Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про вторичные источники питания, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое вторичные источники питания, генераторы высокого напряжения, электрофорная машина, генератор ван де граафа, пеллетрон, капельница кельвина, катушка румкорфа, генератор кокрофта — уолтона , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры.

Вторичный источник электропитания — устройство, которое преобразует параметры электроэнергии основного источника электроснабжения (например, промышленной сети) в электроэнергию с параметрами, необходимыми для функционирования вспомогательных устройств.

Источник вторичного электропитания может быть интегрированным в общую схему (обычно в простых устройствах; либо когда необходимо регулирование (установка, изменение) и стабилизация напряжения в определенном диапазоне в т. ч. динамически — например материнские платы разнообразных компьютеров имеют встроенные преобразователи напряжения для питания ЦП и др. различных ИМС, модулей и ПУ; либо когда недопустимо даже незначительное падение напряжения на подводящих проводах), выполненным в виде модуля (блока питания, стойки электропитания и так далее), или даже расположенным в отдельном помещении (цехе электропитания).

Преобразование напряжения первичного источника питания осуществляет схема электропитания. Схема электропитания — состоит из устройств, предназначенных для стабилизации, регулирования, распределения, резервирования, контроля и защиты напряжений и токов, обеспечивающих нормальную работу радиоэлектронных устройств или микросхем, если речь идет об отдельной печатной плате радиоэлектронной аппаратуры. Именно эти устройства и называются вторичными источниками питания.

Классификация источников вторичного питания

Задачи вторичного источника электропитания

• Обеспечение передачи мощности — источник электропитания должен обеспечивать передачу заданной мощности с наименьшими потерями и соблюдением заданных характеристик на выходе без вреда для себя. Обычно мощность источника питания берут с некоторым запасом.
• Преобразование формы напряжения — преобразование переменного напряжения в постоянное, и наоборот, а также преобразование частоты, формирование импульсов напряжения и т. д. Чаще всего необходимо преобразование переменного напряжения промышленной частоты в постоянное.
• Преобразование величины напряжения — как повышение, так и понижение. Нередко необходим набор из нескольких напряжений различной величины, для питания различных цепей.
• Стабилизация — напряжение, ток и другие параметры на выходе источника питания должны лежать в определенных пределах, в зависимости от его назначения при влиянии большого количества дестабилизирующих факторов: изменения напряжения на входе, тока нагрузки и так далее. Чаще всего необходима стабилизация напряжения на нагрузке, однако иногда (например, для зарядки аккумуляторов) необходима стабилизация тока.
• Защита — напряжение, или ток нагрузки в случае неисправности (например, короткого замыкания) каких-либо цепей может превысить допустимые пределы и вывести электроприбор, или сам источник питания из строя. Также во многих случаях требуется защита от прохождения тока по неправильному пути: например прохождения тока через землю при прикосновении человека или постороннего предмета к токоведущим частям.
• Гальваническая развязка цепей — одна из мер защиты от протекания тока по неверному пути.
• Регулировка — в процессе эксплуатации может потребоваться изменение каких-либо параметров для обеспечения правильной работы электроприбора.
• Управление — может включать регулировку, включение/отключение каких-либо цепей, или источника питания в целом. Может быть как непосредственным (с помощью органов управления на корпусе устройства), так и дистанционным, а также программным (обеспечение включения/выключения, регулировка в заданное время или с наступлением каких-либо событий).
• Контроль — отображение параметров на входе и на выходе источника питания, включения/выключения цепей, срабатывания защит. Также может быть непосредственным или дистанционным.

Чаще всего перед вторичными источниками питания стоит задача преобразования электроэнергии из сети переменного тока промышленной частоты (например, в России — 240 В 50 Гц, в США — 120 В 60 Гц).

Две наиболее типичных конструкции — это трансформаторные и импульсные источники питания.

Достоинства и недостатки

Достоинства трансформаторных БП.

• Простота конструкции.
• Надежность.
• Доступность элементной базы.
• Отсутствие создаваемых радиопомех[прим 1] (в отличие от импульсных, создающих помехи за счет гармонических составляющих ).

Недостатки трансформаторных БП.

• Большой вес и габариты, пропорционально мощности.
• Металлоемкость.
• Компромисс между снижением КПД и стабильностью выходного напряжения: для обеспечения стабильного напряжения требуется стабилизатор, вносящий дополнительные потери.

Достоинства импульсных БП

Сравнимые по выходной мощности с линейными стабилизаторами соответствующие им импульсные стабилизаторы обладают следующими основными достоинствами:

