Budiče VN transformátorov (TV a CRT monitory) s IO

Budiče pre VN transformátory z TV a CRT monitorov s použitím IO, ako NE555 a CD4046. Teória okolo vysokého napätia, bezpečnosť, princíp budičov, merania na osciloskope.

      Jednoduchý spôsob, ako získať vysoké napätie na pokusy je s VN transformátorov s televízorov alebo CRT monitorov. V nových televízoroch a CRT monitoroch sú už tzv. IHVT (Integrated High Voltage Transformer) transformátory, ktoré sú celé zaliate aj s VN diódou, odporovou kaskádou alebo v prípade traf s CRT monitorov aj s kondenzátorom. Čo pri niektorých pokusoch môže byť problém, kde je nutnosť použitia striedavého VF napätia. Vybrať tú diódu akýmkoľvek spôsobom je v podstate nemožné, len by ste zničili VN transformátor. Tiež sa ju nesnažte preraziť, pár krát sa mi stalo, že sa mi dióda prerazila priveľkým napätím a prúdom na VN transformátore pri ZVS Driveru a následky boli zničenie celého VN transformátora. Izolácia nie je robená/dimenzovaná pre VF napätie, čiže v tom momente pri tak vysokom napätí nastal prieraz a začali sa okamžite plaziť výboje po povrchu transformátora ako pavučina a zhorelo. Na druhej strane sú to veľmi dobré zdroje VN jednosmerného napätia. Napätie na týchto traf je okolo 25-30kV a podľa kusu sa dá s nich dostať až 40-50kV pri vhodnom budení a dobrom kuse IHVT transformátora, ale pravdaže krátkodobo. Pripadne s veľkých TV môžu byť aj väčšie VN transformátory aj na 40kV. Občasný problém je tu však s miestom na ferite pre našu primárnu cievku. Tiež odporúčam si vyrobiť nejaký kV-meter pre meranie napätia na VN transformátoroch, škoda by bola ich zbytočne zničiť priveľkým napätím.

      Nazvime to, ako druhá kategória VN transformátorov, ktorá je so starých televízorov alebo ešte starších elektrónkových televízorov, kde vieme nájsť VN transformátory, ako so zaliatou internou diódou tak aj bez internej diódy. Tá je potom umiestnená vedľa VN transformátora (zvyčajné selénová dióda – sivá 7 až 9cm tyčka). V elektrónkových TV môžeme nájsť ešte elektrónkové usmerňovacie diódy DY86 alebo DY87. Napätia s týchto VN transformátorov sa pohybujú asi okolo 10 - 20kV. S týchto VN transformátorov sa už dá prípadne aj vybrať VN dióda, čo som ale osobne nikdy neskúšal, keďže stále som mal transformátory aj bez tejto diódy. Sú to tiež perfektné VN transformátory pre plazmové gule s obyčajnej žiarovky, Kirlianovú fotografiu či iné pokusy, kde je potrebné striedavé vysokofrekvenčné napätie.

      Potom tu máme s trochu novších televízorov VN transformátory určené pre napájanie VN kaskádnych násobičov. Napätie na výstupe týchto transformátorov je síce striedavé, ale nízke asi len okolo 6-7kV max. Čo zasa môže byť aj v niektorých prípadoch výhoda – napr. napájanie SGTC, kde je lepšie mať nižšie napätie pri väčšom prúde. Napätie s VN kaskádnych násobičov sa pohybuje okolo 30kV a výboje s nich sú veľmi až extrémne hlučné. Tiež sú niekedy problematické pretože nemajú radi priame skraty, čo môže viesť k ich zničeniu prerazením diód pulzným prúdom s kondenzátorov ak sa budú pričasto skratovať na priamo. Dosť hlučné a zaujímavé sú ruské kaskádne násobiče. Veľmi jednoducho sa dá s kaskádnym násobičom spraviť napr. iónový motor pre silnú ionizáciu vzduchu a teda sršanie koróny (elektrický vietor/iónový vietor).

