Высоковольтные генераторы напряжения с емкостными накопителями энергии. Импульсная зарядка вспышки Ростех "огражданивается" и покушается на лавры Samsung и General Electric

Если соединить резистор и конденсатор, то получится пожалуй одна из самых полезных и универсальных цепей.

О многочисленных способах применения которой я сегодня и решил рассказать. Но вначале про каждый элемент в отдельности:

Резистор — его задача ограничивать ток. Это статичный элемент, чье сопротивление не меняется, про тепловые погрешности сейчас не говорим — они не слишком велики. Ток через резистор определяется законом ома — I=U/R , где U напряжение на выводах резистора, R — его сопротивление.

Конденсатор штука поинтересней. У него есть интересное свойство — когда он разряжен то ведет себя почти как короткое замыкание — ток через него течет без ограничений, устремляясь в бесконечность. А напряжение на нем стремится к нулю. Когда же он заряжен, то становится как обрыв и ток через него течь перестает, а напряжение на нем становится равным заряжающему источнику. Получается интересная зависимость — есть ток, нет напряжения, есть напряжение — нет тока.

Чтобы визуализировать себе этот процесс, представь ган… эмм.. воздушный шарик который наполняется водой. Поток воды — это ток. Давление воды на упругие стенки — эквивалент напряжения. Теперь смотри, когда шарик пуст — вода втекает свободно, большой ток, а давления еще почти нет — напряжение мало. Потом, когда шарик наполнится и начнет сопротивляться давлению, за счет упругости стенок, то скорость потока замедлится, а потом и вовсе остановится — силы сравнялись, конденсатор зарядился. Есть напряжение натянутых стенок, но нет тока!

Теперь, если снять или уменьшить внешнее давление, убрать источник питания, то вода под действием упругости хлынет обратно. Также и ток из конденсатора потечет обратно если цепь будет замкнута, а напряжение источника ниже чем напряжение в конденсаторе.

Емкость конденсатора. Что это?
Теоретически, в любой идеальный конденсатор можно закачать заряд бесконечного размера. Просто наш шарик сильней растянется и стенки создадут большее давление, бесконечно большое давление.
А что же тогда насчет Фарад, что пишут на боку конденсатора в качестве показателя емкости? А это всего лишь зависимость напряжения от заряда (q = CU). У конденсатора малой емкости рост напряжения от заряда будет выше.

Представь два стакана с бесконечно высокими стенками. Один узкий, как пробирка, другой широкий, как тазик. Уровень воды в них — это напряжение. Площадь дна — емкость. И в тот и в другой можно набузолить один и тот же литр воды — равный заряд. Но в пробирке уровень подскочит на несколько метров, А в тазике будет плескаться у самого дна. Также и в конденсаторах с малой и большой емкостью.
Залить то можно сколько угодно, но напряжение будет разным.

Плюс в реале у конденсаторов есть пробивное напряжение, после которого он перестает быть конденсатором, а превращается в годный проводник:)

А как быстро заряжается конденсатор?
В идеальных условиях, когда у нас бесконечно мощный источник напряжения с нулевым внутренним сопротивлением, идеальные сверхпроводящие провода и абсолютно безупречный конденсатор — этот процесс будет происходить мгновенно, с временем равным 0, равно как и разряд.

Но в реальности всегда существуют сопротивления, явные — вроде банального резистора или неявные, такие как сопротивление проводов или внутреннее сопротивление источника напряжения.
В этом случае скорость заряда конденсатора будет зависить от сопротивлений в цепи и емкости кондера, а сам заряд будет идти по экспоненциальному закону .

А у этого закона есть пара характерных величин:

• Т — постоянная времени , это время при котором величина достигнет 63% от своего максимума. 63% тут взялись не случайно, тут прямая завязка на такую формулу VALUE T =max—1/e*max.
• 3T — а при троекратной постоянной значение достигнет 95% своего максимума.

Постоянная времени для RC цепи Т=R*C .

Чем меньше сопротивление и меньше емкость, тем быстрей конденсатор заряжается. Если сопротивление равно нулю, то и время заряда равно нулю.

Рассчитаем за сколько зарядится на 95% конденсатор емкостью 1uF через резистор в 1кОм:
T= C*R = 10 -6 * 10 3 = 0.001c
3T = 0.003c через такое время напряжение на конденсаторе достигнет 95% от напряжения источника.

Разряд пойдет по тому же закону, только вверх ногами. Т.е. через Твремени в на конденсаторе остаенется всего лишь 100% — 63% = 37% от первоначального напряжения, а через 3T и того меньше — жалкие 5%.

Ну с подачей и снятием напряжения все ясно. А если напряжение подали, а потом еще ступенчато подняли, а разряжали также ступеньками? Ситуация тут практически не изменится — поднялось напряжение, конденсатор дозарядился до него по тому же закону, с той же постоянной времени — через время 3Т его напряжение будет на 95% от нового максимума.
Чуть понизилось — подразрядился и через время 3Т напряжение на нем будет на 5% выше нового минимума.
Да что я тебе говорю, лучше показать. Сварганил тут в мультисиме хитровыдрюченный генератор ступечнатого сигнала и подал на интегрирующую RC цепочку:

Видишь как колбасится:) Обрати внимание, что и заряд и разряд, вне зависимости от высоты ступеньки, всегда одной длительности!!!

А до какой величины конденсатор можно зарядить?
В теории до бесконечности, этакий шарик с бесконечно тянущимися стенками. В реале же шарик рано или поздно лопнет, а конденсатор пробьет и закоротит. Вот поэтому у всех конденсаторов есть важный параметр — предельное напряжение . На электролитах его часто пишут сбоку, а на керамических его надо смотреть в справочниках. Но там оно обычно от 50 вольт. В общем, выбирая кондер надо следить, чтобы его предельное напряжение было не ниже того которое в цепи. Добавлю что при расчете конденсатора на переменное напряжение следует выбирать предельное напряжение в 1.4 раза выше. Т.к. на переменном напряжении указывают действующее значение, а мгновенное значение в своем максимуме превышает его в 1.4 раза.

Что следует из вышеперечисленного? А то что если на конденсатор подать постоянное напряжение, то он просто зарядится и все. На этом веселье закончится.

А если подать переменное? То очевидно, что он будет то заряжаться, то разряжаться, а в цепи будет туда и обратно гулять ток. Движуха! Ток есть!

Выходит, несмотря на физический обрыв цепи между обкладками, через конденсатор легко протекает переменный ток, а вот постоянному слабо.

Что нам это дает? А то что конденсатор может служить своего рода сепаратором, для разделения переменного тока и постоянного на соответствующие составляющие.

Любой изменяющийся во времени сигнал можно представить как сумму двух составляющих — переменной и постоянной.

Например, у классической синусоиды есть только переменная часть, а постоянная равна нулю. У постоянного же тока наоборот. А если у нас сдвинутая синусоида? Или постоянная с помехами?

Переменная и постоянная составляющие сигнала легко разделяются!
Чуть выше я тебе показал как конденсатор дозаряжается и подразряжается при изменениях напряжения. Так что переменная составляющая сквозь кондер пройдет на ура, т.к. только она заставляет конденсатор активно менять свой заряд. Постоянная же как была так и останется и застрянет на конденсаторе.

Но чтобы конденсатор эффективно разделял переменную составляющую от постоянной частота переменной составляющей должна быть не ниже чем 1/T

Возможны два вида включения RC цепочки:
Интегрирующая и дифференцирующая . Они же фильтр низких частот и фильтр высоких частот.

Фильтр низких частот без изменений пропускает постоянную составляющую (т.к. ее частота равна нулю, ниже некуда) и подавляет все что выше чем 1/T. Постоянная составляющая проходит напрямую, а переменная составляющая через конденсатор гасится на землю.
Такой фильтр еще называют интегрирующей цепочкой потому, что сигнал на выходе как бы интегрируется. Помнишь что такое интеграл? Площадь под кривой! Вот тут она и получается на выходе.

А дифференцирующей цепью ее называют потому, что на выходе у нас получается дифференциал входной функции, который есть не что иное как скорость изменения этой функции.

• На участке 1 происходит заряд конденсатора, а значит через него идет ток и на резисторе будет падение напряжения.
• На участке 2 происходит резкое увеличение скорости заряда, а значит и ток резко возрастет, а за ним и падение напряжения на резисторе.
• На участке 3 конденсатор просто удерживает уже имеющийся потенциал. Ток через него не идет, а значит на резисторе напряжение тоже равно нулю.
• Ну и на 4м участке конденсатор начал разряжаться, т.к. входной сигнал стал ниже чем его напряжение. Ток пошел в обратную сторону и на резисторе уже отрицательное падение напряжения.

