Рис. 2. Схема дли получения высоковольтного постоянного напряжения
В этой схеме переменное напряжение U1 при помощи трансформатора Т повышается до напряжения U2 гораздо меньше необходимого. Умножитель, собранный на конденсаторах C1-С4 и выпрямительных диодах VD1-VD4, выпрямляет и умножает напряжение до необходимого Upaб. На схеме для примера изображен четырехкаскадный умножитель. Для ясного понимания задачи и творческого ее решения приведем несколько математических соотношений:
Uраб = U2∙K/0,85; (1)
Отсюда:
K = 0,85∙Uраб/U2 (2)
К — количество каскадов умножения, в нашем примере К = 4. Распределение напряжений на конденсаторах:
UC1 = Uраб/K (B); (3)
UC2 =… = UC4 = 2∙Uраб/K (B). (4)
Обратное напряжение на всех диодах VD1-VD4:
Uoбp = 2,8∙U2. (5)
Величина емкостей умножителя для рабочей частоты 50 Гц:
С1 = С2 = С3 = С4 = 34∙J∙ (K + 2)/U2 (мкф). (6)
Здесь ток J в миллиамперах. Прямые токи через диоды при работе ионизатора очень малы, так как выход умножителя нагружен на излучатель с естественным стеканием высокого напряжения в воздух. Замеры показали, что при напряжении 25 кВ ток Jpa6 = 50 мА. Поэтому, выбирая выпрямительные элементы, надо руководствоваться допустимым обратным напряжением и рабочей частотой. Выбирая конденсаторы, также учитывают величины напряжений, чтобы не было превышений против паспортных данных, указываемых в справочниках или непосредственно на их корпусах. Величина емкости (номинал) конденсаторов вычисляется по формуле (6), причем надо учесть, что вычисленный результат является минимальным. Номинал много меньше вычисленного брать не рекомендуется, так как умножитель не будет вы давать необходимое напряжение. Номиналы больше вычисленных можно брать любые. В этом случае ограничивающим фактором будут служить габариты. Чем больше номинал, тем больше габариты.
Из всего сказанного следует, что необходимую величину постоянного напряжения можно получить или повышением U2, или увеличением числа каскадов умножителя. Тот или иной вариант зависит от возможности выбора элементов схемы.
Для примера рассмотрим получение постоянного напряжения 25 кВ непосредственно из сетевого 220 В без применения трансформатора. По формуле (2):
К = 0,85∙25000/220 = 97. Принимаем К = 100.
Наибольшее напряжение на конденсаторах (по формуле 4):
Uc= 2∙25000/100 = 500 В.
Величины емкостей по формуле 6:
С1 = С2 = … = С100 = 34∙0,05∙(100 + 2)/220 = 0,79 мкФ.
Выбираем конденсаторы с номиналом 1,0 мкФ как наиболее распространенные. Обратные напряжения на диодах по формуле 5:
Uoбp = 2,8∙220 ~= 600 В.
Таким образом, для построения умножителя нам нужно 100 диодов с обратным напряжением не менее 600 В и 100 конденсаторов с рабочим напряжением 500 В номиналом 1,0 мкФ.
Следует заметить, что этот пример приведен только для разъяснения решения задачи. Строить бестрансформаторные устройства не следует, так как они гальванически связаны с осветительной сетью и поэтому очень опасны при эксплуатации. Трансформаторы нужны не только для повышения напряжения, но и для развязки от сети.
Вооруженные ясным пониманием задачи и некоторыми теоретическими познаниями, мы можем перейти к практическим конструкциям.
Конструкция № 1 (рис. 3)
Рис. 3. Схема первой конструкции ионизатора
Схему первой конструкции ионизатора предусматриваем с питанием от сети 220 В частотой 50 Гц при помощи повышающего трансформатора. Для облегчения намотки, особенно вторичной обмотки, принимаем:
U2 = 2200 В.
Необходимое число каскадов умножителя:
K = 0,85∙Uраб/U2 = 0,85∙25000/2200 = 9,69.
Принимаем К = 10.
Действующие максимальные напряжения на конденсаторах:
UC2 = … = UC10 = 2∙Uраб/K = 2∙25000/2200 = 5000 B