• меньшим весом за счет того, что с повышением частоты можно использовать трансформаторы меньших размеров при той же передаваемой мощности. Масса линейных стабилизаторов складывается в основном из мощных тяжелых низкочастотных силовых трансформаторов и мощных радиаторов силовых элементов, работающих в линейном режиме. Кроме того, благодаря повышенной частоте преобразования, значительно уменьшаются габариты фильтра выходного напряжения (можно использовать конденсаторы значительно меньшей емкости, чем для выпрямителей, работающих на промышленной частоте). Сам выпрямитель может быть выполнен по простейшей однополупериодной схеме, без риска увеличения пульсаций выходного напряжения;
• значительно более высоким КПД (вплоть до 90-98 %) за счет того, что основные потери в импульсных стабилизаторах связаны с переходными процессами в моменты переключения ключевого элемента. Поскольку основную часть времени ключевые элементы находятся в одном из устойчивых состояний (то есть либо включен, либо выключен) потери энергии минимальны ;
  • из этого прямо следует, что, при одной и той же схемотехнике и элементарной базе, КПД растет с понижением частоты преобразования, так как переходные процессы занимают пропорционально меньшую часть времени. При этом, однако, растут габариты моточных элементов — но это дает и выигрыш, из-за снижения омических потерь.
• меньшей стоимостью, благодаря массовому выпуску унифицированной элементной базы и разработке ключевых транзисторов высокой мощности. Кроме этого следует отметить значительно более низкую стоимость импульсных трансформаторов при сравнимой передаваемой мощности, и возможность использования менее мощных силовых элементов, поскольку режим их работы ключевой;
• сравнимой с линейными стабилизаторами надежностью.
  Блоки питания вычислительной техники, оргтехники, бытовой электроники почти исключительно импульсные. Линейные БП малой мощности сохранились в основном только в следующих областях:
  • для питания слаботочных плат управления высококачественной бытовой техники вроде стиральных машин, микроволновых печей и отопительных котлов и колонок;
  • для маломощных управляющих устройств высокой и сверхвысокой надежности, рассчитанной на многолетнюю непрерывную эксплуатацию при отсутствии обслуживания или затрудненном обслуживании, как, например, цифровые вольтметры в электрощитах, или автоматизация производственных процессов.
• широким диапазоном питающего напряжения и частоты, недостижимым для сравнимого по цене линейного. На практике это означает возможность использования одного и того же импульсного БП для носимой цифровой электроники в разных странах мира — Россия/США/Англия, сильно отличных по напряжению и частоте в стандартных розетках.
• наличием в большинстве современных БП встроенных цепей защиты от различных непредвиденных ситуаций, например от короткого замыкания и от отсутствия нагрузки на выходе.

Недостатки импульсных БП

• Работа основной части схемы без гальванической развязки от сети, что, в частности, несколько затрудняет ремонт таких БП.
• Все без исключения импульсные блоки питания являются источником высокочастотных помех, поскольку это связано с самим принципом их работы. Поэтому требуется предпринимать дополнительные меры помехоподавления, зачастую не позволяющие устранить помехи полностью. В связи с этим часто недопустимо применение импульсных БП для некоторых видов аппаратуры .
• Как правило, импульсные блоки питания имеют ограничение на минимальную мощность нагрузки. Если мощность нагрузки ниже минимальной, блок питания либо не запускается, либо параметры выходных напряжений (величина, стабильность) могут не укладываться в допустимые отклонения.
• В распределенных системах электропитания: эффект гармоник кратных трем. При наличии эффективно действующих корректоров фактора мощности и фильтров во входных цепях этот недостаток обычно не актуален.

Структурная схема источника вторичного питания

Входное напряжение u1(t)
Трансформатор (ТР)
Блок вентилей (В)
Сглаживающий фильтр (СФ)
Стабилизатор напряжения (СТ)
Выходное напряжение Uн

Рисунок 1. Пример схемы питания материнской платы

Схема электропитания радиоэлектронной аппаратуры зависит от ее сложности, габаритов и потребляемого тока. В простейших электронный устройствах для их питания достаточно подключить аккумулятор или батарею питания. В более сложных потребуются стабилизаторы питания для отдельных микросхем. Как это уже упоминалось ранее, в качестве вторичных источников питания используются:

1. Трансформаторы напряжения и тока;
2. Выпрямители;
3. Стабилизаторы напряжения или тока;
4. Фильтры питания.

Следует отметить, что в современной аппаратуре многие из перечисленных вторичных источников питания могут выполнять функции друг друга. Например, стабилизаторы напряжения могут работать в качестве фильтров питания. Импульсные стабилизаторы напряжения могут одновременно выполнять функции транформатора напряжения, увеличивая или уменьшая выходное напряжение по отношению к входному. При этом одновременно производится и трансформация тока. Выпрямители могут выполнять функции стабилизации напряжения.

Рассмотрим схему питания материнской платы компьютера. Ее питание осуществляется напряжением +12 В. В то же самое время для питания цифровых микросхем требуются более низкие напряжения. Для питания периферии микросхем нужно напряжение +3,3 В, для питания ядра центрального процессора&nbsb;— напряжение от 1,2 до 1,5 В. При таких низких напряжениях питания микросхемы потребляют значительный ток и если применить одиночный стабилизатор питания, то на проводниках, подводящих питание будет создаваться значительное падение напряжения и возникать существенные выделение тепловой энергии. Поэтому стабилизаторы питания располагаются на плате в непосредственной близости от основных потребителей энергии — центрального процессора и микросхемы северного моста.

Для того, чтобы сократить потребление энергии всей платой в целом, в качестве стабилизаторов питания цифровых микросхем в настоящее время применяются импульсные стабилизаторы. В качестве примера на рисунке 4 приведена фотография участка платы, на которой показан внешний вид импульсных стабилизаторов питания.

Рисунок 4. Внешний вид импульсных стабилизаторов питания

В радиоприемной и радиопередающей аппаратуре предъявляются повышенные требования к уровню пульсаций вторичного источника питания. Поэтому в схемах этих устройств до сих пор часто применяются компенсационные стабилизаторы, обладающие достаточно низким коэффициентом полезного действия. При этом стараются использовать компенсационные стабилизаторы с низким падением напряжения. Они хорошо подходят как с точки зрения экономичности, так и с точки зрения хорошей фильтрации помех на проводниках питания. В ряде случаев они полностью заменили фильтрующие LC и RC-цепочки.

В последнее время в качестве вторичных источников питания стали широко распространяться AC-DC и DC-DC модули питания. Примение этих модулей питания позволяет значительно сократить сроки разработки новых схем радиоэлектронных устройств. Кроме того, применение DC-DC преобразователей позволяет уменьшить уровень пульсаций напряжения питания и в ряде случаев увеличить экономичность радиоэлектронной аппаратуры. На рисунках 5 и 6 приведен внешний вид DC-DC преобразователей.