А если подать на вход прямоугольнй импульс, с очень крутыми фронтами и сделать емкость конденсатора помельче, то увидим вот такие иголки:

прямоугольник. Ну, а чо? Правильно — производная от линейной функции есть константа, наклон этой функции определяет знак константы.

Короче, если у тебя сейчас идет курс матана, то можешь забить на богомерзкий Mathcad, отвратный Maple, выбросить из головы матричную ересь Матлаба и, достав из загашников горсть аналоговой рассыпухи, спаять себе истинно ТРУЪ аналоговый компьютер:) Препод будет в шоке:)

Правда на одних только резисторах кондерах интеграторы и диффернциаторы обычно не делают, тут юзают операционные усилители. Можешь пока погуглить на предмет этих штуковин, любопытная вещь:)

А вот тут я подал обычный приямоугольный сигнал на два фильтра высоких и низких частот. А выходы с них на осциллограф:

Вот, чуть покрупней один участок:

При старте кондер разряжен, ток через него вваливат на полную, а напряжение на нем мизерное — на входе RESET сигнал сброса. Но вскоре конденсатор зарядится и через время Т его напряжение будет уже на уровне логической единицы и на RESET перестанет подаваться сигнал сброса — МК стартанет.
А для AT89C51 надо с точностью наоборот RESET организовать — вначале подать единицу, а потом ноль. Тут ситуация обратная — пока кондер не заряжен, то ток через него течет большой, Uc — падение напряжения на нем мизерное Uc=0. А значит на RESET подается напряжение немногим меньше напряжения питания Uпит-Uc=Uпит.
Но когда кондер зарядится и напряжение на нем достигнет напряжения питания (Uпит=Uс), то на выводе RESET уже будет Uпит-Uc=0

Аналоговые измерения
Но фиг сними с цепочками сброса, куда прикольней использовать возможность RC цепи для замера аналоговых величин микроконтроллерами в которых нет АЦП.
Тут используется тот факт, что напряжение на конденсаторе растет строго по одному и тому же закону — экспоненте. В зависимости от кондера, резистора и питающего напряжения. А значит его можно использовать как опорное напряжение с заранее известными параметрами.

Работает просто, мы подаем напряжение с конденсатора на аналоговый компаратор, а на второй вход компаратора заводим измеряемое напряжение. И когда хотим замерить напряжение, то просто вначале дергаем вывод вниз, чтобы разрядить конденсатор. Потом возвращем его в режим Hi-Z, cбрасываем и запускаем таймер. А дальше кондер начинает заряжаться через резистор и как только компаратор доложит, что напряжение с RC догнало измеряемое, то останавливаем таймер.

Зная по какому закону от времени идет возрастание опорного напряжения RC цепи, а также зная сколько натикал таймер, мы можем довольно точно узнать чему было равно измеряемое напряжение на момент сработки компаратора. Причем, тут не обязательно считать экспоненты. На начальном этапе зарядки кондера можно предположить, что зависимость там линейная. Или, если хочется большей точности, аппроксимировать экспоненту кусочно линейными функциями, а по русски — отрисовать ее примерную форму несколькими прямыми или сварганить таблицу зависимости величины от времени, короче, способов вагон просто.

Если надо заиметь аналоговую крутилку, а АЦП нету, то можно даже компаратор не юзать. Дрыгать ножкой на которой висит конденсатор и давать ему заряжаться через перменный резистор.

По изменению Т, которая, напомню T=R*C и зная что у нас С = const, можно вычислить значение R. Причем, опять же необязательно подключать тут математический аппарат, в большинстве случаев достаточно сделать замер в каких-нибудь условных попугаях, вроде тиков таймера. А можно пойти другим путем, не менять резистор, а менять емкость, например, подсоединяя к ней емкость своего тела… что получится? Правильно — сенсорные кнопки!

Если что то непонятно, то не парься скоро напишу статью про то как прикрутить к микроконтроллеру аналоговую фиговину не используя АЦП. Там подробно все разжую.

65 нанометров - следующая цель зеленоградского завода «Ангстрем-Т», которая будет стоить 300-350 миллионов евро. Заявку на получение льготного кредита под модернизацию технологий производства предприятие уже подало во Внешэкономбанк (ВЭБ), сообщили на этой неделе «Ведомости» со ссылкой на председателя совета директоров завода Леонида Реймана. Сейчас «Ангстрем-Т» готовится запустить линию производства микросхем с топологией 90нм. Выплаты по прошлому кредиту ВЭБа, на который она приобреталась, начнутся в середине 2017 года.

Пекин обвалил Уолл-стрит

Ключевые американские индексы отметили первые дни Нового года рекордным падением, миллиардер Джордж Сорос уже предупредил о том, что мир ждет повторение кризиса 2008 года.

Первый российский потребительский процесор Baikal-T1 ценой $60 запускают в массовое производство

Компания «Байкал Электроникс» в начале 2016 года обещает запустить в промышленное производство российский процессор Baikal-T1 стоимостью около $60. Устройства будут пользоваться спросом, если этот спрос создаст государство, говорят участники рынка.

МТС и Ericsson будут вместе разрабатывать и внедрять 5G в России

ПАО "Мобильные ТелеСистемы" и компания Ericsson заключили соглашения о сотрудничестве в области разработки и внедрения технологии 5G в России. В пилотных проектах, в том числе во время ЧМ-2018, МТС намерен протестировать разработки шведского вендора. В начале следующего года оператор начнет диалог с Минкомсвязи по вопросам сформирования технических требований к пятому поколению мобильной связи.

Сергей Чемезов: Ростех уже входит в десятку крупнейших машиностроительных корпораций мира

Глава Ростеха Сергей Чемезов в интервью РБК ответил на острые вопросы: о системе «Платон», проблемах и перспективах АВТОВАЗа, интересах Госкорпорации в фармбизнесе, рассказал о международном сотрудничестве в условиях санкционного давления, импортозамещении, реорганизации, стратегии развития и новых возможностях в сложное время.

Ростех "огражданивается" и покушается на лавры Samsung и General Electric

Набсовет Ростеха утвердил "Стратегию развития до 2025 года". Основные задачи – увеличить долю высокотехнологичной гражданской продукции и догнать General Electric и Samsung по ключевым финансовым показателям.

Генераторы высокого напряжения малой мощности широко используют в дефектоскопии, для питания портативных ускорите­лей заряженных частиц, рентгеновских и электронно-лучевых тру­бок, фотоэлектронных умножителей, детекторов ионизирующих излучений. Кроме этого, их также применяют для электроим­пульсного разрушения твердых тел, получения ультрадисперсных порошков, синтеза новых материалов, в качестве искровых те-чеискателей, для запуска газоразрядных источников света, при электроразрядной диагностике материалов и изделий, получении газоразрядных фотографий по методу С. Д. Кирлиан, тести­ровании качества вьюоковольтной изоляции. В быту подобнью устройства находят применение в качестве источников питания для электронных уловителей ультрадисперсной и радиоактивной пыли, систем электронного зажигания, для электроэффлювиаль-ных люстр (люстр А. Л. Чижевского), аэроионизаторов, устройств медицинского назначения, газовых зажигалок, электроизгородей, элек-трошокеров и т.д. .

Условно к генераторам высокого напряжения, нами отнесе­ны устройства, вырабатывающие напряжение выше 1 кВ.

Генератор вьюоковольтных импульсов с использованием ре­зонансного трансформатора (рис. 11.1) выполнен по классиче­ской схеме на газовом разряднике РБ-3 .

Конденсатор С2 заряжается пульсирующим напряжением через диод VD1 и резистор R1 до напряжения пробоя газового разрядника. В результате пробоя газового промежутка разряд­ника конденсатор разряжается на первичную обмотку трансфор­матора, после чего процесс повторяется. В итоге на выходе трансформатора Т1 формируются затухающие вьюоковольтные импульсы амплитудой до 3…20 кВ.

Для защиты выходной обмотки трансформатора от перена­пряжения параллельно ей подключен разрядник, выполненный в виде электродов с регулируемым воздушным зазором.

Рис. 11.1. Схема генератора высоковольтных импульсов с ис­пользованием газового разрядника

Рис. 11.2. Схема генератора высоковольтных импульсов с удвое­нием напряжения

Трансформатор Т1 генератора импульсов (рис. 11.1) вы­полнен на незамкнутом ферритовом сердечнике М400НН-3 диа­метром 8 и длиной 100 мм. Первичная (низковольтная) обмотка трансформатора содержит 20 витков провода МГШВ 0,75 мм с шагом намотки 5…6 мм. Вторичная обмотка содержит 2400 витков рядовой намотки провода ПЭВ-2 0,04 мм. Первичная обмотка намотана поверх вторичной через политетрафторэти-леновую (фторопластовую) прокладку 2×0,05 мм. Вторичная об­мотка трансформатора должна быть надежно изолирована от первичной.

