avranno eccessivi riscaldamenti del nucleo.
La messa a punto del sistema non richiede il montaggio completo del trasformatore, basta solo fissare il valore del traferro 0,2 + 0,2mm ed avvolgere il primario, 8 spire di filo di diam. 1,5 mm, avvolte pure 5 spire al secondario per controllare la risposta del trasformatore. La misura dell’ induttanza del primario L1 con tester LCR da 31,8mH.
Ho prefissato la frequenza a cui far lavorare il trasformatore a 12 Khz e quindi calcolo il valore di Cx che risulta essere = 5,53 mF, vedere sotto
Schema del circuito di pilotaggio
Nel circuito di pilotaggio visibile sopra, l’induttanza
L1, ha la funzione di bloccare la radio frequenza, VLF, che si genera nel circuito risonante
L-Cx che altrimenti finirebbe per danneggiare i 2 condensatori elettrolitici.
Per la messa a punto del sistema si deve regolare il trimmer
P1 sino a che il rapporto tra i tempi on-off dell’ onda quadra rilevata tra i punti
C-F diventa =1 come visibile sopra.
Si passa quindi al trimmer
P2 che regola la frequenza dell’ onda quadra generata dal 555 con l’oscilloscopio connesso tra i punti
A e B, si regola sino a che si ottiene una sinusoide si aggiusta poi con piccoli spostamenti sino alla massima ampiezza, un piccolo ritocco anche a
P1 per aggiustare il rapporto on - off che è meglio sia compreso tra 1 e 1,1. A questo punto la frequenza dell’ onda quadra è esattamente uguale alla frequenza di risonanza
L-Cx e nel mio caso misuro 12,42 Khz.
Ora non resta che eseguire l' avvolgimento del secondario ad alta tensione, dalle prove fatte sappiamo che il trasformatore al secondario eroga una tensione efficace di 3,04 V/spira = 4,3 Vp (picco) e questo ci permette di calcolare il N. di spire necessarie per raggiungere la tensione desiderata.
Per esempio con 4000 spire avremo un tensione di 12.160 V efficaci che raddrizzati diventano 17.145 V.
Principalmente sono 2 le tipologie di avvolgimenti(visibili sotto) usate nei trasformatori di piccola potenza: la
A con avvolgimenti a strati e con eventuale foglio isolante fra gli strati, adatti per trasformatori a frequenza di rete a bassa e media tensione ed alta frequenza e bassa tensione; la
B con bobine a disco isolate fra di loro, adatte per trasformatori ad alta tensione ed alta frequenza di lavoro e naturalmente impregnate di resina sottovuoto.
Ora un confronto fra i 2 diversi modi di avvolgere. Il secondario che ho costruito conta 4030 spire di filo di rame
smaltato di diam. 0,15 mm. Se fosse stato avvolto secondo il metodo
A avrebbe strati di 260 spire sovrapposti, considerando che l’avvolgimento genera 4,3 V/spira di picco, avremo tra i punti
C e D una tensione di: 520x 4,3=2236V, decisamente troppo, verrebbe perforato l’isolamento fra i fili, quindi bisognerebbe inserire fogli isolanti fra uno strato e l’ altro, il risultato di questa manovra sarebbe l' ecessivo aumento del volume dell’ avvolgimento e non riuscirei più ad avvolgere tutte le spire!
Nel modello
B invece, quello che ho usato per la realizzazione dell’ avvolgimento, non ci sono questi problemi; il secondario è realizzato con 9 bobine da 4mm di spessore, ogni strato conta mediamente circa 25 spire, quindi la tensione massima che registro tra le spire di 2 strati sovrapposti, punti
E e F è di: 50x4,3=213V e considerando che l’ intero avvolgimento va immerso in olio sottovuoto non è più necessario inserire fogli isolanti fra gli strati.
Lo schema visibile sotto è solo indicativo dei modelli e dei collegamenti usati per l’ avvolgimento, visto in sezione, non riporta il numero esatto delle spire, degli strati e delle bobine usate.
Il rocchetto del secondario, visibile sotto è stato realizzato in PVC e plexiglass con lavorazione al tornio ed incollaggio con resina epossidica, potrebbe essere realizzato anche con una stampante 3D. Visibile anche il trasformatore in ferrite con secondario completamente avvolto, 4030 spire di filo di rame smaltato, diam 0,15 mm, il primario è invece formato da 8 spire di rame smaltato di diam. 1,5 mm, il tutto è fissato su una basetta in PVC. Ora non resta che metterlo dentro il suo contenitore e caricare l’ olio isolante.