Рисунок 5. Внешний вид DC-DC преобразователей

Рисунок 6. Внешний вид DC-DC преобразователей

генераторы высокого напряжения

Электростатические (индукционные) машины — это источники малых токов (редко превышающих 10 мкА ) и высокого напряжения (нередко превышающего 100 кВ и доходящего до 10 МВ ), в которых материальные носители электричества попарно заряжаются с помощью электростатической индукции или с помощью трибоэлектрического эффекта , а затем их разносят при помощи механических сил дальше друг относительно друга . Совершенная при этом механическая работа против действия электрических сил по разделению зарядов в пространстве преобразуется в энергию электрического поля (разность потенциалов) .

Исторически первой индукционной машиной был «электрофор» А. Вольты (1775), действие которого в 1777 году объяснил И. К. Вильке^[

электрофорная машина

Электрофо́рная маши́на, генератор Уимсхерста (англ. Wimshurst, в старой литературе встречается написание «Уимшерста» ) — электростатический генератор, то есть электрическая машина для генерирования высокого напряжения, разработанная между 1880 и 1883 британским изобретателем Джеймсом Уимсхерстом (англ.) (1832—1903). Использует явление электростатической индукции, при этом на полюсах машины (лейденских банках) накапливаются электрические заряды, разность потенциалов на разрядниках достигает нескольких сотен тысяч вольт. Работает с помощью механической энергии.

20-дисковая машина, построенная Виллардом и Абрагамом в 1911 году, при скорости вращения 1200—1400 мин⁻¹ давала напряжение до 320 тыс. В и искры длиной до 60 см

Описание работы Электрофорной машины

Машина состоит из двух и более соосных дисков (А и В) из изолирующего материала, на которые нанесены проводящие секторы (см. схему). Диски приводятся во встречное вращение с равной угловой скоростью. Предположим, что сектор A1 вначале несет небольшой избыточный положительный заряд, а сектор B1 — отрицательный. Когда A1 движется влево, а B1 — вправо, их потенциалы растут за счет работы, выполняемой против силы их электростатического притяжения.

Когда A1 достигает положения напротив сектора B2 пластины B, который в этот момент контактирует со щеткой Y, он будет под высоким положительным потенциалом и, таким образом, вызовет разделение заряда в проводнике, соединяющем Y и Y1, перенеся отрицательный заряд на B2 и положительный заряд на удаленный сектор, которого в этот момент касается щетка Y1.

Двигаясь дальше, A1 касается щетки Z и частично разряжается во внешнюю цепь (нагрузкой может быть, например, лейденская банка). При последующем вращении дисков, А1 касается щетки X, которая связана проводником со щеткой X1, и снова получает заряд, на этот раз отрицательный, который отталкивается отрицательно заряженным сектором B2 (находящимся в этот момент напротив сектора на диске А, контактирующего со щеткой X1). Таким образом, положительный заряд переносится справа налево верхней частью диска А, а отрицательный слева направо его нижней частью. Совершенно аналогично работает и диск B.

генератор ван де граафа

Генератор Ван де Граафа — электростатический генератор высокого напряжения, принцип действия которого основан на электризации движущейся диэлектрической ленты. Первый генератор был разработан американским физиком Робертом Ван де Граафом в 1929 году и позволял получать разность потенциалов до 80 киловольт. В 1931 и 1933 им же были построены более мощные генераторы, позволившие достичь напряжения в 1 миллион и 7 миллионов вольт соответственно

Принцип действия Генератор Ван де Граафа

Простой генератор Ван де Граафа состоит из диэлектрической (шелковой или резиновой) ленты (4 на рисунке «Схема генератора»), вращающейся на роликах 3 и 6, причем верхний ролик диэлектрический, а нижний металлический и соединен с землей. Один из концов ленты заключен в металлическую сферу 1. Два электрода 2 и 5 в форме щеток находятся на небольшом расстоянии от ленты сверху и снизу, причем электрод 2 соединен с внутренней поверхностью сферы 1. Через щетку 5 воздух ионизируется от источника высокого напряжения 7, образующиеся положительные ионы под действием силы Кулона движутся к заземленному 6 ролику и оседают на ленте, движущаяся лента переносит заряд внутрь сферы 1, где он снимается щеткой 2, под действием силы Кулона заряды выталкиваются на поверхность сферы и поле внутри сферы создается только дополнительным зарядом на ленте. Таким образом на внешней поверхности сферы накапливается электрический заряд. Возможность получения высокого напряжения ограничена коронным разрядом, возникающим при ионизации воздуха вокруг сферы.

Современные генераторы Ван де Граафа вместо лент используют цепи, состоящие из чередующихся металлических и пластиковых звеньев, и называются пеллетрон ами.

Применение Генератор Ван де Граафа

Исторически изначально генераторы Ван де Граафа применялись в ядерных исследованиях для ускорения различных заряженных частиц. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . В настоящее время их роль в ядерных исследованиях уменьшилась по мере развития иных способов ускорения частиц.

Они продолжают использоваться для моделирования процессов, происходящих при ударе молний, для имитации грозовых разрядов на земле.

Пеллетрон

Пеллетрон (от англ. pellet — гранула) — электростатический генератор высокого напряжения для питания ускорителей, аналогичный по принципу действия машине Ван де Граафа. Принципиальное различие в том, что электрический заряд переносится не диэлектрической лентой-транспортером, а цепью, состоящей из электропроводящих звеньев (пеллетов), изолированных друг от друга , благодаря чему генератор обладает бо́льшей устойчивостью прироста напряжения и бо́льшим током (от 0,1 до 0,5 мА). Для увеличения тока возможно параллельное включение машин.