Вариант выполнения генератора вьюоковольтных импуль­сов с использованием резонансного трансформатора показан на рис. 11.2 . В этой схеме генератора имеется гальвани­ческая развязка от питающей сети. Сетевое напряжение по­ступает на промежуточный (повышающий) трансформатор Т1. Снимаемое со вторичной обмотки сетевого трансформатора напряжение поступает на выпрямитель, работающий по схеме удвоения напряжения.

в результате работы такого выпрямителя на верхней по схе­ме обкладке конденсатора С2 относительно нулевого провода по­является положительное напряжение, равное V2L/„, где - напряжение на вторичной обмотке силового трансформатора.

На конденсаторе С1 формируется соответствующее напря­жение противоположного знака. В результате напряжение на об­кладках конденсатора СЗ будет равно 2 V2L/„.

Скорость заряда конденсаторов С1 и С2 (С1=С2) определя­ется величиной сопротивления R1.

Когда напряжение на обкладках конденсатора СЗ сравняет­ся с напряжением пробоя газового разрядника FV1, произойдет пробой его газового промежутка, конденсатор СЗ и, соответст­венно, конденсаторы С1 и С2 разрядятся, во вторичной обмотке трансформатора Т2 возникнут периодические затухающие коле­бания. После разряда конденсаторов и отключения разрядника процесс заряда и последующего разряда конденсаторов на пер­вичную обмотку трансформатора Т2 повторится снова.

Вьюоковольтный генератор, используемый для получения фотографий в газовом разряде, а также для сбора ультрадис­персной и радиоактивной пыли (рис. 11.3) состоит из удвоителя напряжения, релаксационного генератора импульсов и повышающего резонансного трансформатора.

Удвоитель напряжения выполнен на диодах VD1, VD2 и кон­денсаторах С1, С2. Зарядную цепочку образуют конденсаторы С1 - СЗ и резистор R1. Параллельно конденсаторам С1 - СЗ включен газовый разрядник на 350 В с последовательно соеди­ненной первичной обмоткой повышающего трансформатора Т1.

Как только уровень постоянного напряжения на конденсато­рах С1 - СЗ превьюит напряжение пробоя разрядника, конденса­торы разрядятся через обмотку повышающего трансформатора и в результате образуется вьюоковольтный импульс. Элементы схе­мы подобраны так, что частота формирования импульсов около 1 Гц. Конденсатор С4 предназначен для защиты выходного зажи­ма прибора от попадания сетевого напряжения.

Выходное напряжение устройства целиком определяется свойствами используемого трансформатора и может достигать 15 кВ. Высоковольтный трансформатор на выходное

Рис. 11.3. Схема генератора импульсов высокого напряжения с использованием газового разрядника или динисторов

напряжение порядка ^0 кВ выполнен на диэлектрической трубке с внешним диаметром 8 и длиной 150 мм, внутри расположен мед­ный электрод диаметром 1,5 мм. Вторичная обмотка содержит 3…4 тысячи витков провода ПЭЛШО 0,12, намотанных виток к витку в 10… 13 слоев (ширина намотки 70 мм) и пропитанных клеем ЁФ-2 с межслойной изоляцией из политетрафторэтилена. Первичная обмотка содержит 20 витков провода ПЭВ 0,75, пропу­щенного через кембрик из поливинилхлорида.

В качестве такого трансформатора можно также применить модифицированный выходной трансформатор строчной разверт­ки телевизора; трансформаторы электронных зажигалок, ламп-вспышек, катушек зажигания и др.

Газовый разрядник Р-350 может быть заменен переключае­мой цепочкой динисторов типа КН102 (рис. 11.3, справа), что по­зволит ступенчато изменять выходное напряжение . Для равномерного распределения напряжения на динисторах парал­лельно к каждому из них подключены резисторы одинакового но­минала сопротивлением 300…510 кОм.

Вариант схемы вьюоковольтного генератора с использова­нием в качестве порогово-коммутирующего элемента газонапол­ненного прибора - тиратрона показан на рис. 11.4 .

Сетевое напряжение, выпрямляется диодом VD1. Выпрям­ленное напряжение сглаживается конденсатором С1 и подается на зарядную цепочку R1, С2. Как только напряжение на конденса­торе С2 достигнет напряжения зажигания тиратрона VL1, он

Рис. 11.4. Схема генератора импульсов высокого напряжения с использованием тиратрона

вспыхивает. Конденсатор С2 разряжается через первичную об­мотку трансформатора Т1, тиратрон гаснет, конденсатор вновь начинает заряжаться и т.д.

В качестве трансформатора Т1 использована автомобиль­ная катушка зажигания .

Вместо тиратрона VL1 МТХ-90 можно включить один или несколько динисторов типа КН102. Амплитуду вьюокого напряже­ния можно регулировать количеством включенных динисторов.

Конструкция вьюоковольтного преобразователя с использо­ванием тиратронного коммутатора описана в работе . От­метим, что для разряда конденсатора могут быть использованы и другие виды газонаполненных приборов.

Более перспективно применение в современных генерато­рах вьюокого напряжения полупроводниковых переключающих приборов. Их достоинства отчетливо выражены: это вьюокая по­вторяемость параметров, меньшая стоимость и габариты, высо­кая надежность.

Ниже будут рассмотрены генераторы вьюоковольтных им­пульсов с использованием полупроводниковых коммутирующих приборов (динисторов, тиристоров, биполярных и полевых тран­зисторов).

Вполне равноценным, но слаботочным аналогом газовых разрядников являются динисторы.

На рис. 11.5 показана электрическая схема генератора, вы­полненного на динисторах . По своей структуре генератор полностью подобен описанным ранее (рис. 11.1, 11.4). Основное отличие заключается в замене газового разрядника цепочкой по­следовательно включенных динисторов.

Рис. 11.5. Схема генератора высоковольтных импульсов на динисторах

Рис. 11.6. Схема генератора высоковольтных импульсов с мосто­вым выпрямителем

Следует отметить, что КПД такого аналога и коммутируе­мые токи заметно ниже, чем у прототипа, однако динисторы бо­лее доступны и более долговечны.

Несколько усложненный вариант генератора высоковольт­ных импульсов представлен на рис. 11.6 . Сетевое напря­жение подается на мостовой выпрямитель на диодах VD1 - VD4. Выпрямленное напряжение сглаживается конденсатором С1. На этом конденсаторе образуется постоянное напряжение около 300 В, которое используется для питания релаксационного генератора, составленного из элементов R3, С2, VD5 и VD6. Его нагрузкой является первичная обмотка трансформатора Т1. Со вторичной обмотки снимаются импульсы амплитудой примерно 5 kBv\ частотой следования до 800 Гц.

Цепочка динисторов должна быть рассчитана на напряже­ние включения около 200 В. Здесь можно использовать динисто­ры типа КН102 либо Д228 . При этом следует учитывать, что напряжение включения динисторов типа КН102А, Д228А со­ставляет 20 В; КН102Б, Д228Б - 28 В; КН102В, Д228В - 40 В;

КН102Г, Д228Г - 56 В; КН102Д, Д228Д - 80 В; КН102Е - 75 В; КН102Ж, Д228Ж - 120 В; КН102И, Д228И - 150 Б.

В качестве трансформатора Т1 в приведенных выше уст­ройствах может быть использован доработанный строчный трансформатор от черно-белого телевизора . Его высоковольтную обмотку оставляют, остальнью удаляют и вместо них наматывают низковольтную (первичную) обмотку - 15…30 витков провода ПЭВ диаметром 0,5…0,8 мм.

При выборе числа витков первичной обмотки следует учи­тывать количество витков вторичной обмотки. Необходимо также иметь в виду, что величина выходного напряжения генератора вы­соковольтных импульсов в большей степени зависит от настройки контуров трансформатора в резонанс, нежели от соотношения числа витков обмоток.

Характеристики некоторых видов телевизионных трансфор­маторов строчной развертки приведены в таблице 11.1 .

Таблица 11.1. Параметры высоковольтных обмоток унифицирован­ных телевизионных трансформаторов строчной развертки

Рис. 11.7. Электрическая схема генератора высоковольтных импульсов

На рис. 11.7 представлена опубликованная на одном из сайтов схема двухступенчатого генератора высоковольтных им­пульсов, в котором в качестве элемента коммутации использо­ван тиристор. В свою очередь, в качестве порогового элемента, определяющего частоту следования вьюоковольтных импульсов и запускающего тиристор, выбран газоразрядный прибор - не­оновая лампа (цепочка HL1, HL2).