      Vo všetkých vyššie spomenutých prípadoch sa jedná o VN transformátory s feritovým jadrom pracujúcich na vyšších frekvenciách – v televízore to je 15,625kHz. Tým je umožnené použiť oveľa menší prierez jadra, ako u sieťového transformátora na rovnaký výkon. Vďaka vyšším frekvenciám a pomerne vysokému počtu závitov na sekundárnej cievke, tým aj parazitných a medzizávitových kapacít ma tento transformátor svoju rezonančnú frekvenciu f0. Preto je často problematické budiť transformátor na vyšších frekvenciách, stačí sa pri výkonnom budiči omylom dostať blízko f0 alebo nebodaj priamo na f0 a vznikne rapídny nárast napätia na sekundárnej cievke a okamžité prerazenie transformátora. Primár transformátora zvyčajne treba previnúť, obvyklé stačí okolo 10 závitov.


Bezpečnosť pri práci s VF napätím

      Výstupný prúd transformátora ak máme transformátor bez diódy je vysokofrekvenčný, takýto VF prúd ma tepelné účinky a dochádza tu k zaujímavému javu a to je tzv. skin-efekt, kedy je prúd vďaka vysokej frekvencii vytláčaný na povrch vodičov. To znamená, že aj na povrch kože tela a preto nie je tak nebezpečný a nezabíja, teda fyzicky a psychicky zdravého človeka by nemal zabiť ani ublížiť maximálne popáliť povrch kože. Ale treba si uvedomiť, že pri týchto VN zdrojoch, kde frekvencia je okolo 15-40kHz nedochádza k úplne bezpečnému skin-efektu a vďaka vysokému odporu kože sa prúd nešíri len po povrchu kože, ale zasahuje aj do hĺbky časť svalstva a nervov ! Tiež si treba uvedomiť, že frekvencia VN zdroja sa môže zmeniť alebo klesať pri záťaži aj na nízke a nebezpečné hodnoty !! Pri slabom malo výkonnom zdroji to nie je problém (plazmová guľa), ale nejaký výkonnejší zdroj VN, ktorý už vie dodať vyššie prúdy (ZVS Driver, polomost, push-pull...) a má dobre vyfiltrované napájanie, čiže ide kontinuálny prúd s VN transformátora to môže byť už dosť veľký problém. Keďže sú tam podstatne väčšie tepelné účinky na tkanivo človeka. Teraz sa nejedná o popálenie na koži, ale ak by ste teoreticky naschvál dávali ruku cez nejaký kovový predmet do takého VN zdroja, VF prúd bude mať tepelne účinky na svalstvo, ale hlavne na veľmi dobre vodivé vervy v tele človeka, ktoré bude ohrievať ! Čiže s krátkodobého hľadiska pri náhodnom preskoku výboja do ruky je jedná vec a druhá vec je, ju tam naschvál držať, veď aha ono má to „nekope“, určite nie je na mieste ! Nervy pri tak vysokej frekvencií aj keď nimi preteká prúd, na ten prúd akoby „nereagujú“, preto nebude spôsobovať kŕče. Ale môže spôsobiť vnútorné popálenia a najmä poškodenie nervov vplyvom tepelných účinkov VF prúdov ! Ďalšia vec je, že nevieme aké môžu byť kumulatívne a dlhodobé následky. Tiež je tam vplyv priebehu napätia na VN transformátore a spôsobe budenia, ale to už je zbytočne veľmi do hĺbky. Iný prípad je to pri VTTC, kde máme rádovo vyššie frekvencie v stovkách kHz a napájanie VTTC je zvyčajne 50Hz jednocestne usmernené alebo cez jednocestný násobič. Kde je nielen rádovo oveľa vyššia frekvencia, ale aj 50% času prúd netečie vďaka napájaniu VTTC, kedy má čas tkanivo vychladnúť preto tiež nevidno zvyčajne vôbec popálenú kožu na ruke, zvyčajne je len smrad s popálenej kože.