Принцип действия Пеллетрона

Устройство можно представить как систему конденсаторов с одной неподвижной обкладкой конденсатора (индуктор) и множества подвижных обкладок (пеллеты). При движении ленты подвижные обкладки получают заряд от источника постоянного напряжения U_excit, отсоединяются от подзаряжающего валика и едут наверх. Ёмкость, максимальная во время заряда обкладки, из-за отдаления от второй обкладки уменьшается до значения C_min в верхней токосъемной цепи, а напряжение растет по закону U = U_excit · C_max/C_min. При достижении верхней токосъемной щетки заряд переходит на обкладку накопительного конденсатора. Эта обкладка делается сферической формы, что способствует уходу заряда с токосъемной щетки, так как заряд всегда распределяется по поверхности проводящей сферы. Прирост напряжения также ограничивается током утечки коронного разряда. Высоковольтная энергия складывается из энергии возбуждения и механической работы, причем бо́льшая часть полученной энергии обусловлена механическим переносом заряда от индуктора к накопительному конденсатору.

По конструкции электростатические генераторы отличаются формой привода подвижных обкладок, переносящих заряд. Наибольшее распространение получили ленточные и дисковые варианты. Так как прирост напряжения зависит от изменения емкости, то в дисковых можно легче достичь ее большей разницы за счет малых зазоров и биений, также можно увеличить скорость переноса зарядов и использовать сравнительно низковольтное возбуждение; также можно соединить несколько машин последовательно, установив несколько дисков на одном валу.

Пеллетрон часто размещают в герметичном сосуде, заполненном изолирующим газом — например, элегазом (SF₆, гексафторид серы).

Характерные электрические напряжения на высоковольтном терминале пеллетрона составляют несколько мегавольт; максимальное полученное напряжение достигает 25 МВ (Национальная лаборатория Ок-Ридж, США) , и это самый высоковольтный в мире ускоритель. В настоящее время пеллетроны довольно широко применяются для ускорения различных типов частиц (например, позитронов, электронов, ионов) в таких установках, как ускорительные масс-спектрометры (например, для прецизионного радиоуглеродного анализа), инжекторы ионов и т. п.

капельница кельвина

Ка́пельница Ке́львина — электростатический генератор, изобретенный Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) в 1867 году. Простая конструкция позволяет, тем не менее, получить напряжения порядка 10 кВ. Устройство представляет собой пару металлических банок, каждая из которых связана с металлическим кольцом-индуктором, подвешенным над другой банкой. Через индукторы из верхнего сосуда в банки льются струйки воды, которые разделяются на капли рядом с индукторами.

Принцип действия Капельницы Кельвина

Изначально вся установка электрически нейтральна и симметрична, поэтому заранее не известно, на какой из банок будет накапливаться заряд определенного знака. Из-за случайных внешних воздействий между левой и правой частью установки всегда может образоваться небольшая разность потенциалов, благодаря этому установка не требует никакой стартовой зарядки банок. В силу электростатической индукции металлические кольца наводят в резервуаре с водой в том месте, под которым они расположены, противоположные заряды. В результате количество электронов на противоположных краях резервуара становится разным. Упав, капли попадают в банку, соответствующую своему заряду, тем самым увеличивая ее заряд, что создает еще большее электрическое поле около колец, усиливая сепарацию статического заряда; таким образом капельница Кельвина накапливает статическое электричество.

Для наилучшей работы устройства металлические кольца должны находиться на небольшом расстоянии друг от друга, образуя конденсатор. Это позволяет сосредоточить большую часть зарядов внутри металлических колец.

Установка остается работоспособной, пока банки не наполнятся, чтобы установка могла работать непрерывно, необходимо отводить воду из банок, не теряя заряда, каковая задача так и не была решена.

катушка румкорфа , индукционная катушка

Катушка Румкорфа, индукционная катушка — устройство для получения импульсов высокого напряжения. Представляет собой электромеханический преобразователь низкого постоянного напряжения в высокое переменное напряжение. Катушка получила название по имени немецкого изобретателя Генриха Румкорфа , который запатентовал свою первую конструкцию катушки в 1851 году и организовал ее успешное производство в своей мастерской в Париже. Более ранние разработки подобного устройства другими изобретателями относятся к 1836 году.

Термином «индукционная катушка» называют также катушки, преобразующие высокочастотный переменный ток в вихревые токи для нагрева предметов, помещенных внутри (или вблизи) этой катушки, при индукционном нагреве или в оборудовании для зонной плавки.

Описание

Конструкция и схема подключения

Катушка Румкорфа состоит из двух обмоток из изолированного медного провода вокруг общего железного сердечника (B). Первичная обмотка содержит относительно малое число (десятки, сотни) витков толстого провода. Вторичная обмотка содержит большое число (тысячи, десятки тысяч) витков тонкого провода. В состав катушки входит автоматический прерыватель (V) цепи первичной обмотки (вибратор), конденсатор, а также регулируемый разрядный промежуток (E) в цепи вторичной обмотки. Прерыватель предназначен для быстрого попеременного размыкания и замыкания электрической цепи. Зазор между якорем прерывателя и сердечником катушки может регулироваться винтом .

В практической схеме катушка подключается к источнику питания постоянного тока (P), например, через телеграфный ключ (M). Показанный на схеме баллистический гальванометр (G) может быть использован для измерения электрического заряда, переданного во вторичную цепь катушки при искровом разряде через разрядный промежуток (E).

Принцип действия

При замыкании ключом M цепи источника питания с первичной обмоткой в ней течет нарастающий ток (см. рисунок), обусловленный индуктивным характером цепи. В магнитном поле катушки накапливается энергия W, Дж:

где

— потокосцепление, Вб;

— магнитный поток, Вб;

— число витков первичной обмотки, безразмерная величина;

— ток в первичной обмотке, А;

— индуктивность первичной обмотки, Гн.

Когда магнитный поток в сердечнике достигает величины, достаточной для примагничивания якоря прерывателя к сердечнику, электрическая цепь первичной обмотки размыкается . Размыкание цепи приводит к резкому уменьшению тока первичной обмотки и к уменьшению магнитного потока. Якорь прерывателя под действием пружины возвращается в исходное положение, и электрическая цепь замыкается. Магнитный поток в сердечнике снова достигает определенной величины, и электрическая цепь размыкается. Процесс размыкания-замыкания продолжается непрерывно до тех пор, пока замкнут ключ M.