При подаче напряжения питания генератор импульсов, вы­полненный на основе транзистора VT1 {2N2219A - КТ630Г), вырабатывает напряжение порядка 150 В. Это напряжение вы­прямляется диодом VD1 и заряжает конденсатор С2.

После того как напряжение на конденсаторе С2 превьюит напряжение зажигания неоновых ламп HL1, HL2, через токоогра-ничивающий резистор R2 произойдет разряд конденсатора на управляющий электрод тиристора VS1, тиристор отопрется. Раз­рядный ток конденсатора С2 создаст электрические колебания в первичной обмотке трансформатора 12.

Напряжение включения тиристора можно регулировать, подбирая неоновые лампы с разным напряжением зажигания. Ступенчато изменять величину напряжения включения тиристо­ра можно переключением числа последовательно включенных неоновых ламп (или заменяющих их динисторов).

Рис. 11.8. Диаграмма электрических процессов на электродах по­лупроводниковых приборов (к рис. 11.7)

Диаграмма напряжений на базе транзистора VT1 и на аноде тиристора показана на рис. 11.8. Как следует из представленных диаграмм, импульсы блокинг-генератора имеют длительность при­мерно 8 мс. Заряд конденсатора С2 происходит ступенчато-экспо­ненциально в соответствии с действием импульсов, снимаемых со вторичной обмотки трансформатора Т1.

На выходе генератора формируются импульсы напряжением примерно 4,5 кВ. В качестве трансформатора Т1 использован вы­ходной трансформатор для усилителей низкой частоты. В качестве высоковольтного трансформатора Т2 использован трансформатор от фотовспышки или переработанный (см. выше) телевизионный трансформатор строчной развертки.

Схема еще одного варианта генератора с использованием неоновой лампы в качестве порогового элемента приведена на рис. 11.9 .

Рис. 11.9. Электрическая схема генератора с пороговым элемен­том на неоновой лампе

Релаксационный генератор в нем выполнен на элементах R1, VD1, С1, HL1, VS1. Он работает при положительных полупе­риодах сетевого напряжения, когда конденсатор 01 заряжается до напряжения включения порогового элемента на неоновой лам­пе HL1 и тиристоре VS1. Диод VD2 демпфирует импульсы самоин­дукции первичной обмотки повышающего трансформатора Т1 и позволяет повьюить выходное напряжение генератора. Выходное напряжение достигает 9 кВ. Неоновая лампа одновременно явля­ется сигнализатором включения устройства в сеть.

Вьюоковольтный трансформатор намотан на отрезке стерж­ня диаметром 8 и длиной 60 мм из феррита М400НН. Вначале размещают первичную обмотку - 30 витков провода ПЭЛШО 0,38, а затем вторичную - 5500 витков ПЭЛШО 0,05 или больше­го диаметра. Между обмотками и через каждые 800… 1000 витков вторичной обмотки прокладывают слой изоляции из поливинил-хлоридной изоляционной ленты.

В генераторе возможно введение дискретной многоступен­чатой регулировки выходного напряжения переключением в по­следовательной цепи неоновых ламп либо динисторов (рис. 11.10). В первом варианте обеспечиваются две ступени регулирования, во втором - до десяти и более (при использовании динисторов КН102А с напряжением включения 20 В).

Рис. 11.10. Электрическая схема порогового элемента

Рис. 11.11. Электрическая схема генератора высокого напряжения с пороговым элементом на диоде

Простой генератор высокого напряжения (рис. 11.11) позво­ляет получить на выходе импульсы амплитудой до 10 .

Переключение управляющего элемента устройства проис­ходит с частотой 50 Гц (на одной полуволне сетевого напряже­ния). В качестве порогового элемента использован диод VD1 Д219А Щ220, Д223), работающий при обратном смещении в ре­жиме лавинного пробоя.

При превышении на полупроводниковом переходе диода напряжения лавинного пробоя происходит переход диода в прово­дящее состояние. Напряжение с заряженного конденсатора С2 подается на управляющий электрод тиристора VS1. После вклю­чения тиристора конденсатор С2 разряжается на обмотку транс­форматора Т1.

Трансформатор Т1 не имеет сердечника. Он выполнен на катушке диаметром 8 мм из полиметилметакрилата или политет-рахлорэтилена и содержит три разнесенных секции шириной по 9 мм. Повышающая обмотка содержит 3×1000 витков, намотан­ных проводом ПЭТФ, ПЭВ-2 0,12 мм. После намотки обмотка должна быть пропитана парафином. Поверх парафина наклады­вается 2 - 3 слоя изоляции, после чего наматывают первичную обмотку - 3×10 витков провода ПЭВ-2 0,45 мм.

Тиристор VS1 можно заменить другим на напряжение выше 150 В. Лавинный диод можно заменить цепочкой динисторов (рис. 11.10, 11.11 внизу).

Схема маломощного переносного источника импульсов вы­сокого напряжения с автономным питанием от одного гальваниче­ского элемента (рис. 11.12) состоит из двух генераторов . Первый построен на двух маломощных транзисторах, второй - на тиристоре и динисторе.

Рис. 11.12. Схема генератора напряжения с низковольтным пита­нием и тиристорно-динисторным ключевым элементом

Каскад на транзисторах разной проводимости преобразует низковольтное постоянное напряжение в высоковольтное им­пульсное. Времязадающей цепочкой в этом генераторе служат элементы С1 и R1. При включении питания открывается транзи­стор VT1, и перепад напряжения на его коллекторе открывает транзистор VT2. Конденсатор С1, заряжаясь через резистор R1, уменьшает базовый ток транзистора VT2 настолько, что транзи­стор VT1 выходит из насыщения, а это приводит к закрыванию и VT2. Транзисторы будут закрыты до тех пор, пока конденсатор С1 не разрядится через первичную обмотку трансформатора Т1.

Повышенное импульсное напряжение, снимаемое со вто­ричной обмотки трансформатора Т1, выпрямляется диодом VD1 и поступает на конденсатор С2 второго генератора с тиристором VS1 и динистором VD2. В каждый положительный полупериод накопительный конденсатор С2 заряжается до амплитудного зна­чения напряжения, равного напряжению переключения динистора VD2, т.е. до 56 В (номинальное импульсное отпирающее напряже­ние для динистора типа КН102Г).

Переход динистора в открытое состояние воздействует на цепь управления тиристора VS1, который в свою очередь тоже от­крывается. Конденсатор С2 разряжается через тиристор и пер­вичную обмотку трансформатора Т2, после чего динистор и тиристор вновь закрываются и начинается очередной заряд кон­денсатора - цикл переключений повторяется.

Со вторичной обмотки трансформатора Т2 снимаются им­пульсы с амплитудой в несколько киловольт. Частота искровых разрядов равна примерно 20 Гц, но она намного меньше частоты импульсов, снимаемых со вторичной обмотки трансформатора Т1. Происходит это потому, что конденсатор С2 заряжается до на­пряжения переключения динистора не за один, а за несколько положительных полупериодов. Величина емкости этого конденса­тора определяет мощность и длительность выходных разрядных импульсов. Безопасное для динистора и управляющего электрода тринистора среднее значение разрядного тока выбрано из расче­та емкости этого конденсатора и величины импульсного напряже­ния, питающего каскад. Для этого емкость конденсатора С2 должна быть примерно 1 мкФ.

Трансформатор Т1 выполнен на кольцевом ферритовом магнитопроводе типа К10х6х5. Он имеет 540 витков провода ПЭВ-2 0,1 с заземленным отводом после 20-го витка. Начало его намотки присоединяется к транзистору VT2, конец - к диоду VD1. Трансформатор Т2 намотан на катушке с ферритовым или пермаллоевым сердечником диаметром 10 мм, длиной 30 мм. Ка­тушку с внешним диаметром 30 мм и шириной 10 мм наматывают проводом ПЭВ-2 0,1 мм до полного заполнения каркаса. Перед окончанием намотки делается заземленный отвод, и последний ряд провода из 30…40 витков наматывается виток к витку поверх изолирующего слоя лакоткани.

Трансформатор Т2 по ходу намотки необходимо пропиты­вать изолирующим лаком или клеем БФ-2, затем тщательно просушить.

Вместо VT1 и VT2 можно применить любые маломощные транзисторы, способные работать в импульсном режиме. Тири­стор КУ101Е можно заменить на КУ101Г. Источник питания - гальванические элементы с напряжением не более 1,5 В, напри­мер, 312, 314, 316, 326, 336, 343, 373, или дисковые никель-кад-миевью аккумуляторы типа Д-0,26Д, Д-0,55С и т.п.

Тиристорный генератор вьюоковольтных импульсов с сете­вым питанием показан на рис. 11.13 .