Jednočinný budič s NE555

      Tento budič využíva známy časovač NE555 s ktorým sa už spravilo X zapojení VN zdrojov. Tu je moje zapojenie tzv. kvázi-rezonančného zapojenia VN transformátora s rez. C paralelne na primárnu cievku, ktoré som testoval a používam. Obvod NE555 pracuje v astabilnom režime s reguláciou frekvencie v rozsahu zhruba 12-50kHz a ide aj vyššie, ale to už pre nás vôbec nie je podstatné pre VN transformátory s TV a CRT monitorov. Zapojenie využíva 2 trimre pre lepšiu a precíznejšiu reguláciu a nastavenia frekvencie a striedy. Problém obvodu NE555 je, že pri regulácií frekvencie zároveň meníme aj striedu a naopak. Takto s oboma trimrami si vieme nastaviť v podstate akékoľvek priebehy pre spínanie tranzistora s rôznou frekvenciou a striedou. Ale je to prácnejšie, zložitejšie a hlavne vyžaduje to nutnosť merania na osciloskope, pre presné nastavenie a ladenie pre VN transformátor, keďže jeden trimer ovplyvňuje druhý. Pravdaže ide to aj bez osciloskopu, ale to bude len hádanie na slepo podľa vzdialenosti preskoku výboja, za predpokladu, že nemáme k dispozícii ani kV-meter na meranie výstupného napätia. Na DPS sú dôležité keramické 100n blokovacie kondenzátory na napájaní dosky a blízko nožičiek napájania NE555. Použiteľné výkonové tranzistory MOSFET a mnou odporúčané sú napríklad IRFP260N (200V, 50A, Rds=0,04R) alebo IRFP460 (500V, 20A, Rds=0,27R). Lepší bude pravdaže IRFP260N za predpokladu, že špičky neprekročia 200V na draine tranzistora, čo pri tomto zapojení je niekedy problém. Alebo inak povedané, až do akého extrému budete ťahať tento budič. Veľkosť výstupného napätia VN transformátora závisí okrem veľkosti napájacieho napätia aj od frekvencie, kapacity rez. C a počtu závitov na primárnej cievke. Kapacita rez. C môže byť zhruba v rozmedzí 220n až 1u. Pri menšom počte závitov s nižšou frekvenciou a nižšou hodnotou kapacity kondenzátora dosiahneme vyšších napätí na výstupe pri menšom prúde a naopak, pri väčšom počte závitov, vyššou frekvenciou a väčšou kapacitou kondenzátora (až 1uF) dosiahneme nižšie výstupné napätia pri väčších prúdoch. Primárna cievka má obvykle okolo 8-12z. V podstate je na vás čo požadujete od VN zdroja, podľa toho sa ho snažiť vyladiť a pravdaže podľa toho, čo zvládne VN transformátor a tranzistory.

      V mojom prípade to mám ako v schéme s rez. C=900n MKP (musí byť kvalitný MKP) pri napájaní napätím 30-35V a odbere prúdu 8-11A s 8z na primári. Všetko podľa vyladenia a použitého VN transformátora. Na chladenie tranzistora používam chladič s CPU aj s ventilátorom. Maximálny príkon, aký som dosiahol na tomto budiči bolo až do 360W pri jednom väčšom IHVT transformátore. Ale už tu nastával problém s rušením elektroniky, prisilnej väzbe atď. o tom viac nižšie pri videu, kde je rozpísane viac o tom. Bežný príkon je tak okolo 200-300W pokiaľ to neženiete až do extrému.

      Pri jednočinnom zapojení budenia VN transformátora sa dosahuje vyšších napätí na výstupe, ako v druhom prípade nižšie v použití dvojčinného budenia VN transformátora. Je to vďaka tomu, že vo chvíli, kedy je tranzistor rozopnutý, spodný koniec vinutia je v podstate úplne odpojený od obvodu a nasýtené jadro má tendenciu vracať energiu späť do obvodu. Vďaka tomu sa vytvorí napäťová špička na primárnej cievke. Špička sa však indukuje aj v sekundárnej cievke a vďaka tomu dochádza k preskoku iskri na väčšie vzdialenosti.

Schéma:

      Moja testovacia DPS a nejaké priebehy napätí na D-S tranzistore. Prvý priebeh je s tranzistora IRFP460 a druhý s IRFP260N. Kapacita 900n MKP a 8z na primári. Ako vidieť špičky sú dosť vysoké až nad katalógové hodnoty tranzistorov, ale veľmi krátke. Ako bolo spomenuté už vyššie, tieto špičky po zavretí tranzistora sa tiež indukujú na sekundárnej cievke a preto dochádza k preskoku výboja na väčšiu vzdialenosť a vyšším napätiam, ako pri dvojčinnom zapojení. Veľkosť špičiek pravdaže závisí od vyladenia obvodu, podľa toho dimenzovať tranzistory. Namerané špičkové napätia dať pravdaže x10 čiže 514V a 240V.