Напряжение на вторичной обмотке (вторичное напряжение, v₂) примерно пропорционально скорости изменения тока в первичной обмотке (первичного тока, i₁). При размыкании и замыкании прерывателя напряжение на вторичной обмотке имеет разную полярность. При замыкании ток нарастает (увеличивается) сравнительно медленно, причем скорость нарастания тока постепенно уменьшается из‑за активного сопротивления цепи первичной обмотки и внутреннего сопротивления источника питания. При размыкании изменение тока в первичной обмотке более резкое. Поэтому импульсное напряжение на вторичной обмотке при размыкании гораздо больше, чем при замыкании.

Таким образом, в каждом интервале разрыва цепи прерывателя, посредством электромагнитной индукции на вторичной обмотке наводятся импульсы высокого напряжения (десятки, сотни тысяч вольт). Каждый импульс, имеющий достаточную амплитуду, вызывает искровой разряд в разрядном промежутке.

Назначение конденсатора

При отсутствии конденсатора размыкание прерывателя сопровождается появлением между его контактами значительной ЭДС самоиндукции. Это приводит к ионизации воздушного зазора между контактами и образованию электрической дуги , в которой расходуется энергия, запасенная в катушке. При этом скорость изменения (спада) первичного тока замедляется, и выходное напряжение уменьшается. Вдобавок, дуга разрушает контакты прерывателя.

При наличии конденсатора (емкостью примерно от 0,5 до 15 мкФ) электрическое напряжение между контактами прерывателя в момент размыкания оказывается равным напряжению на конденсаторе, то есть близким к нулю. Поэтому электрическая дуга не образуется, и скорость изменения первичного тока при размыкании прерывателя значительно возрастает. Соответственно возрастает и наведенное напряжение на вторичной обмотке. Конденсатор и первичная обмотка в интервале времени разрыва образуют колебательный контур, поэтому в первичной обмотке протекает затухающий переменный ток, вследствие чего на вторичной обмотке наводится переменное напряжение.

Трансформатор Теслы

Трансформа́тор Те́слы, или кату́шка Те́слы (англ. Tesla coil) — устройство, изобретенное Николой Теслой и носящее его имя. Является резонансным трансформатором, производящим высокое напряжение высокой частоты. Прибор был запатентован 22 сентября 1896 года как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала» .

Принцип действия

Трансформатор Теслы основан на использовании резонансных стоячих электромагнитных волн в катушках. Его первичная обмотка содержит небольшое число витков и является частью искрового колебательного контура, включающего в себя также конденсатор и искровой промежуток. Вторичной обмоткой служит прямая катушка провода. При совпадении частоты колебаний колебательного контура первичной обмотки с частотой одного из собственных колебаний (стоячих волн) вторичной обмотки вследствие явления резонанса во вторичной обмотке возникнет стоячая электромагнитная волна и между концами катушки появится высокое переменное напряжение .

Работу резонансного трансформатора можно объяснить на примере обыкновенных качелей. Если их раскачивать в режиме принудительных колебаний, то максимально достигаемая амплитуда будет пропорциональна прилагаемому усилию. Если раскачивать в режиме свободных колебаний, то при тех же усилиях максимальная амплитуда вырастает многократно. Так и с трансформатором Теслы — в роли качелей выступает вторичный колебательный контур, а в роли прилагаемого усилия — генератор. Их согласованность («подталкивание» строго в нужные моменты времени) обеспечивает первичный контур или задающий генератор (в зависимости от устройства).

Простейший трансформатор Теслы включает в себя входной трансформатор, катушку индуктивности, состоящую из двух обмоток — первичной и вторичной, разрядник (прерыватель, часто встречается английский вариант Spark Gap), конденсатор, тороид (используется не всегда) и терминал (на схеме показан как «выход»).

Первичная обмотка обычно содержит всего несколько витков медной трубки или провода большого диаметра, а вторичная около 1000 витков провода меньшей площади сечения. Первичная катушка может быть плоской (горизонтальной), конической или цилиндрической (вертикальной). В отличие от обычных трансформаторов, здесь нет ферромагнитного сердечника. Таким образом, взаимоиндукция между двумя катушками гораздо меньше, чем у трансформаторов с ферромагнитным сердечником. Первичная катушка вместе с конденсатором образует колебательный контур, в который включен нелинейный элемент — разрядник.

Разрядник, в простейшем случае, обыкновенный газовый, представляет собой два массивных электрода с регулируемым зазором. Электроды должны быть устойчивы к протеканию больших токов через электрическую дугу между ними и иметь хорошее охлаждение.

Вторичная катушка также образует колебательный контур, где роль конденсатора, главным образом, выполняют емкость тороида и собственная межвитковая емкость самой катушки. Вторичную обмотку часто покрывают слоем эпоксидной смолы или лака для предотвращения электрического пробоя.

Терминал может быть выполнен в виде диска, заточенного штыря или сферы и предназначен для получения предсказуемых искровых разрядов большой длины.

Таким образом, трансформатор Теслы представляет собой два связанных колебательных контура, что и определяет его замечательные свойства и является главным его отличием от обычных трансформаторов. Для полноценной работы трансформатора эти два колебательных контура должны быть настроены на одну резонансную частоту. Обычно в процессе настройки подстраивают первичный контур под частоту вторичного путем изменения емкости конденсатора и числа витков первичной обмотки до получения максимального напряжения на выходе трансформатора.