Рис. 11.13. Электрическая схема генератора высоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии и коммута­тором на тиристоре

Во время положительного полупериода сетевого напряже­ния конденсатор С1 заряжается через резистор R1, диод VD1 и первичную обмотку трансформатора Т1. Тиристор VS1 при этом закрыт, поскольку отсутствует ток через его управляющий элек­трод (падение напряжения на диоде VD2 в прямом направлении мало по сравнению с напряжением, необходимым для открывания тиристора).

При отрицательном полупериоде диоды VD1 и VD2 закры­ваются. На катоде тиристора образуется падение напряжения от­носительно управляющего электрода (минус - на катоде, плюс - на управляющем электроде), в цепи управляющего электрода по­является ток, и тиристор открывается. В этот момент конденсатор С1 разряжается через первичную обмотку трансформатора. Во вторичной обмотке появляется импульс вьюокого напряжения. И так - каждый период сетевого напряжения.

На выходе устройства формируются двухполярнью импуль­сы вьюокого напряжения (поскольку при разряде конденсатора в цепи первичной обмотки возникают затухающие колебания).

Резистор R1 может быть составлен из трех параллельно со­единенных резисторов МЛТ-2 сопротивлением по 3 кОм.

Диоды VD1 и VD2 должны быть рассчитаны на ток не менее 300 мА и обратное напряжение не ниже 400 В (VD1) и 100 Б (VD2). Конденсатор С1 типа МБМ на напряжение не ниже 400 Б. Его емкость - доли-единицы мкФ - подбирают экспериментально. Тиристор VS1 типа КУ201К, КУ201Л, КУ202К - КУ202Н. Транс­форматор Т1 - катушка зажигания Б2Б (на 6 Б) от мотоцикла или автомобиля.

В устройстве может быть использован телевизионный трансформатор строчной развертки ТВС-110Л6, ТВС-110ЛА, ТВС-110АМ.

Достаточно типичная схема генератора вьюоковольтных импульсов с емкостным накопителем энергии показана на рис. 11.14 .

Рис. 11.14. Схема тиристорного генератора высоковольтных им­пульсов с емкостным накопителем энергии

Генератор содержит гасящий конденсатор С1, диодный вы­прямительный мост VD1 - VD4, тиристорный ключ VS1 и схему управления. При включении устройства заряжаются конденсаторы С2 и СЗ, тиристор VS1 пока закрыт и ток не проводит. Предельное напряжение на конденсаторе С2 ограничено стабилитроном VD5 величиной 9 Б. В процессе зарядки конденсатора С2 через рези­стор R2 напряжение на потенциометре R3 и, соответственно, на управляющем переходе тиристора VS1 возрастает до определен­ного значения, после чего тиристор переключается в проводящее состояние, а конденсатор СЗ через тиристор VS1 разряжается через первичную (низковольтную) обмотку трансформатора Т1, генерируя вьюоковольтный импульс. После этого тиристор закры­вается и процесс начинается заново. Потенциометр R3 устанавли­вает порог срабатывания тиристора VS1.

Частота повторения импульсов составляет 100 Гц. В ка­честве вьюоковольтного трансформатора может быть использо­вана автомобильная катушка зажигания. В этом случае выходное напряжение устройства достигнет 30…35 кВ. Тиристорный ге­нератор высоковольтных импульсов (рис. 11.15) управляется импульсами напряжения, снимаемого с релаксационного генера­тора, выполненного на динисторе VD1 . Рабочая частота генератора управляющих импульсов (15…25 Гц) определяется ве­личиной сопротивления R2 и емкостью конденсатора С1.

Рис. 11.15. Электрическая схема тиристорного генератора высоко­вольтных импульсов с импульсным управлением

Релаксационный генератор связан с тиристорным ключом через импульсный трансформатор Т1 типа МИТ-4. В качестве выходного трансформатора Т2 используется вьюокочастотный трансформатор от аппарата для дарсонвализации «Искра-2». На­пряжение на выходе устройства может доходить до 20…25 кВ.

На рис. 11.16 показан вариант подачи импульсов управле­ния на тиристор VS1 .

Преобразователь напряжения (рис. 11.17), разработанный в Болгарии, содержит два каскада. В первом из них нагрузкой ключевого элемента, выполненного на транзисторе VT1, являет­ся обмотка трансформатора Т1. Управляющие импульсы прямо­угольной формы периодически включают/выключают ключ на транзисторе VT1, подключая/отключая тем самым первичную об­мотку трансформатора.

Рис. 11.16. Вариант управления тиристорным коммутатором

Рис. 11.17. Электрическая схема двухступенчатого генератора вы­соковольтных импульсов

Во вторичной обмотке наводится повышенное напряже­ние, пропорциональное коэффициенту трансформации. Это на­пряжение выпрямляется диодом VD1 и заряжает конденсатор С2, который подключен к первичной (низковольтной) обмотке вьюоковольтного трансформатора Т2 и тиристору VS1. Управле­ние работой тиристора осуществляется импульсами напряже­ния, снимаемыми с дополнительной обмотки трансформатора Т1 через цепочку элементов, корректирующих форму импульса.

В результате тиристор периодически включается/отключа­ется. Конденсатор С2 разряжается на первичную обмотку вьюоко­вольтного трансформатора.

Генератор вьюоковольтных импульсов, рис. 11.18, содержит в качестве управляющего элемента генератор на основе однопе-реходного транзистора .

Сетевое напряжение выпрямляется диодным мостом VD1 - VD4. Пульсации выпрямленного напряжения сглаживает

Рис. 11.18. Схема генератора высоковольтных импульсов с управ­ляющим элементом на однопереходном транзисторе

конденсатор С1, ток заряда конденсатора в момент включения устройства в сеть ограничивает резистор R1. Через резистор R4 заряжается конденсатор СЗ. Одновременно вступает в действие генератор импульсов на однопереходном транзисторе VT1. Его «спусковой» конденсатор С2 заряжается через резисторы R3 и R6 от параметрического стабилизатора (балластный резистор R2 и стабилитроны VD5, VD6). Как только напряжение на кон­денсаторе 02 достигает определенного значения, транзистор VT1 переключается, и на управляющий переход тиристора VS1 поступает открывающий импульс.

Конденсатор 03 разряжается через тиристор VS1 на пер­вичную обмотку трансформатора Т1. На его вторичной обмотке формируется импульс вьюокого напряжения. Частота следования этих импульсов определяется частотой генератора, которая, в свою очередь, зависит от параметров цепочки R3, R6 и 02. Под-строечным резистором R6 можно изменять выходное напряжение генератора примерно в 1,5 раза. При этом частота импульсов ре­гулируется в пределах 250… 1000 Гц. Кроме того, выходное на­пряжение изменяется при подборе резистора R4 (в пределах от 5 до 30 кОму.

Конденсаторы желательно применять бумажнью (01 и 03 - на номинальное напряжение не менее 400 В); на такое же напря­жение должен быть рассчитан диодный мост. Вместо указанного на схеме можно использовать тиристор Т10-50 или в крайнем слу­чае КУ202Н. Стабилитроны VD5, VD6 должны обеспечить сум­марное напряжение стабилизации около 18 Б.

Трансформатор изготовлен на основе ТВС-110П2 от чер­но-белых телевизоров. Все первичные обмотки удаляют и нама­тывают на освободившееся место 70 витков провода ПЭЛ или ПЭВ диаметром 0,5.. .0,8 мм.

Электрическая схема генератора импульсов вьюокого напря­жения, рис. 11.19 , состоит из диодно-конденсаторного умно­жителя напряжения (диоды VD1, VD2, конденсаторы С1 - С4). На его выходе получается постоянное напряжение примерно 600 В.

Рис. 11.19. Схема генератора высоковольтных импульсов с удвои­телем напряжения сети и генератором запускающих импульсов на однопереходном транзисторе

В качестве порогового элемента устройства использован однопереходный транзистор VT1 типа КТ117А. Напряжение на одной из его баз стабилизировано параметрическим стабилиза­тором на стабилитроне VD3 типа КС515А (напряжение стабилиза­ции 15 Б). Через резистор R4 осуществляется заряд конденсатора С5, и когда напряжение на управляющем электроде транзистора VT1 превысит напряжение на его базе, произойдет переключение VT1 в проводящее состояние, а конденсатор С5 разрядится на управляющий электрод тиристора VS1.

При включении тиристора цепочка конденсаторов С1 - С4, заряженных до напряжения около 600…620 Б, разряжается на низковольтную обмотку повышающего трансформатора Т1. По­сле этого тиристор отключается, зарядно-разряднью процессы повторяются с частотой, определяемой постоянной R4C5. Рези­стор R2 ограничивает ток короткого замыкания при включении тиристора и одновременно является элементом зарядной цепи конденсаторов С1 - С4.