Di seguito altri particolari del trasformatore, del suo contenitore e del coperchio in PVC con fori passanti per gli elettrodi.
Come olio si può usare quello specifico per trasformatori, anche l’ olio di paraffina va bene, il migliore in assoluto sarebbe l’ olio di silicone, ma qui non si può usare data la sua parziale incompatibilità con il
PVC.
Gli oli adoperati devono essere sufficientemente fluidi, avere alta rigidità dielettrica, alta resistività, e bassa tan delta alle alte frequenze
Trattamento sotto vuoto dell’ olio
Qualsiasi tipo d’ olio venga usato per l’ avvolgimento non deve contenere acqua se non in minima quantità < 30 ppm (parti per milione) e la quantità di gas atmosferici disciolti nell’ olio deve essere minima, pena la possibile formazione di piccoli archi che finirebbero per danneggiare l’ avvolgimento.
Sotto un ‘ immagine del trattamento dell’ olio sotto campana a vuoto, l’olio viene poi lascato sotto vuoto per 24 ore.
Caricamento dell’ olio
Si procede poi al caricamento dell’ olio nel contenitore porta trasformatore. Per il vuoto uso una pompa rotativa a doppio stadio, alla base della campana a vuoto uso un accessorio con mini rubinetto per introdurre fluidi dentro la campana.
E’ molto importante raggiungere il massimo grado di vuoto consentito dalla pompa da vuoto usata, in questo caso intorno ai 0,05 torr. Da notare che per raggiungere questo grado di vuoto possono essere necessari anche 30 minuti o più, dipende dall’ umidità presente nell’aria, a questo fine aiuta molto la presenza all’ interno della campana di un disidratante, tipo NaOH, gel di silice o anidride fosforica.
Primo collaudo del trasformatore Si procede al controllo del trasformatore per assicurarsi che non vi siano scariche interne e per misurarne la tensione in uscita con spinterometro.
Di seguito, nella foto
A il trasformatore sotto olio collegato all’ elettronica di controllo debitamente tarata e chiuso con il tappo passacavi, la parte A.T. usa un disco di teflon come isolatore.
In
B a montaggio completato con il trasformatore all’ interno del tubo, cosa importante in questa costruzione uno dei terminali A.T. va collegato alla presa di terra.
Visibile anche il potenziometro per la regolazione della tensione in uscita, una delle ultime modifiche fatte a questo apparato, ma questo verrà descritto in seguito.
Assemblaggio del generatore
Sopra lo schema definitivo del generatore con il suo duplicatore di tensione. La necessità tecnica di tenere il condensatore
Cx un po’ lontano dal primario
L del trasformatore con l’impiego dei 2 conduttori
1 e 2 da 15 cm di lunghezza l’ uno ha avuto come conseguenza un abbassamento della frequenza di risonanza che ora è scesa a 9,80 KHz comunque non ho ritenuto opportuno compensare il valore di
Cx per ritornare al valore originale.
La necessità ora, era quella di rendere variabile entro certi limiti le tensioni in uscita dal generatore senza adottare soluzioni circuitali complicate.
La curva caratteristica di risonanza parallelo
Cx-L visibile a lato che mi dà l’andamento della tensione
VAB in funzione della frequenza di oscillazione mi ha suggerito la soluzione, bastava con il trimmer
P2 regolare la frequenza dell’ oscillazione dell’onda quadra al gate del mosfet, punto
C, fra
9800 Hz e
9100 Hz ed avrei ottenuto una tensione sinusoidale dello stesso valore in frequenza e con ampiezza data dalla curva rossa in basso a destra; di seguito altri particolari del circuito.
Il trimmer
P2 è stato sostituito con un potenziometro, più adatto per le regolazioni, il condensatore
Cx è meglio sia formato da 2 o più condensatori del tipo MKP (al polipropilene) e devono essere in grado di sopportare tensioni di 200 V, altri tipi potrebbero riscaldarsi troppo durante il funzionamento.
Il mosfet
IRFP250 deve essere montato su un dissipatore adeguato. Per quanto riguarda Il duplicatore di tensione vengono usate 2 stringhe di 4 diodi in serie da 12 KV 0,1 A in grado di lavorare intorno ai 10 KHz, i condensatori ad alta tensione devono essere robusti ed in grado di sopportare forti correnti di scarica, questi reggono 50 KV il loro dielettrico è un film plastico e vengono impregnati d’ olio sotto vuoto, per questo uso non tutti i condensatori ceramici vanno bene.