Функционирование

Трансформатор Теслы рассматриваемой простейшей конструкции, показанной на схеме, работает в импульсном режиме. Первая фаза — это заряд конденсатора до напряжения пробоя разрядника. Вторая фаза — генерация высокочастотных колебаний в первичном контуре. Разрядник, включенный параллельно, замыкая источник питания (трансформатор), исключает его из контура, иначе источник питания вносит определенные потери в первичный контур и этим снижает его добротность. На практике это влияние может во много раз уменьшить длину разряда, поэтому в схеме трансформатора Теслы разрядник всегда ставится параллельно источнику питания.

Заряд

Заряд конденсатора производится внешним источником высокого напряжения на базе повышающего низкочастотного трансформатора. Ёмкость конденсатора выбирается таким образом, чтобы вместе с индуктором она составляла резонансный контур с частотой резонанса, равной высоковольтному контуру. Однако частота будет отличаться от расчетной по формуле Томсона, так как в первом контуре существуют заметные потери на «накачку» второго контура. Напряжение заряда ограничено напряжением пробоя разрядника, которое, (в случае воздушного разрядника), можно регулировать, изменяя расстояние между электродами или их форму. Обычно напряжение заряда конденсатора лежит в диапазоне 2—20 киловольт.

Генерация

После достижения между электродами разрядника напряжения пробоя, в нем возникает лавинообразный электрический пробой газа. Конденсатор разряжается через разрядник на катушку. После разряда конденсатора, напряжение пробоя разрядника резко уменьшается из-за оставшихся в газе носителей заряда (ионов). Поэтому цепь колебательного контура, состоящего из первичной катушки и конденсатора, остается замкнутой через разрядник, и в ней возникают высокочастотные колебания. Колебания постепенно затухают, в основном, из-за потерь в разряднике и в цепи вторичной обмотки, но продолжаются до тех пор, пока ток создает достаточное количество носителей заряда для поддержания разряда. Во вторичной цепи возникают резонансные колебания, что приводит к появлению на терминале высокого напряжения.

Использование трансформатора Теслы

Выходное напряжение трансформатора Теслы может достигать нескольких миллионов вольт. Это напряжение в частоте минимальной электрической прочности воздуха способно создавать внушительные электрические разряды в воздухе, которые могут иметь многометровую длину. Эти явления очаровывают людей по разным причинам, поэтому трансформатор Теслы используется как декоративное изделие.

Трансформатор использовался Теслой для генерации и распространения электрических колебаний, направленных на управление устройствами на расстоянии без проводов (радиоуправление), беспроводной передачи данных (радио) и беспроводной передачи энергии. В начале XX века трансформатор Теслы также нашел популярное использование в медицине. Пациентов обрабатывали слабыми высокочастотными токами, которые, протекая по тонкому слою поверхности кожи, не причиняли вреда внутренним органам (см.: скин-эффект, Дарсонвализация), оказывая при этом «тонизирующее» и «оздоравливающее» влияние.

Неверно считать, что трансформатор Теслы не имеет широкого практического применения. Он используется для поджига газоразрядных ламп и для поиска течей в вакуумных системах. Тем не менее, основное его применение в наши дни — познавательно-эстетическое. В основном это связано со значительными трудностями при необходимости управляемого отбора высоковольтной мощности или тем более передачи ее на расстояние от трансформатора, так как при этом устройство неизбежно выходит из резонанса, а также значительно снижается добротность вторичного контура и напряжение на нем.

Эффекты, наблюдаемые при работе трансформатора Теслы[править | править код]

Во время работы катушка Теслы создает красивые эффекты, связанные с образованием различных видов газовых разрядов. Многие люди собирают трансформаторы Теслы ради того, чтобы посмотреть на эти впечатляющие, красивые явления. В целом катушка Теслы производит 4 вида разрядов:

1. Стример (от англ. Streamer) — тускло светящиеся тонкие разветвленные каналы, которые содержат ионизированные атомы газа и отщепленные от них свободные электроны. Протекает от терминала (или от наиболее острых, искривленных ВВ-частей) катушки прямо в воздух, не уходя в землю, так как заряд равномерно стекает с поверхности разряда через воздух в землю. Стример — это, по сути дела, видимая ионизация воздуха (свечение ионов), создаваемая ВВ-полем трансформатора.
2. Спарк (от англ. Spark) — это искровой разряд. Идет с терминала (или с наиболее острых, искривленных ВВ частей) непосредственно в землю или в заземленный предмет. Представляет собой пучок ярких, быстро исчезающих или сменяющих друг друга нитевидных, часто сильно разветвленных полосок — искровых каналов. Также имеет место особый вид искрового разряда — скользящий искровой разряд.
3. Коронный разряд — свечение ионов воздуха в электрическом поле высокого напряжения. Создает красивое голубоватое свечение вокруг ВВ-частей конструкции с сильной кривизной поверхности.
4. Дуговой разряд — образуется во многих случаях. Например, при достаточной мощности трансформатора, если к его терминалу близко поднести заземленный предмет, между ним и терминалом может загореться дуга (иногда нужно непосредственно прикоснуться предметом к терминалу и потом растянуть дугу, отводя предмет на большее расстояние). Особенно это свойственно ламповым катушкам Теслы. Если катушка недостаточно мощна и надежна, то спровоцированный дуговой разряд может повредить ее компоненты.

Часто можно наблюдать (особенно вблизи мощных катушек), как разряды идут не только от самой катушки (ее терминала и т. д.), но и в ее сторону от заземленных предметов. Также на таких предметах может возникать и коронный разряд. Редко можно наблюдать также тлеющий разряд. Интересно заметить, что некоторые ионные химические вещества, нанесенные на разрядный терминал, способны менять цвет разряда. Например, ионы натрия меняют обычный окрас спарка на оранжевый, а бора — на зеленый.