Схема преобразователя (рис. 11.20) и его упрощенного варианта (рис. 11.21) подразделяется на следующие узлы: сете­вой заградительный фильтр (фильтр помех); электронный регуля­тор; высоковольтный трансформатор .

Рис. 11.20. Электрическая схема генератора высокого напряжения с сетевым фильтром

Рис. 11.21. Электрическая схема генератора высокого напряжения с сетевым фильтром

Схема на рис. 11.20 работает следующим образом. Конден­сатор СЗ заряжается через диодный выпрямитель VD1 и резистор R2 до амплитудного значения напряжения сети (310 Б). Это напря­жение попадает через первичную обмотку трансформатора Т1 на анод тиристора VS1. По другой ветви (R1, VD2 и С2) медленно за­ряжается конденсатор С2. Когда в процессе его заряда достигает­ся пробивное напряжение динистора VD4 (в пределах 25…35 Б), конденсатор С2 разряжается через управляющий электрод тири­стора VS1 и открывает его.

Конденсатор СЗ практически мгновенно разряжается через открытый тиристор VS1 и первичную обмотку трансформатора

Т1. Импульсный изменяющийся ток индуцирует во вторичной обмотке Т1 вьюокое напряжение, величина которого может пре-вьюить 10 кВ. После разряда конденсатора СЗ тиристор VS1 за­крывается, и процесс повторяется.

В качестве вьюоковольтного трансформатора используют телевизионный трансформатор, у которого удаляют первичную обмотку. Для новой первичной обмотки используется обмоточный провод диаметром 0,8 мм. Количество витков - 25.

Для изготовления катушек индуктивности заградительного фильтра L1, L2 лучше всего подходят вьюокочастотные феррито­вые сердечники, например, 600НН диаметром 8 мм и длиной 20 мм, имеющие примерно по 20 витков обмоточного провода диаметром 0,6…0,8 мм.

Рис. 11.22. Электрическая схема двухступенчатого генератора вы­сокого напряжения с управляющим элементом на поле­вом транзисторе

Двухступенчатый генератор вьюокого напряжения (автор - Andres Estaban de la Plaza ) содержит трансформаторный генератор импульсов, выпрямитель, времязадающую RC-цепоч-ку, ключевой элемент на тиристоре (симисторе), высоковольтный резонансный трансформатор и схему управления работой тири­стора (рис. 11.22).

Аналог транзистора TIP41 - КТ819А.

Низковольтный трансформаторный преобразователь на­пряжения с перекрестными обратными связями, собранный на транзисторах VT1 и VT2, вырабатывает импульсы с частотой повторения 850 Гц. Транзисторы VT1 и VT2 для облегчения ра­боты при протекании больших токов установлены на радиато­рах, выполненных из меди или алюминия.

Выходное напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора Т1 низковольтного преобразователя, выпрямля­ется диодным мостом VD1 - VD4 и через резистор R5 заряжает конденсаторы СЗ и С4.

Управление порогом включения тиристора производится регулятором напряжения, в состав которого входит полевой тран­зистор VT3.

Далее работа преобразователя существенно не отличает­ся от описанных ранее процессов: происходит периодический заряд/разряд конденсаторов на низковольтную обмотку транс­форматора, генерируются затухающие электрические колеба­ния. Выходное напряжение преобразователя при использовании на выходе в качестве повышающего трансформатора катушки зажигания от автомобиля, достигает 40…60 кВ при резонансной частоте примерно 5 кГц.

Трансформатор Т1 (выходной трансформатор строчной раз­вертки), содержит 2×50 витков провода диаметром 1,0 мм, намо­танных бифилярно. Вторичная обмотка содержит 1000 витков диаметром 0,20…0,32 мм.

Отметим, что в качестве управляемых ключевых элементов могут быть использованы современнью биполярные и полевые транзисторы.

Недавно мы разобрались с , а теперь давайте займемся конденсаторами .

Конденсатор - это устройство для накопления заряда и энергии электрического поля . Конструктивно это «бутерброд» из двух проводников и диэлектрика, которым может быть вакуум, газ, жидкость, органическое или неорганическое твердое тело. Первые отечественные конденсаторы (стеклянные банки с дробью, обклеенные фольгой) делали в 1752 г. М. Ломоносов и Г. Рихман.

Что может быть интересного в конденсаторе? Приступая к работе над этой статьей я думал что смогу собрать и кратко изложить все об этой примитивной детальке. Но по мере знакомства с конденсатором, я с удивлением понимал, что здесь не рассказать и сотой доли всех сокрытых в нем тайн и чудес…

Конденсатору уже более 250 лет, но он и не думает устаревать.. Кроме того, 1 кг «обычных просто конденсаторов» хранит меньше энергии чем килограмм аккумуляторов или топливных ячеек, но способен быстрее чем они выдать ее, развивая при этом большую мощность. - При быстром разряде конденсатора можно получить импульс большой мощности, например, в фотовспышках, импульсных лазерах с оптической накачкой и коллайдерах. Конденсаторы есть практически в любом приборе, поэтому если у вас нет новых конденсаторов, для опытов их можно выпаять оттуда.

Заряд конденсатора - это абсолютное значение заряда одной из его обкладок. Он измеряется в кулонах и пропорционален числу лишних (-) или недостающих (+) электронов. Чтобы собрать заряд в 1 кулон, Вам понадобится 6241509647120420000 электрона. В пузырьке водорода, размером со спичечную головку их примерно столько же.

В заряженном проводнике заряды стараются разбежаться друг от друга как можно дальше и потому находятся не в толще конденсатора, а в поверхностном слое металла, подобно пленке бензина на поверхности воды. Если два проводника образуют конденсатор, то эти избыточные заряды собираются друг напротив друга. Потому практически все электрическое поле конденсатора сосредоточено между его обкладками.

На каждой обкладке заряды распределяются так, чтобы быть подальше от соседей. И расположены они довольно просторно: в воздушном конденсаторе с расстоянием между пластинами 1 мм, заряженном до 120 В, среднее расстояние между электронами составляет более 400 нанометров, что в тысячи раз больше расстояния между атомами (0,1-0,3 нм), а значит на миллионы поверхностных атомов приходится всего один лишний (или недостающий) электрон.

Если уменьшить расстояние между обкладками, то силы притяжения возрастут, и при том же напряжении заряды на обкладках смогут «ужиться» плотнее. Увеличится емкость конденсатора. Так и сделал ничего не подозревавший профессор Лейденского университета ван Мушенброк. Он заменил толстостенную бутылку первого в мире конденсатора (созданного немецким священником фон Клейстом в 1745 г.) тонкой стеклянной банкой. Зарядил ее и потрогал, а очнувшись через два дня сообщил, что не согласится повторить опыт, даже если бы за это обещали французское королевство.

Если поместить между обкладками диэлектрик, то они поляризуют его, то есть притянут к себе разноименные заряды из которых он состоит. При этом будет тот же эффект как если бы обкладки приблизились. Диэлектрик с высокой относительной диэлектрической проницаемостью можно рассматривать как хороший транспортер электрического поля. Но никакой транспортер не идеален, поэтому какой бы мы чудесный диэлектрик не добавили поверх уже имеющегося, емкость конденсатора только снизится. Повысить емкость можно только если добавлять диэлектрик (а еще лучше - проводник) вместо уже имеющегося но обладающего меньшей ε.

В диэлектриках свободных зарядов почти нет. Все они зафиксированы то ли в кристаллической решетке, или в молекулах - полярных (представляющих собой диполи) или нет. Если внешнего поля нет, диэлектрик неполяризован, диполи и свободные заряды разбросаны хаотически и диэлектрик собственного поля не имеет. в электрическом поле он поляризуется: диполи ориентируются по полю. Так как молекулярных диполей очень много, то при их ориентации, плюсы и минусы соседних диполей внутри диэлектрика компенсируют друг друга. Нескомпенсированными остаются только поверхностные заряды - на одной поверхности - одного, на другой - другого. Свободные заряды во внешнем поле также дрейфуют и разделяются.

При этом разные процессы поляризации идут с разной скоростью. Одно дело - смещение электронных оболочек, происходящее практически мгновенно, другое дело - поворот молекул, особенно больших, третье - миграция свободных зарядов. Последние два процесса, очевидно, зависят от темературы, и в жидкостях идут гораздо шустрее, чем в твердых телах. Если нагреть диэлектрик, повороты диполей и миграция зарядов ускорится. Если поле выключить, деполяризация диэлектрика происходит тоже не мгновенно. Он остается некоторое время поляризованным, пока тепловое движение не разбросает молекулы в исходное хаотическое состояние. Поэтому, для конденсаторов, где переключается полярность с высокой частотой пригодны только неполярные диэлектрики: фторопласт, полипропилен.

