High Voltage Power Supply (5 - 32 kV)
Muitos experimentos
requerem o emprego de altas voltagens com corrente maior que a
provida por máquinas eletrostáticas de pequenas
dimensões. Máquinas eletrostáticas
ou geradores tipo Van de Graff
usualmente não fornecem corrente
de saída suficiente por apresentarem uma impedância
interna muito elevada, e máquinas eletrostáticas de
múltiplos discos são mais difíceis de construir.
Na prática consegue-se correntes de até uns 80
microampéres, mas para isto a máquina já tem que
ser contruída usando discos de mais de 60 cm.
É mais fácil, portanto, construir uma fonte empregando um transformador para alta tensão (Flyback). O primeiro circuito que experimentei está a seguir.
O transformador TR2 é de 127
Vac no primário e 60 Vac no secundário e para 100 watts.
T1 e T2 , assim como o BU208D são montados em dissipador de
calor. P2 ajusta a corrente máxima de saída, limitando-a
em caso de curto circuito. Os reguladores de tensão integrados
(7812 e LM317) são montados parafusados ao chassis ou em
dissipadores de calor.
O transistor de saída aqui
apresentado tem diodo de proteção interno; o 2SD1437 foi
testado em seu lugar e também funcionou bem.
No meu
esquema não aparece o diodo interno que o flyback dos monitores
tem; na sua saída aparece uma tensão pulsada, que
dependendo da freqüência de trabalho e tensão de
alimentação pode ultrapassar os 26 kV. No meu caso, a
frequência de operação é de 22 kHz, e
coloquei na saída uma bateria de
capacitores de poliester constituída de 20 capacitores de 22nf
para 1600 volts cada em série. Cada capacitor tem, em paralelo
consigo, um resistor de 10 Mohms, de forma a assegurar uma
distribuição igual de potencial sobre a
associação. Isto permite uma tensão de
saída com pouca
ondulação,com correntes menores que 50
microampéres.
Apesar do baixo valor final da associação de capacitores que fiz (1,1nF) deve-se
observar entretanto que a energia armazenada nestes capacitores
é elevada e cuidados deve ser tomados manuseando
este tipo de equipamento.
Abaixo apresento algumas fotos da
montagem que efetuei, usando a caixa de um velho multimetro
eletrônico que tinha disponível em minha oficina.
Placas de circuito com o driver (esquerda) e saída (direita)
Vista lateral da montagem (esquerda) e teste com faísca (direita).
Update julho 2008:
Melhorando a fonte de alta tensão
Clique aqui para baixar o novo circuito.
A montagem ficou como nas figuras que se seguem:
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Esta fonte foi usada para operar meu primeiro lifter e
foi capaz de fornecer a corrente e tensão necessária para
um vôo "turbulento", pois a corrente de saída não
foi elevada o suficiente para manter meu lifter no ar de forma
estável.
Pretendo trabalhar nela no futuro para aumentar sua tensão e
corrente de saída, através do emprego de um transformador
flyback de construção artesanal.
Update julho 2008:
Melhorando a fonte de alta tensão
Decidi construir novamente esta fonte,
melhorando seu desempenho tanto quanto fosse possível.
Aproveitando a caixa e galvanômetro de um antigo
voltímetro de RF da HP que estava aposentado por falta de
peças (HP-3409), construí uma nova fonte observando desta
vez alguns detalhes que não cuidei na primeira. Os resultados
obtidos compensaram amplamente o trabalho: consegui tensões de
mais de 30 kV com boa estabilidade de operação.
O circuíto usado é semelhante ao anterior, com as seguintes modificações:
1) Usei um par de mosfet (de canal N e
P) no lugar dos transistores bipolares para prover a
exitação do transistor de comutação, com o
que consegui tempos de transição menores e por
conseguinte tensões mais altas no secundário do Flyback;
2) Usei dois transformadores de
alimentação , um para o circuito de baixa e outro para o
circuito de alta tensão, reduzindo desta forma o ruído
que modulava em fase o oscilador com o 555 na primeira fonte;
3) Montei um circuito de
medição para a tensão de alimentação
da etapa de saída que permite uma leitura indireta da alta
tensão gerada.Usei os botões sobrando no
instrumento original para medir a corrente de saída (0 ~ 1 mA),
corrente de alimentação da etapa de potência (0 ~1
A) e tensão de alimentação (0 ~32kV). Ficou bem
flexível seu uso, com os principais parâmetros podendo ser
monitorados sem o uso de instrumentos externos.
Clique aqui para baixar o novo circuito.
A montagem ficou como nas figuras que se seguem:
Coloquei na saída da fonte uma
associação de resistores de 10 Mohms, medindo a
tensão de saída com uma ponteira de alta tensão da
fluke, até que o valor da tensão caísse à
metade do valor em aberto. Encontrei uma impedância interna da
ordem de 29 Mohms para minha fonte. A tensão máxima
obtida foi de 31,8 kV.
Um resumo do desempenho de minha fonte pode ser visto na tabela abaixo: Os valores foram medidos usando um
multímetro Fluke modelo 111 e uma ponteira para alta
tensão até 40kV DC modelo 80K-40kV Fluke, e
associação de resistores de 10M e 100M ohms, e o controle
de voltagem de saída mantido no máximo. A partir dos
250Mohms a incerteza da media aumenta bastante, pois começam as
fugas por corona. Mas serve para evidenciar que ela é capaz de
fornecer 100 microamperes a 23,6kV, por exemplo.
Na foto da direita pode-se ver o flyback usado na segunda versão
de minha fonte. Logo abaixo o transformador de rede (127V / 2x12V / 1A)
e o dissipador de calor do transistor de potência (de
chaveamento).
Uma foto da fonte terminada. Fiz um furo na tampa superior e
usinei um isolante de teflon para evitar o contato do fio de alta
tensão com a carcaça , que com o passar do tempo pode
danificar sua isolação (é o disco branco sobre a fonte na foto). Além disto ficou mais
seguro o manuseio da fonte, pois o cabo com alta tensão fica bem
afastado dos botões de controle. O fio vermelho que sai do
painel frontal é o terra, que tem um jacaré em sua ponta
para facilitar as conexões. Um grande indicador vermelho
sinaliza o fato de a alta tensão estar ligada.
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