      Teraz je tu, to skôr spomínané video, kde som písal o rušeniu elektroniky a prisilnej väzbe. Vlastne ide tu o to, že viazané rezonančné obvody (primárna cievka s kondenzátorom a sekundárna cievka sú obe viazané LC a LC) pri nadkritickej väzbe majú 2 maximálne vrcholy v prenose. Tak stačí maličká zmena vo frekvencii napríklad zarušenie obvodu NE555 a skočí to na druhý rezonančný vrchol. Stabilný a dobre odtienený oscilátor by to vyriešil. Stalo sa mi to pri tom najväčšom výkone, aký sa mi podarilo dostať s tohto zapojenia s NE555 a jedným tranzistorom. Obvod CD4046 popísaný nižšie zatiaľ s týmto problém nemal a to je rovnako položená doska na stole bez tieniacej krabičky.




Dvojčinný budič s CD4046

      Toto je druhý pokusný budič s obvodom CD4046, kde som pridal ešte jeden tranzistor a primárnu cievku s odbočkou v strede. Tranzistory spínajú proti sebe do cievky, takéto zapojenie sa označuje ako push-pull. Toto zapojenie na rozdiel od prvého jednočinného s NE555 nikdy nenechá jadro „si robiť čo chce“. Vo chvíli rozopnutia jedného tranzistora sa okamžite zopne druhý tranzistor. Preto na draine tranzistorov nevznikajú tak veľké špičky, ktoré by sa potom indukovali do sekundárnej cievky. Preto sa u tohto zapojenia na sekundárnej cievke nevyskytujú tak vysoké napäťové špičky, čo zníži výstupné napätie a preskokovú vzdialenosť výboja. Naopak VN transformátor dodáva väčšie prúdy čo je niekedy výhoda. S toho dôvodu nie je problém použiť 2x IRFP260N na 200V, 50A s nízkym prechodovým odporom Rds=0,04R. Tiež som pridal do zapojenia pokusne audio moduláciu na pin 9, ale to chce kvalitnú filtráciu napájacieho napätia. Obvod CD4046 na rozdiel od NE555 má pevne nastavenú striedu na 50% a vieme regulovať frekvenciu stále pri pevnej striede. Tiež 4046 má lepšiu stabilitu. Frekvencia tohto budiča sa dá regulovať trimrom v rozmedzí 9 – 45kHz. Opäť je tu nutnosť použitia keramických 100n blokovacích kondenzátorov, ako na napájaní DPS tak pri oboch IO čo najbližšie k pinom napájania. Rezistor R2 nastavuje minimálnu frekvenciu oscilátora. R1 a C1 nastavujú maximálnu frekvenciu oscilátora stále pri pevnej striede 50%. C1 musí byť viac ako 50p a R1 musí byť medzi 10k – 1M. Napájanie oboch použitých IO je do 15V max. Zenerová dióda na 13V stabilizuje ladiace napätie, aby nekolísala frekvencia oscilátora. Kapacita rezonančného C môže byť zhruba v rozmedzí 1u až 2u MKP (musí byť kvalitný !). Primárna cievka môže byť 5+5 závitov s odbočkou v strede na napájací zdroj.

      Obvod UCC37325P pochádza s rodiny obvodov od Texas Instruments vysoko rýchlostných dvojitých budičov MOSFET, ktoré dodávajú veľké špičkové prúdy do kapacitnej záťaže. Použitý gate-driver UCC37325P v puzdre DIP-8 dokáže dodať až 4A špičky. Napájacie napätie je 4,5 – 15V, úplne maximum je 16V. Nutnosť alebo skôr odporúčanie podľa datasheetu je použitie dvoch blokovacích kondenzátorov 100n a 1u. Kondenzátor 1u zároveň pomáha dodávať IO veľké krátke prúdové špičky pre budenie tranzistora MOSFET. Preto musí byť keramika alebo kvalitný MKP čo najbližšie k nožičkám IO alebo ešte lepšie SMD (100n + 1u) zdola IO. Avšak problém tohto IO je jeho v podstate nezohnateľnosť v našich obchodoch a e-shopoch na Slovensku a Česku.

