Простой лабораторный высоковольтный БП 1…10 кВ своими руками

Универсальный регулируемый источник питания 1…10 кВ постоянного тока, из подножных материалов, для замены индукционной катушки [1] при работе с самодельными газоразрядными приборами. Блок питания (БП) имеет бортовой киловольтметр и миллиамперметр, а встроенный магазин балластных сопротивлений и переключающиеся шунты позволят использовать его как источник питания небольшого магниторазрядного высоковакуумного насоса или вакуумметра — т. н. ячейки Пеннинга.

Схема

Рис. 2. Общая схема БП. Повышающий трансформатор (модуль № 3) — крупный ТДКС от старорежимного кинескопного телевизора с большой диагональю. Его вторичная обмотка — штатная высоковольтная с табельным диодом. Обмотка первичная — 10 витков, намотана нетонким монтажным проводом на свободном участке магнитопровода. Резистор 120 Ом в её демпферной цепочке здорово греется на максимальных токах и составлен из нескольких мощных керамических

Рис. 3. Задающий генератор (Рис.2, модуль №1), схема принципиальная. Питание 12…30 В, 30 мА max. При питании микросхемы ШИМ-контроллера напрямую: 9…20 В. Частота импульсов 17…250 кГц, регулировка выходного напряжения БП резистором RV2 «Скважность». RV3 «Баланс» точнее подстраивает рабочую точку цепи ОС контроллера, чтобы скважность регулировалась от минимума до максимума. Транзистор можно заменить на КТ3102, КТ315 и другие подобные

Рис. 4. Магазин балластных резисторов

Рис. 5. Миллиамперметр с «универсальным шунтом» [2]. Диоды и конденсатор защищают рамку головки

Рис. 6. Киловольтметр на основе микроамперметра. Добавочные сопротивления — высоковольтные типа КЭВ

Материализация «в железе»

▍ Задающий генератор (Рис. 3)

Фото 7. Простую одностороннюю платку вычертил в китайском Автокаде, применительно к своим элементам. Для некоторой универсальности питания добавил к схеме (Рис. 3) выпрямительный мост и сглаживающий фильтр, светодиодик включения. Использовал ряд пассивных элементов в SMD корпусах 1206, расположенных на стороне печати на разрывах дорожек. Монтаж свободный, для ручного изготовления

Фото 8. Подходящий кусочек фольгированной заготовки выровнял, зачистил и снял ненужный второй слой фольги, подогрев его строительным феном

Фото 9. Распечатал зеркальный рисунок дорожек платки в масштабе 1:1, вырезал ножницами, оставив с каждой стороны по широкому клапану. Нахлобучил шаблон на подготовленный стеклотекстолит, закрепил с обратной стороны кусочком скотча. Вооружившись козырьком с лупой и хорошим светом, накернил центры отверстий на стальной плите

Фото 10. Просверлил заготовку платки, зачистил мелкой наждачкой, вычертил рисунок дорожек битумным лаком, стеклянным рейсфедером. Подсушив, отретушировал рисунок крупной иглой. Ей же сделал разрывы в дорожках для установки безвыводных элементов

Фото 11. Вытравил дорожки в подогретом водном растворе хрестоматийного хлорного железа, удалил защитный слой лака, зачистил, залудил, установил элементы со стороны печати

Фото 12. Платка генератора со стороны элементов

Фото 13. Запитал собранный генератор от подходящего маломощного трансформатора и переменным резистором «Баланс» отрегулировал возможность минимальной скважности. Установил частоту — около 30 кГц

▍ Высоковольтный трансформатор, выпрямитель

Фото 14. Б/у высоковольтный «трансформатор диодно-каскадный строчный» (ТДКС) от кинескопного телевизора с крупной диагональю. Из-за статического электричества высоковольтные детали со временем здорово зарастают жирной липкой пылью. Поддел отвёрткой пружину, скрепляющую половинки ферритового магнитопровода, разобрал его, удалил немагнитную прокладку. Отмыл трансформатор и его высоковольтный хобот бензином «Галоша», с применением старой зубной щётки. Укоротил и заизолировал ненужные провода, нашёл вывод «общий» на подошве трансформатора