Di seguito foto del generatore in fase di assemblaggio
E con il generatore ultimato
Misure di tensioni in uscita
Di seguito la descrizione dell’ultima parte del generatore
Misure sul generatore di Marx
Sopra schema usato per la valutazione della tensione in uscita dal generatore di Marx.
Per il corretto funzionamento del generatore la tensione al punto
in deve essere compresa da +27,5 a 30 KV entro questi limiti il generatore genera impulsi di tensione con valore di picco di +110KV.
Passando da 27 a 30 KV la tensione in uscita non cambia perché il suo valore è vincolato dalla distanza di spark gup nei 3 spinterometri S1, S2, S3, cambia invece la frequenza degli impulsi generati che a 27,5 KV è di 20imp./min. mentre con 30KV arriva a 80imp./min.
Lo spinterometro
S è molto importante per il funzionamento del generatore esso costituisce il carico del generatore e scaricando il picco di tensione a massa impedisce che lo stesso attraverso
RC possa raggiungere il duplicatore di tensione dove potrebbe causare seri danni.
Comunque
S può anche essere sostituito da un’ opportuna resistenza di carico, i picchi a 110KV possono anche essere raccolti attraverso un diodo ed un condensatore per generare in uscita una tensione continua, in ogni caso la presenza di
S costituisce una sicurezza per l’ intero impianto.
Per quanto riguarda la misura della tensione in uscita non si può ridurre tutto alla misura dello spark gup di
S la sua distanza di 45 mm mi suggerirebbe un valore di 45X3=135KV! Valore semplicemente assurdo. Per la misura bisogna usare uno spinterometro a sfere, solo questo mi ha permesso di calcolare il valore di picco dell’ impulso.
Lo spinterometro a sfere che si vede sopra, munito di nonio per una migliore lettura è stato sistemato in parallelo allo spark gup
S, per la lettura basta sistemare le 2 sfere ad una distanza superiore a quella a cui si prevede avvenga la scarica, si fa partire il generatore e la scarica avverrà naturalmente attraverso
S, si inizia ad avvicinare le sfere ruotando la manopola
M, quando la scarica elettrica preferirà la via dello spinterometro a sfere ci si ferma e si prende la lettura sul nonio; la distanza da me rilevata è stata di 37,55 mm pari a una tensione di 112,6 KV. Gli impulsi generati hanno una durata media di 30 msec.
Fotogrammi del video sulla misura della tensione impulsiva
In questa fotogramma si può osservare la formazione di un mini fulmine globulare agli elettrodi dello spinterometro
Alimentazione e protezione contro i c.c. del generatore
Per l’ alimentazione ho usato un alimentatore switching per PC, si usa solo una delle uscite a 12V che tramite Il trimmer di regolazione interno è stata portata a 13V.
Nell’ uso di questi alimentatori bisogna tener conto che le loro uscite a 5 e 12V non possono funzionare a vuoto devono erogare sempre una corrente minima, di solito specificata nella loro etichetta, nel mio caso siccome non uso l’ uscita a 5V ho provveduto ad inserire una resistenza di carico.
Questi alimentatori in genere hanno una protezione contro il corto circuito che interviene quando la corrente erogata supera il massimo consentito, tuttavia ho provveduto ad inserire un’ ulteriore protezione: un interruttore automatico con soglia di intervento regolabile da 0,5 a 6A sotto lo schema
In questo circuito viene usato un doppio operazionale con alimentazione singola, il primo operazionale
LM258 /2 legge la caduta di tensione sulla resistenza
R1, proporzionale alla corrente fornita al generatore, la amplifica e la manda all’ ingresso non invertente del comparatore
LM258 /1 dove viene confrontata con la tensione che arriva al piedino 2 tramite il potenziometro a filo
P.
Quando la tensione al piedino 3 è superiore a quella del piedino 2 l’operazionale manda alla sua uscita 1 la tensione di alimentazione, il darlington
BD681 va in conduzione e fa scattare il relay
Re1 chiudendo i suoi 2 contatti NA (normalmente aperti) di conseguenza scatta anche il relay
Re2 con i suoi 2 contatti NC (normalmente chiusi) e con quest’ ultima operazione viene tolta la tensione al generatore A.T. appena questo accade, la tensione ai capi del piedino 5 dell’operazionale va a 0 il darlington smette di condurre ma le bobine dei 2 Relay restano egualmente eccitate grazie ai loro contatti ausiliari e la tensione di alimentazione resta ferma a 0V.
Per far ripartire il generatore bisogna premere il pulsante
PL con i suoi contatti NC in questo modo si diseccitano le bobine di
Re1 e
Re2 e la tensione di alimentazione torna a 13V.
Bibliografia
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Qui 2 video sul generatore