      Ja som použil rezonančný C=2u MKP s primárnou cievkou 5+5z pri napájaní 26V s výstupným napätím IHVT transformátora 25kV. Odber prúdu bol až 34A a napätie klesalo na cca 18,5V čo vychádza príkon okolo 600W. MOSFET tranzistory IRFP260N sú na chladiči od CPU spolu s ventilátorom, použité sú kaptonové podložky. Chladiť tranzistory nie je problém, no väčší problém je s teplotou primárnej cievky a VN transformátor sa tiež slušne ohrieva. Takže je to len na krátkodobú prevádzku. Pravdaže dá sa spraviť s toho „normálny“ VN zdroj s menším výkonom na dlhodobejšiu prevádzku zmenšením rez. C a iným vyladením obvodu a napájacieho napätia. Ja som to už hnal mierne do extrému a skúšal čo to dokáže. Počas pokusov som neodpálil ani jeden tranzistor, ani neprerazil žiadny VN transformátor. Ale to len vďaka meraniu a ladeniu s osciloskopom a kV-metru na výstupe VN transformátora. Inak by to bolo len hádanie na slepo a predpokladám aj prerazením nejakých tranzistorov či prerazeniu VN transformátora. Ktovie aký je tam prenesený výkon do VN transformátora a oblúka. Ale budič spína tranzistory perfektne, takže nemám problém s ich chladením ani pri takomto príkone a odberu prúdu.

Schéma:

      Moja testovacia DPS budiča s VCO CD4046 a UCC37325P. Výhoda je tiež možnosti zapojenia koncových tranzistorov do push-pull, ako na fotkách dole alebo len s jedným tranzistorom, ako jednočinný budič vyššie s NE555. Tiež by to mohlo zvládnuť aj GDT a napojenie na polomost. Preto univerzálnejšie riešenie budiča pre pokusné zapojenia + vyvedené fastony s GND pre svorky zeme osciloskopu pre jednoduchšie meranie.

      Priebehy merané na osciloskope Tektronix TDS 360. Kúpil som externú disketovú mechaniku, tak už môžem dostať priebehy s osciloskopu do PC aspoň na disketách namiesto fotenia :). Prvé 2 priebehy sú merania na budiči bez pripojeného rezonančného C. Horný priebeh sú zákmity na filtračných kondenzátoroch napájania a spodný priebeh sú špičky merané na draine jedného tranzistora IRFP260N v push-pull zapojení. Ďalšie 2 zapojenia sú už priebehy v kvázi-rezonančnom zapojení s rez. C=2u MKP a primárnou cievkou stále 5+5 závitov. Vidíme prvý zákmit kmitov na LC a blízko nuly spína tranzistor + priebeh na G tranzistora (merané na jednom tranzistore). Pravdaže pri ťahaní oblúka sa to celé posunie a rozhádže, ale aj tak mi v podstate žiadne špičky nepresahujú tieto namerané max. hodnoty napätí. Zákmity na D tranzistora v kvázi-rezonančnom zapojení dosahujú v mojom prípade až 90V a 114V pri dvoch rôznych VN transformátorov s rôznymi frekvenciami. Odber prúdu až 36A a 38A. V prvom prípade je to IHVT transformátor s ktorého ťahám 25kV a v druhom prípade je to môj vlastný navinutý VN transformátor s ktorého ťahám 3kV. To máme príkon VN zdroja okolo 600W a 850W.

      Pre zaujímavosť grafy s merania na filtračnom kondenzátore napájania VN transformátora, bez blokovacieho kondenzátora C12 (220n MKP) a s ním. Tu tranzistory vypínali až po druhom zákmite na LC, tak pekne vidno vlnovku, ako klesalo napätie a zákmity pri spínaní tranzistorov.

      Na prvej fotke je spomínaný môj navinutý VN transformátor, výstupné napätie pri tomto budiči je 3kV. Feritové jadro je podstatne väčšie ako má IHVT, použité je s VN transformátora so starej TESLA TV, kde VN transformátor napájal kaskádny násobič. Príkon pri tomto VN transformátore som mal okolo 850W a odber prúdu bol až 38A. Na druhej fotke je IHVT na ktorom sa roztiekla primárna cievka a izolácia zliala dokopy.


Fotky

      Teraz už hurá konečne nejaké fotky výbojov s IHVT pri 25kV. Na poslednej fotke vidno ešte plazmu zanikajúceho výboja.