Фото 15. Лишние проволочные выводы «на плату» сильно укоротил и залил подошву воском

Фото 16. Намотал на свободном месте магнитопровода 10 витков монтажного провода, закрепил концы, собрал демпфирующую цепочку

▍ Киловольтметр, миллиамперметр

Для обоих измерителей использовал одинаковые имеющиеся головки — миниатюрные микроамперметры, с током полного отклонения 100 мкА. Некрупные размеры позволили удобнее их расположить на передней панели, а малая точность измерений здесь не важна. По маркировке нашёл данные головок, применив закон Ома, рассчитал добавочные сопротивления для киловольтметра и элементы «универсального шунта» [2] для миллиамперметра.

Фото 17. Для удобства измерений шкалы головок изменил — вскрыл защитные прозрачные колпачки с арретиром, замазал штатные цифры шкал канцелярским корректором (на фото), гелевой ручкой нанёс новые. Собрал на радиомонтажный герметик

Фото 18. Все резисторы имеют максимально на них допустимое падение напряжения. Добавим, весьма небольшое для ходовых элементов. Например, для МЛТ-2 это 750 В. На фото специальные высоковольтные сопротивления китайского производства

▍ Переключатели

Фото 19. Для «универсального шунта» микроамперметра применил имевшийся трёхплатный галетный переключатель. Освободил его от необязательного железа, по возможности, увеличив зазоры между ламелями и металлическими частями. Вывод от подвижного контакта сделал нетолстым мягким проводом

Фото 20. Балласт собрал на основе крупного переключателя. Разобрал его, оставив одну плату, удалил лишние контакты, увеличив между ними зазоры

Фото 21. Шунт миллиамперметра и первый вариант балласта на 6 положений

Фото 22. После первых испытаний количество положений переключателя балласта сочтено избыточным и оставлено 3 из них — 10 МОм, 1 МОм, 10 Ом. При этом увеличились и зазоры между контактными площадками, что полезно. Переключатель на панели установлен навыворот, стойки не из его комплекта

Корпус, сборка

Внутреннюю часть корпуса прибора — стойки, панели, платы выполнил из органического стекла, боковины и лицевая панель деревянные. Компоновку сделал в том же Автокаде.

Фото 23. Из нашедшейся тонкой строганной берёзовой доски выкроил пару боковин

Фото 24. Лобзиком по дереву сделал окна для оргстеклянных панелек высоковольтных клемм

Фото 25. Старый кусок оргстекла отмыл с мылом и жёсткой щёткой, разметил и раскроил на циркулярной пиле

Фото 26. Переднюю панель из хорошего ДВП разметил и выпилил. Отверстия для установочных элементов просверлил свёрлами по дереву, крупные выпилил ручным лобзиком

Фото 27. Набор деталей для корпуса прибора

Фото 28. Плата высоковольтного источника. Части склеены дихлорэтаном с растворенными в нём стружками оргстекла

Фото 29. Деревянные части в несколько слоёв покрашены ПФ-115, начата сборка. На фото, высоковольтная часть источника. Прозрачные панельки для выходных клемм прикручены мелкими саморезами, ТДКС закреплён мощными капроновыми стяжками и герметиком

Фото 30. Собрана низковольтная часть, установлена передняя панель в сборе. Платка задающего генератора закреплена на импровизированных стойках из длинных винтов М3 со стопкой гаечек, ключ — полевой транзистор через КТП-8 на небольшом радиаторе. Тот закреплён на общей панели винтами. Крепёж стопорил гроверами, краской в резьбу. Толстые провода к измерительным головкам — высоковольтные, лишние от ТДКС, с дополнительными слоями термотрубки. Второй покороче к микроамперметру — центральная жила в полиэтиленовой изоляции, от коаксиального кабеля, с несколькими слоями термотрубки. Добавочные сопротивления киловольтметра заделаны в эти же термотрубки. Низковольтные провода питания — проведены под основанием к винтовой клемме на задней стенке, переменник «Скважность» задающего генератора, проволочный многооборотный

Фото 31. Первые пробные включения. Нагрузка — колба от ЛДС с балластом 1 МОм. Питание — старый 200 Вт компьютерный БП. Силовые 5 В включены через самодельный фильтр. На фото — 6 кВ, 1.5 мА

Удобства

Мой переменный резистор «Выходное напряжение» на передней панели имеет вал чуть толще, чем посадочные места фабричных ручек, удлинённые рукоятки переключателей и вовсе не стандартные — выточим их из дерева.

