ZVS - rezonansowa przetwornica wysokiego napięcia
W trakcie nawet domowych doświadczeń często zachodzi konieczność wykorzystania wysokiego napięcia, dużo wyższego niż występujące w sieci oświetleniowej 230V. W takich chwilach szczególnie przydatne są wszelkiego rodzaju przetwornice wysokiego napięcia. Są to układy elektroniczne, które podwyższają napięcie. Niżej przedstawię jeden z tych układów, moim zdaniem najlepiej łączący prostotę wykonania z dobrymi osiągami. Urządzenie to zostało zbudowane po raz pierwszy przez pana Vladimiro Mazzilli. Chwała mu za to!
Oryginalny schemat:
Jak widzimy schemat jest bardzo prosty i zawiera niewiele elementów. Ja zastosowałem mosfety IRF450, które sprawują się bardzo dobrze. Transformator wysokiego napięcia pochodzi ze starego telewizora. Wysokonapięciowe uzwojenie wtórne (zwykle zatopione w białym tworzywie sztucznym) należy pozostawić bez zmian. Uzwojenie pierwotne nawinąć według instrukcji zamieszczonej na schemacie, z odczepem w środku.
Ostrzeżenie: Budowy układu ZVS nie polecam początkującym bez doświadczenia w obchodzeniu się z wysokim napięciem. Na wyjściu urządzenia występuje napięcie wielu tysięcy woltów. Łuk elektryczny jest bardzo gorący: może natychmiastowo zwęglić skórę i ciało nieostrożnego eksperymentatora. Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Przetwornica ta ma bardzo wysoką sprawność. Ma to miejsce dzięki temu, że uzwojenie pierwotne transformatora wraz z podłączonym do niego równolegle kondensatorem tworzy równoległy obwód rezonansowy. Dzięki połączonym przeciwsobnie tranzystorom zostaje zapewniony warunek wzbudzenia oscylacji obwodu rezonansowego na jego częstotliwości rezonansowej. Dla równoległego obwodu rezonansowego zachodzi wtedy rezonans prądów. Prąd zmienny płynący przez uzwojenie transformatora osiąga dzięki temu największą możliwą wartość. Diody Zenera ochraniają bramki tranzystorów przed przepięciami.
Kondensator musi być dobrej jakości. Najlepszy byłby impulsowy kondensator do zasilaczy. Ja zastosowałem baterię 4 takich kondensatorów po 0,25uF każdy, co dało w sumie 1uF. Kondensatory te znamionowo muszą być przeznaczone dla napięcia conajmniej trzy razy wyższego niż napięcie zasilania.
Cewkę dopasowującą impedancję najlepiej nawinąć na proszkowym rdzeniu toroidalnym pochodzącym z uszkodzonego zasilacza komputerowego. Wystarczy kilkanaście zwojów drutu 0,5 - 1,0mm.
Wszystkie elementy układu należy umieścić solidnie na odpowiedniej płytce. Można zastosować płytkę drukowaną, lecz ja wykorzystałem płytkę z grubego preszpanu. Została przykręcona do odpowiedniego radiatora rozpraszającego ciepło tracone na tranzystorach:
Tranzystorów nie widać ponieważ znajdują się pod płytką, są przykręcone poprzez silikonowe podkładki izolacyjne do radiatora.
Układ sprawował się tak dobrze, że po pewnym czasie wykonałem nowszą wersję:
Po zmontowaniu układ powinien działać od pierwszego włączenia. Należy jednak upewnić się, czy źródło zasilania ma wystarczającą wydajność prądową, ponieważ natężenie może wynosić kilka amperów. Napięcie na wyjściu uzwojenia wtórnego może osiągnąć kilka lub kilkanaście tysięcy woltów, i to przy dużym natężeniu prądu. To już nie żarty! Powstaje parucentymetrowy łuk elektryczny o temperaturze kilku tysięcy stopni Celsjusza. Do zapalania łuku elektrycznego nie należy stosować przewodów miedzianych ponieważ mogą się one stopić. Tranzystory podczas maksymalnego rozciągnięcia łuku mogą się dosyć mocno rozgrzewać.
Przetwornica działa także z innymi typami transformatorów wysokiego napięcia oraz z trafopowielaczami z nowoczesnych telewizorów i monitorów crt.
Dzięki temu urządzeniu można przeprowadzić wiele ciekawych doświadczeń:
- Wiatr elektrostatyczny (opis tutaj),
- Młynek Franklina (opis tutaj),
- Wyładowania koronowe (opis tutaj)
- Nagrzewanie indukowanym prądem elektrycznym (opis tutaj),
- Fotografia kirlianowska (opis tutaj),
- Kula plazmowa (opis tutaj),
Za pomocą tej przetwornicy (podobnie jak dzięki mojej cewce Tesli) można uzyskać wyładowania w gazie wypełniającym żarówki. Gaz obojętny wewnątrz bańki żarówki ma wystarczająco niskie ciśnienie by wywołac w nim lawinową jonizację. Objawia się to widocznymi wyładowaniami i świeceniem.
By zaobserwować wyładowania najlepiej zastosować dwa uzwojenia wtórne połączone szeregowo i umieszczone na wspólnym rdzeniu:
Jeden z biegunów uzwojenia wtórnego należy dokładnie uziemić, zaś drugi podłączyć do oprawki żarówki. Można stosować żarówki o dowolnych mocach, od 40 do 100 watów, a nawet więcej. Ja zastosowałem żarówkę o mocy… 800 watów. Na zdjęciu można porównać jej rozmiary z żarówką 100W.
Po włączeniu ZVSa wewnątrz bańki żarówki powinniśmy zobaczyć jasnoniebieskie wyładowania:
Po zbliżeniu do bańki metalowego przedmiotu wyładowania zbiegają się w jego kierunku. Można to zobaczyć na poniższym filmiku.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa
- Blanchard J., The History of Electrical Resonance, Bell System Technical Journal, 1941, 20(4), str. 415-433
- Knowlton A.E., Standard Handbook for Electrical Engineers (8th ed.), McGraw-Hill, 1949
- Plamitzer A.M., Maszyny elektryczne, Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1982, str. 35
Marek Ples