      Výboje z môjho VN transformátora pri 3kV a príkone okolo 850W. Veľmi rýchlo výboj taví medené vodiče a kvapkajú roztavené medené guľôčky. Železné skrutky rozžeraví do červená a tenšie tiež roztaví. Na poslednej fotke je zanikajúca plazma tesne po zániku výboja. Tiež pekne vidno, ako železo a meď zafarbujú plazmu do oranžova.

      Teraz výboje tiež z toho istého VN transformátora pri 3kV, ale vymenené oba elektródy za titánové – hrubé titánové drôty. Tieto sa netavia a nekvapkajú, ale svetlo s rozžeravených koncov elektród je až priveľmi jasné. Nedá sa do oblúka pozerať ani cez slnečné okuliare a už absolútne vôbec nie priamo. Svetlo z rozžeravených koncov elektród je až priveľmi silné. Farba plazmy je od titánu úplne biela. Takže som len spravil pár fotiek a video, ktoré je nižšie, a spratal to preč.

      Nakoniec výboje pri hliníkových elektródach, resp. použitý hrubý hliníkový drôt a chladiče. Plazma výboja sa sfarbuje do svetlo modra. Na fotkách je to skôr biela až svetlo oranžová po krajoch, no cez slnečné okuliare krásne vidno farbenie do svetlo modra a po krajoch je plazma do svetlo oranžová.


Videá:


24.2.2017
      Ďalšie pokusy s týmto budičom boli ešte s vlastným VN transformátorom pri ktorom bol príkon VN zdroja až 850W. Prierez feritového jadra je 2,5x2,5cm takže žiadne vysoké teploty feritu ani silné presycovanie jadra, ako pri predošlých malých VN transformátoroch s TV a monitorov. Feritové jadro som získal už dávno s priemyselného 3,6kW VN zdroja na 70kV pre RTG. Výstupné napätie som mal v tomto prípade 22kV pri 22kHz. Ešte bezpečne s výstupným napätím sa dá ísť pri tomto VN transformátore do zhruba 25kV, čo už je taká hranica ku ktorej sa snažím veľmi neisť od kedy VN transformátor nedávam do oleja (transformátorový olej je veľmi agresívny a kuchynský ma zasa zlú viskozitu – vznikajú vzduchové bublinky). Skúšal som aj audio moduláciu, hrá to ako hrá... primárne tento budič som nerobil pre audio. Na videu dole tiež vidno priebehy na osciloskope, horný priebeh CH1 je napätie na draine tranzistora a spodný priebeh CH2 je napätie na cievke (2z) VN transformátora cez primárne vinutie. Na fotkách porovnanie veľkého VN transformátora s bežným VN transformátorom s TV, konkrétne tento je nejaký s čiernobielej TV s externou diódou (selénová tyčka).


 

      Pridávam tu aj pre zaujímavosť moje merania na tomto VN transformátore. Je to závislosť výšky napätia na transformátore a veľkosti odberu prúdu budiča v závislosti od zmeny frekvencie pri konštantnom napájacom napätí 20V a rezonančnom kondenzátore 2uF. VN transformátor bol pravdaže naprázdno resp. s pripojeným kV-metrom do 30kV. S grafu sa dá určiť, že najlepšia prevádzková frekvencia tohto transformátora je na cca 23kHz, len nie je to ľahké zladiť, keďže nestačí len ručne nastaviť na 23kHz, ale aj správne doladiť kapacitu rez. C ku primárnej cievke atď. Tá vysoká napäťová špička je rezonančná frekvencia f0 VN transformátora, ktorej sa musíme vyhnúť, inak ľahko zničíme VN transformátor pri nechcenom preladení f na túto oblasť (pravda pri vyššom napájaní, ja som si to nastavil tak, aby som prešiel bezpečne celý rozsah). Pridávam tu aj excelovský súbor na stiahnutie.

Grafy v Excely na stiahnutie: Frekvenčná charakteristika VN transformátora

      Priebehy na G (horný CH1) a D (dolný CH2) tranzistora IRFP260N. Na treťom obrázku priebeh na draine hore a dole na 2z cievky na VN transformátore cez primárnu cievku. Zákmit dosahuje do 120V na draine tranzistorov pri napájacom napätí 30V čo je 4x viac ako napájacie napätie.

Novinky na webe

Populárne články