Работа резонансного трансформатора сопровождается характерным электрическим треском. Появление этого явления связано с превращением стримеров в искровые каналы (см. статью искровой разряд), который сопровождается резким возрастанием силы тока и количества энергии, выделяющейся в них. Каждый канал быстро расширяется, в нем скачкообразно повышается давление, в результате чего на его границах возникает ударная волна. Совокупность ударных волн от расширяющихся искровых каналов порождает звук, воспринимаемый как «треск» искры

Генератор Маркса

Генера́тор Ма́ркса — генератор импульсного высокого напряжения, принцип действия которого основан на зарядке электрическим током соединенных параллельно (через резисторы) конденсаторов, соединяющихся после зарядки последовательно при помощи различных коммутирующих устройств (например, газовых разрядников или тригатронов). Таким образом выходное напряжение увеличивается пропорционально количеству соединенных конденсаторов.

После зарядки конденсаторов запуск генератора обычно производится после срабатывания первого разрядника (на рисунке обозначенного как trigger (триггер). После срабатывания триггера перенапряжение на разрядниках заставляет срабатывать все зарядники практически одновременно, чем и производится последовательное соединение заряженных конденсаторов.

Генераторы Маркса позволяют получать импульсные напряжения от десятков киловольт до десятка мегавольт.

Частота импульсов, вырабатываемых генератором Маркса, зависит от мощности генератора в импульсе — от единиц импульсов в час до нескольких десятков герц.

Энергия в импульсе генераторов Маркса широко варьируется (от дециджоулей до десятков мегаджоулей).

Пример конструкции

Лабораторные малые генераторы Маркса до напряжений в 100—200 киловольт могут исполняться с воздушной изоляцией, более мощные генераторы Маркса с более высокими рабочими импульсными напряжениями могут выполняться с вакуумной, газовой (газ с высокой электрической прочностью под давлением, например элегаз), масляной изоляцией, препятствующей как непосредственным паразитным пробоям воздуха, так и стеканию зарядов с установки вследствие коронных разрядов.

В случае исполнения генераторов Маркса с вакуумной, газовой или масляной изоляцией генератор обычно помещается в герметичную вакуумированную или заполненную указанными веществами емкость. В некоторых конструкциях генераторов Маркса применяют герметизацию конденсаторов и резисторов, но газовые разрядники располагают на воздухе.

В качестве разрядников применяют воздушные разрядники (например, с глушителями звука) на напряжение до 100 кВ и ток до 1000 кА, вакуумные разрядники, игнитроны, импульсные водородные тиратроны. Тиристоры в качестве коммутирующих элементов практически не применяются в связи с малыми значениями обратного напряжения и трудностями синхронизации их срабатывания в случае последовательного соединения. Все виды разрядников отличаются теми или иными различными недостатками (эрозией электродов, недостаточным быстродействием, незначительным сроком службы и т. д.) либо дороги, как, например, водородные тиратроны.

Для снижения потерь в качестве защитных и разделительных (зарядных) элементов генератора вместо резисторов в некоторых случаях применяют высокодобротные дроссели. В некоторых конструкциях генераторов в качестве резисторов применяют жидкостные сопротивления (резисторы).

На рисунке (коаксиальная конструкция) изображен генератор Маркса, использующий жидкостные конденсаторы на деионизированной воде. Такая конструкция улучшает технологичность конденсатора, уменьшает длину соединительных проводников, а также позволяет значительно уменьшить общее время срабатывания разрядников благодаря их облучению УФ-излучением разрядников, сработавших чуть раньше.

Основной недостаток генератора Маркса состоит в том, что при уровне зарядного напряжения порядка (50—100)⋅103 В он должен содержать 5—8 ступеней с таким же количеством искровых коммутаторов, что связано с ухудшением удельных энергетических и массо-габаритных параметров и снижением КПД. В режиме разряда генератора Маркса потери складываются из потерь в конденсаторах и искровых промежутках и сопротивления нагрузки, например, канала разряда в главном разрядном промежутке. Для уменьшения потерь стремятся снижать сопротивления искровых коммутаторов ГИН, например, помещением их в электрически прочный газ под давлением, применяют конденсаторы с повышенной добротностью, оптимизируют инициирование пробоя для достижения минимальных пробивных градиентов и т. п.

Применение

Генератор импульсов высокого напряжения (генератор импульсного напряжения, ГИН) Маркса используется в разнообразных исследованиях в науке, а также для решения разнообразных задач в технике. В некоторых установках генераторы Маркса работают и в качестве генераторов импульсного тока (ГИТ).

В некоторых установках объединяют два генератора Маркса в единую установку, в которой многоступенчатый ГИН с конденсаторами небольшой общей емкостью обеспечивает высокий потенциал напряжения, необходимый для развития разряда основного малоступенчатого ГИТ с конденсаторами большой общей емкости, со сравнительно невысоким потенциалом, но большой силой тока в продолжительном импульсе.

Например, генераторы Маркса применяются (начальное историческое применение) в ядерных и термоядерных исследованиях для ускорения различных элементарных частиц, создания ионных пучков, создания релятивистских электронных пучков для инициирования термоядерных реакций.

Генераторы Маркса применяются в качестве мощных источников накачки квантовых генераторов, для исследований состояний плазмы, для исследований импульсных электромагнитных излучений.

В военной технике генераторы Маркса в комплексе с, например, виркаторами в качестве генераторов излучения применяются для создания портативных средств радиоэлектронной борьбы ], в качестве электромагнитного оружия , действие которого основано на поражении целей радиочастотным электромагнитным излучением (РЧЭМИ).

В промышленности генераторы Маркса наряду с другими источниками импульсных напряжений и токов применяются в электрогидравлической обработке материалов, дроблении, бурении, уплотнении грунтов и бетонных смесей.

Генератор Кокрофта — Уолтона

Генера́тор Ко́крофта — Уо́лтона — один из типов умножителя напряжения, устройство для преобразования относительно низкого переменного напряжения или пульсирующего напряжения в высоковольтное постоянное напряжение.