Если разобрать заряженный конденсатор, а потом собрать (пластмассовым пинцетом), энергия никуда не денется, и светодиод сможет моргнуть. Он даже моргнет если подключить его к конденсатору в разобранном состоянии. Оно и понятно - при разборке заряд с пластин никуда не делся, а напряжение даже выросло, поскольку уменьшилась емкость и теперь обкладки прямо-таки распирает от зарядов. Стоп, как это напряжение выросло, ведь тогда вырастет и энергия? Так и есть, мы же сообщили системе механическую энергию, преодолевая кулоновское притяжение обкладок. Собственно, в этом и фишка электризации трением - зацепить электроны на расстоянии порядка размеров атомов и оттащить на макроскопическое расстояние, тем самым повысив напряжение с нескольких вольт (а таково напряжение в химических связях) до десятков и сотен тысяч вольт. Теперь понятно, почему синтетическая кофта бьется током не когда ее носишь, а только когда ее снимаешь? Стоп, а почему не до миллиардов? Дециметр же в миллиард раз больше ангстрема, на котором мы урвали электроны? Да потому что работа по перемещению заряда в электрическом поле равна интегралу Eq по d и это самое E ослабевает с расстояние квадратично. А если бы на всем дециметре между кофтой и носом было такое же поле как внутри молекул, то щелкнул бы по носу и миллиард вольт.

Проверим это явление - повышение напряжения при растягивании конденсатора - экспериментально. Я написал простую программку на Visual Basic для приема данных с нашего контроллера ПМК018 и вывода их на экран. В общем, берем две 200х150 мм пластины текстолита, покрытого с одной стороны фольгой и припаиваем проводки, идущие к измерительному модулю. Затем кладем на одну из них диэлектрик - лист бумаги - и накрываем второй пластиной. Пластины прилегают неплотно, поэтому придавим их сверху корпусом авторучки (если давить рукой, то можно создать помехи).

Схема измерения простая: потенциометр R 1 устанавливает напряжение (в нашем случае это 3 вольта), подаваемое на конденсатор, а кнопка S 1 служит для того чтобы подавать его на конденсатор, или не подавать.

Итак, нажмем и отпустим кнопку - мы увидим график, показанный слева. Конденсатор быстро разряжается через вход осциллографа. Теперь попробуем во время разряда ослабить давление на пластины - увидим пик напряжения на графике (справа). Это как раз искомый эффект. При этом расстояние между обкладками конденсатора растет, емкость падает и потому конденсатор начинает разряжаться еще быстрее.

Тут я не на шутку задумался.. Кажется, мы на пороге великого изобретения…Ведь если при раздвигании обкладок на них растет напряжение, а заряд остается прежним, то можно ведь взять два конденсатора, на одном раздвигать на них обкладки, а в точке максимального раздвижения передать заряд неподвижному конденсатору. Потом вернуть обкладки на место и повторить то же самое наоборот, раздвигая другой конденсатор. По идее напряжение на обоих конденсаторах будет расти с каждым циклом в определенное число раз. Отличная идея для электрогенератора! Можно будет создать новые конструкции ветряков, турбин и всего такого! Так, прекрасно… для удобства можно разместить все это на двух дисках, вращающихся в противоположные стороны…. ой что же это… тьфу, это же школьная электрофорная машина! :(

В качестве генератора она не прижилась, так как неудобно иметь дело с такими напряжениями. Но на наноуровне все может измениться. Магнитные явления в наноструктурах во много раз слабее электрических, а электрические поля там, как мы уже убедились, огромны, поэтому молекулярная электрофорная машина может стать весьма популярной.

Конденсатор как хранитель энергии

Убедиться, что в самом ничтожнейшем конденсаторе хранится энергия очень легко. Для этого нам понадобится прозрачный светодиод красного свечения и источник постоянного тока (батарейка 9 вольт подойдет, но если номинальное напряжение конденсатора позволяет, лучше взять побольше). Опыт заключается в том чтобы зарядить конденсатор, а потом подключить к нему светодиод (не забываем про полярность), и смотреть как он моргнет. В темной комнате видна вспышка даже от конденсаторов в десятки пикофарад. Это каких-нибудь сто миллионов электронов испускают сто миллионов фотонов. Впрочем это не предел, ведь человеческий глаз может замечать куда более слабый свет. Просто я не нашел еще менее ёмких конденсаторов. Если же счет пошел на тысячи микрофарад, пожалейте светодиод, а вместо этого замыкайте конденсатор на металлический предмет чтобы увидеть искру - очевидное свидетельство наличия в конденсаторе энергии.

Энергия заряженного конденсатора ведет себя во многом подобно потенциальной механической энергии - энергии сжатой пружины, поднятого на высоту груза или водонапорного бачка (а энергия катушки индуктивности, наоборот, подобна кинетической). Способность конденсатора накапливать энергию издавна применяется для обеспечения непрерывной работы устройств при кратковременных спадах питающего напряжения - от часов до трамваев.

Конденсатор также используется для накопления «почти вечной» энергии, вырабатываемой тряской, вибрацией, звуком, детектированием радиоволн или излучения электросетей. Мало-помалу накопленная энергия от таких слабых источников в течение долгого времени позволяет затем некоторое время работать беспроводным датчикам и другим электронным приборам. На этом принципе основана вечная «пальчиковая» батарейка для устройств со скромным энергопотреблением (вроде ТВ пультов). В ее корпусе находится конденсатор емкостью 500 миллифарад и генератор, подпитывающий его при колебаниях с частотой 4-8 герц дармовой мощностью от 10 до 180 милливатт. Разрабатываются генераторы на основе пьезоэлектрических нанопроводков, способные направлять в конденсатор энергию таких слабых вибраций, как биения сердца, удары подошв обуви по земле, и вибрации технического оборудования.

Еще один источник дармовой энергии - торможение. Обычно при торможении транспорта энергия переходит в тепло, а ведь ее можно сохранить и затем использовать при разгоне. Особенно остро стоит эта проблема для общественного транспорта, который тормозит и разгоняется у каждой остановки, что ведет к значительному расходу топлива и загрязнению атмосферы выхлопами. В Саратовской области в 2010 г. фирмой «Элтон» создан «Экобус» - экспериментальная маршрутка с необычными электродвигателями «мотор-колесо» и суперконденсаторами - накопителями энергии торможения, снижающими энергопотребление на 40%. Там применены материалы, разработанные в проекте «Энергия-Буран», в частности, углеродная фольга. Вообще, благодаря созданной еще в СССР научной школе, Россия является одним из мировых лидеров в сфере разработки и производства электрохимических конденсаторов. Например, продукция «Элтона» экспортируется за рубеж с 1998 года, а недавно в США началось производство этих изделий по лицензии российской компании.

Емкость одного современного конденсатора (2 фарады, фото слева) в тысячи раз превышает емкость всего земного шара. Они способны хранить электрический заряд в 40 Кулон!

Используются они, как правило, в автомобильных аудиосистемах, чтобы снизить пиковую нагрузку на электропроводку автомобиля (в моменты мощных бас-ударов) и за счёт огромной ёмкости конденсатора подавить все высокочастотные помехи в бортовой сети.

А вот этот советский «дедушкин сундучок» для электронов (фото справа) не столь емок, но зато выдерживает напряжение в 40.000 вольт (обратите внимание на фарфоровые чашечки, защищающие все эти вольты от пробоя на корпус конденсатора). Это очень удобно для «электромагнитной бомбы», в которой конденсатор разряжается на медную трубочку, которая в тот же момент сжимается снаружи взрывом. Получается очень мощный электромагнитный импульс, выводящий из строя радиоаппаратуру. Кстати, при ядерном взрыве, в отличие от обычного, тоже выделяется электромагнитный импульс, что еще раз подчеркивает сходство уранового ядра с конденсатором. Кстати, такой конденсатор вполне можно напрямую зарядить статическим электричеством от расчески, только конечно заряжать до полного напряжения придется долго. Зато можно будет повторить печальный опыт ван Мушенброка в очень усугубленном варианте.