Фото 32. В качестве заготовок возьмём сухую берёзу — пошуршав в поленнице, выбрал пару дровишек потолще и без видимых изъянов. Русиш фетишин. Не забыть готовое расписать под хохлому… Берёза — неплохое дерево для точения: плотное, мелкопористое, а главное, этого добра в средней полосе России, много и дёшево. Расколотым сырым деревяшкам около 3 лет естественной сушки

Фото 33. Чтобы сэкономить ресурс заточки нежных лезвий резцов, полено предварительно обтесал топором на пеньке, удалив твёрдую кору и боковые рёбра. Для точения «в центрах» нашёл их на деревяшке (на фото). Под задний неподвижный тюкнул керном ямку и пустил в неё несколько капель машинного масла, под передний ведущий трезубец, поперёк волокон, ручной ножовкой пропилил паз

Фото 34. Установленное в станок полено, крупный резец-рейер с ногтеобразной заточкой. Характерная для деревоточения длинная ручка образует хороший рычаг, не позволяющий вырвать его из рук при мелких авариях

Фото 35. Оболванивание — первичная грубая обработка, где неровная деревяшка превращается в более или менее правильный цилиндр

Фото 36. Несложная форма без рюшечек, условная ровность торца ручки — простая утилитарная работа. Выточенное отшлифовал средней наждачкой со сменой направления вращения

Фото 37. Ручка для переменного резистора

Технологические части заготовок отпилил лобзиком и зашлифовал торцы, просверлил глухие отверстия для присоединения валов, отделал готовые детали несколькими слоями лака.

Фото 38. Из кусочка сосновой доски и обрезка 6 мм фанеры выпилил детали и собрал на столярный ПВА с мелкими гвоздиками, раздвижную подставку для горизонтальных ламп и трубок Гейслера. Отделку ЛКМ не делал — многие приборы изрядно нагреваются

Фотосессия

Фото 39. Вид высоковольтного источника в сборе. Пояснительные надписи сделал спиртовым фломастером, соединительным проводам подобрал и припаял штекеры, на подставке — самодельная разрядная трубка с сужением для увеличения яркости [3]

Фото 40. Вид источника сверху-спереди, со снятой крышкой

Фото 41. Вид источника сверху-сзади, со снятой крышкой

Фото 42. Вид прибора сзади, со снятой крышкой

Фото 43. Вид снизу

Итого

Прототип высоковольтного источника показал себя надёжным и неприхотливым прибором, хотя и не без недостатков. Удалось добиться максимального длительного напряжения не более 7 кВ. Выше источник без нагрузки начинает заметно шипеть и пощёлкивать разрядами. При применении более мощного питания силовой части (?) и ряда мер по дополнительной изоляции, станет возможно получать и более высокие напряжения.

Максимальный ток нагрузки для моих трубок и ламп, около 2 мА.

Кроме того, допущены изъяны:

Фото 44. В балласте применены неспециальные резисторы значительных номиналов. При работе на максимальных токах, падение напряжения на них может превышать допустимое. Их желательно заменить на высоковольтные

Фото 45. Присоединение подвижного контакта галетного переключателя с шунтами неудачное и со временем обломится. Следует попробовать, как и положено по уставу, закрепить проводок около места пайки за изоляцию

Фото 46. Фиксация конца вала в удлинённой деревянной ручке, вероятно, со временем разболтается

Используемая литература

На благо всех разумных существ, Babay Mazay, август, 2024 г.

Telegram-канал со скидками, розыгрышами призов и новостями IT 💻

ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/articles/838140/