История

Принципиальная схема умножителя с удвоением напряжения была разработана в 1919 году швейцарским физиком Генрихом Грайнахером. По этой причине каскадный удвоитель напряжения данного типа иногда называют умножителем Грайнахера .

Известно, что первый многокаскадный умножитель по идее Грайнахера был построен в 1932 году Джоном Кокрофтом и Эрнстом Уолтоном для использования его в качестве высоковольтного источника напряжения в ускорителе заряженных частиц, предназначенного для проведения эксперимента по искусственному расщеплению атомных ядер (практически одновременно такой же эксперимент впервые в СССР был проведен в УФТИ), поэтому иногда умножитель напряжения называют генератором Кокрофта — Уолтона .

Устройство

Умножитель напряжения преобразует переменное напряжение в высокое постоянное напряжение. Умножитель строится из лестницы (секций, ступеней, каскадов) конденсаторов и диодов. В отличие от трансформатора такой метод не требует тяжелого сердечника и высоковольтной изоляции, так как напряжения на всех ступенях приблизительно равны. Используя только конденсаторы и диоды, умножители напряжения такого типа могут преобразовывать относительно низкое напряжение в очень высокое, при этом оказываясь много легче и дешевле по сравнению с высоковольтными трансформаторами. Еще одним преимуществом является возможность снимать более низкие напряжения с любого каскада схемы, так же как в трансформаторе с многоотводной обмоткой.

где — число каскадов;

— амплитуда входного переменного напряжения;

} — выходное постоянное напряжение.

Несмотря на свои теоретические недостатки и ограничения, умножитель напряжения стал такой же классикой в электронной схемотехнике для получения высокого постоянного напряжения как и двухполупериодный выпрямитель (диодный мост) для получения постоянного тока из переменного. На принципиальных электрических схемах его даже не рисуют подробно, а изображают в виде специального значка .

Промышленность выпускает очень широкий ассортимент модульных «умножителей напряжения» с нормированными параметрами применяемых в большинство устройств с электронно-лучевыми приборами — с кинескопами в телевизорах, ЭЛТ-мониторами, индикаторах радаров или осциллографов.

Технические характеристики

На практике умножитель имеет ряд недостатков. Если умножитель имеет слишком много каскадов, напряжение на последних каскадах будет ниже упрощенно теоретически ожидаемого, в основном из-за ненулевого импеданса конденсаторов в начальных секциях. Практически нецелесообразно питание умножителя непосредственно напряжением промышленной частоты, так как в этом случае требуются высоковольтные конденсаторы большой емкости, что сильно ухудшает массогабаритные показатели устройства. Пульсации выходного напряжения также увеличиваются, что в некоторых случаях неприемлемо. Обычно на вход умножителя напряжение подается с выхода высокочастотного высоковольтного трансформатора и повышается до нужной величины в умножителе.

Существуют умножители на напряжения от нескольких сотен вольт до нескольких миллионов вольт.

Применение

Умножители применяются во многих областях техники, в частности в устройствах для электрической накачки лазера, в источниках высокого напряжения систем рентгеновского излучения, лампах бегущей волны, ионных насосах, электростатических системах, ионизаторах воздуха, ускорителях частиц, копировальных аппаратах, осциллографах, телевизорах и во многих других устройствах, где необходимо постоянное высокое напряжение с небольшой силой тока.

Генератор Фитча-Говела

Одним из оригинальных типов источника высокого напряжения является Генератор Фитча-Говела (Генератор Фитча—Хауэлла) разработанный в 1964 году. Подобный генератор был независимо изобретен в 1961 году советскими учеными Белкиным и Жарковой, и применялся для питания импульсных газовых лазеров.

Конструкция

Конструктивно он состоит из двух основных узлов - спирально свернутой линии передачи (полосковой) с дополнительным слоем изоляции между витками и RC-цепочки с двойным разрядником. Внешний проводник в спирали (B) является активным, а внутренний (A), под изолятором, пассивным. Наружный конец активного проводника подключается к коммутатору (прямоугольник с двумя полукругами в правом верхнем углу). Остальные концы обоих проводников открыты, то есть весят в воздухе. Высоковольтный выход (HV out) находится в середине спирали. Напряжение питания генератора подается на вход (Vc in).

Принцип действия

До того как разрядник прекращает подачу напряжения на полосковые линии происходит заряжение образуемого ими конденсатора. При повороте прерывателя конденсатор начинает разряжаться через разрядник, в результате чего заряд перемещается вниз по активной линии, отражается от открытой цепи на внутреннем конце, и двигается обратно на разрядник, изменяя полярность активной линии относительно своего первоначального заряда. Теперь все точечные заряды движутся в том же направлении, в результате чего (за очень короткий период времени), напряжение между активной и пассивной линиями возрастает в два раза.

Особенности

Напряжение каждой пары активной и пассивной линии в идеале (при условии идеальных материалов и конструкции и, следовательно, без потерь) ровняется удвоенному напряжению питания генератора. Если есть 2NV активной и пассивной линии, то общее напряжение на выходе в идеале будет:

Виды конструкций

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• устройства источника питания , ремонта блока питания ,
• компьютерный блок питания , блок питания пк ,
• неисправность блока питания , алгоритмы нахождения неисправностей блока питания пк , ремонт блока питания , диагностика блока питания ,

Пожалуйста, пиши комментарии, если ты обнаружил что-то неправильное или если ты желаешь поделиться дополнительной информацией про вторичные источники питания Надеюсь, что теперь ты понял что такое вторичные источники питания, генераторы высокого напряжения, электрофорная машина, генератор ван де граафа, пеллетрон, капельница кельвина, катушка румкорфа, генератор кокрофта — уолтона и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Источники питания радиоэлектронной аппаратуры