Если просто потереть об волосы авторучку (расческу, воздушный шарик, синтетическое белье и т.п.), то светодиод от нее гореть не будет. Это потому, что избыточные (отнятые у волос) электроны заневолены каждый в своей точке на поверхности пластика. Поэтому если даже мы и попадем выводом светодиода в какой-то электрон, другие не смогут устремиться за ним и создать нужный для заметного невооруженным глазом свечения светодиода ток. Другое дело, если перенести заряды с авторучки в конденсатор. Для этого возьмем конденсатор за один вывод и буде тереть авторучку по очереди то о волосы, то о свободный вывод конденсатора. Почему именно тереть? Чтобы по максимуму собрать урожай электронов со всей поверхности ручки! Несколько раз повторим этот цикл и подключим к конденсатору светодиод. Он моргнет, причем только при соблюдении полярности. Так конденсатор стал мостиком между мирами «статического» и «обычного» электричества:)

Я взял для этого опыта высоковольтный конденсатор, опасаясь пробоя низковольтного, но оказалось, что это излишняя предосторожность. При ограниченной подаче заряда напряжение на конденсаторе может быть намного меньше напряжения источника питания. Конденсатор может преобразовывать большое напряжение в малое. Например, статическое высоковольтное электричество - в обычное. В самом деле, есть ли разница: зарядить конденсатор одним микрокулоном от источнка напряжением 1 В или 1000 В? Если этот конденсатор настолько емкий, что от заряда в 1 мкКл на нем напряжение не повысится выше напряжения одновольтового источника питания (т.е. емкость его выше 1 мкф), то разницы нет. Просто если не ограничивать принудительно кулоны, то от высоковольного источника их захочет прибежать больше. Да и тепловая мощность, выделившаяся на выводах конденсатора будет больше (а количество теплоты то же, просто оно быстрее выделится, оттого и мощность больше).

В общем, видимо, для этого опыта годится любой конденсатор емкостью не более 100 нф. Можно и более, но понадобится долго его заряжать чтобы получить достаточное для светодиода напряжение. Зато, если токи утечки в конденсаторе невелики, светодиод будет гореть дольше. Можно подумать о создании на этом принципе устройства подзарядки сотового телефона от трения его об волосы во время разговора:)

Отличным высоковольтным конденсатором является отвертка. При этом ручка ее служит диэлектриком, а металлический стержень и рука человека - обкладками. Мы знаем, что натертая об волосы авторучка притягивает клочки бумаги. Если натирать об волосы отвертку то ничего не выйдет - металл не обладает способностью отнимать электроны у белков - она как не притягивала бумажки, так и не стала. Но если как в предыдущем опыте тереть ее заряженной авторучкой - отвертка, вследствие своей малой емкости, быстро заряжается до высокого напряжения и бумажки начинают к ней притягиваться.

Светится от отвертки и светодиод. На фото нереально поймать краткий миг его вспышки. Но - вспомним свойства экспоненты - угасание-то вспышки длится долго (по меркам затвора фотоаппарата). И вот мы стали свидетелями уникального лингвистико-оптико-математического явления: экспонента экспонировала-таки матрицу фотоаппарата!

Впрочем, к чему такие сложности - есть же видеосъемка. На ней видно, что вспыхивает светодиод довольно ярко:

Когда конденсаторы заряжают до высоких напряжений, начинает играть свою роль краевой эффект, состоящий в следующем. Если диэлектрик на воздухе поместить между обкладками и приложить к ним постепенно повышающееся напряжение, то при некотором значении напряжения на краю обкладки возникает тихий разряд, обнаруживаемый по характерному шуму и свечению в темноте. Величина критического напряжения зависит от толщины обкладки, остроты края, рода и толщины диэлектрика и пр. Чем диэлектрик толще, тем выше кр. Например, чем диэлектрическая постоянная диэлектрика выше, тем оно ниже. Для уменьшения краевого эффекта края обкладки заделывают в диэлектрик с высокой электрической прочностью, утолщают диэлектрик прокладку на краях, закругляют края обкладок, создают на краю обкладок зону с постепенно падающим напряжением за счет изготовления краев обкладок из материала с высоким сопротивлением, уменьшением напряжения, приходящегося на один конденсатор путем разбивки его на несколько последовательно включенных.

Вот почему отцы-основатели электростатики любили чтобы на конце электродов были шарики. Это, оказывается, не дизайнерская фишка, а способ максимально уменьшить стекание заряда в воздух. Дальше уже некуда. Если кривизну какого-то участка на поверхности шарика еще уменьшить,то неизбежно возрастет кривизна соседних участков. Да и тут по-видимому в наших электростатических делах важна не средняя а максимальная кривизна поверхности, которая минимальна, конечно у шарика.

Хм.. но если емкость тела это способность накапливать заряд, то она, наверное, весьма различна для положительных и отрицательных зарядов…. Представим себе сферический конденсатор в вакууме… От души зарядим его отрицательно, не жалея электростанций и гигаватт-часов (вот чем хорош мысленный эксперимент!)… но в какой-то момент избыточных электронов станет на этом шаре так много, что они попросту начнут разлетаться по всему вакууму, лишь бы не находиться в такой электроотрицательной тесноте. А вот с положительным зарядом такого не произойдет - электроны, как бы их мало не осталось, никуда из кристаллической решетки конденсатора не улетят.

Что же получается, положительная емкость заведомо намного больше отрицательной? Нет! Потому что электроны там вообще-то были не для нашего баловства, а для соединения атомов, и без сколь-нибудь заметной их доли, кулоновское отталкивание положительных ионов кристаллической решетки мгновенно разнесет в пыль самый бронированный конденсатор:)

На самом же деле, без вторичной обкладки, емкость «уединенных половинок» конденсатора очень мала: электроемкость уединенного куска провода диаметром 2 мм и длиной 1 м равна приблизительно 10 пФ, а всего земного шара - 700 мкф.

Можно построить абсолютный эталон емкости, рассчитав его емкость по физическим формулам исходя из точных измерений размеров обкладок. Так и сделаны самые точные конденсаторы в нашей стране, которые находятся в двух местах. Государственный эталон ГЭТ 107-77 находится в ФГУП СНИИМ и состоит из 4-х безопорных коаксиально-цилиндрических конденсаторов, емкость которых рассчитывается с высокой точностью через скорость света и единицы длины и частоты, а также высокочастотного емкостного компаратора, позволяющего сравнивать емкости приносимых на поверку конденсаторов с эталоном (10 пф) с погрешностью менее 0,01% в диапазоне частот 1-100 МГц (фото слева).

В силовой электротехнике первым в мире применил конденсатор Павел Николаевич Яблочков в 1877 г. Он упростил и вместе с тем усовершенствовал конденсаторы Ломоносова, заменив дробь и фольгу жидкостью, и соединив банки параллельно. Ему принадлежит не только изобретение инновационных дуговых ламп, покоривших Европу, но и ряд патентов, связанных с конденсаторами. Попробуем собрать конденсатор Яблочкова, используя подсоленную воду в качестве проводящей жидкости, а в качестве банки - стеклянную банку из по овощей. Получилась емкость 0,442 нф. Заменим банку полиэтиленовым пакетом, имеющим большую площадь и во много раз меньшую толщину - емкость вырастет до 85,7 нф. (Сначала наполним пакет водой и проверим, нет ли токов утечки!) Конденсатор работает - даже позволяет моргнуть светодиодом! Он также успешно выполняет свои функции в электронных схемах

Металлические обкладки должны возможно плотно прилегать к диэлектрику, причем надо избегать введения между обкладкой и диэлектриком клеящего вещества, которое вызовет добавочные потери на переменном токе. Поэтому теперь в качестве обкладок применяют главным образом металл, химически или механически осажденный на диэлектрик (стекло) или плотно припрессованный к нему (слюда).

Контакт человека с цепью с остаточным зарядом . Под термином остаточного понимается величина заряда, оставшегося на определенное время в схеме после снятия с нее напряжения. Электрооборудование, в данном случае, обладает емкостью и в качестве конденсатора сохраняют потенциал относительно земли.

Случайный контакт человека с заряженной емкостью приводит к ее разряду и стеканию потенциала током I h сквозь тело на землю.

Условия создания цепи тока . Емкость электросхемы относительно земли и между фаз, зависит от конструктивных особенностей оборудования. Протяженность линии, ее тип (кабельная или воздушная), состояние изоляции, заземление токоведущих частей сказываются на величине емкости и остаточного заряда, соответственно.

Важно понимать, что для заряда емкости схемы не обязательно ее подключение к основному источнику питания с последующим отключением. Существуют другие, менее заметные и, потому опасные способы создания емкостного потенциала.

При работах с мегаомметром напряжение прибора подается между испытуемыми шинами (всеми или поодиночке) и/или землей. Происходит емкостной заряд, который длительно сохраняется.

Поэтому, его после каждой операции следует снимать подготовленным переносным заземлением.

Трансформаторные устройства в отключенном состоянии подвергаются проверкам полярности включения обмоток. Для этого небольшое постоянное напряжение до 6 вольт импульсом подключается и снимается в одну обмотку и контролируется во второй измерительными приборами . При контакте с этой обмоткой человек получит травму от трансформируемого импульса.

Приведенная ниже однофазная схема показывает возможный способ получения травмы.