Um
outro problema inerente ao emprego das máquinas
eletrostáticas em
medições é o fato de que
não se consegue
ajustar sua voltagem de saída de forma simples e
confiável. A única forma de se obter uma voltagem
inferior à máxima que a máquina produz
é
aproximando os terminais de descarga para que ocorram descargas
(faíscas) com potenciais menores ou então
colocando
materiais maus isolantes (madeira, materiais contaminados levemente com
negro de fumo) entre seus terminais, mas isto não
é
prático nem confiável.
Another limitation related to the use of
electrostatic machines for quantitative measurements is the fact that it’s not
possible to adjust their output voltage in a simple and reliable way. The only
possibility to obtain a reduced output voltage is putting the discharge
terminals nearest in order to get discharges limiting this way the maximum output
voltage reached, or adding partial conductors (like wood, black smoked
materials, etc.) between the terminals, but this is not reliable nor practical.
Por outro lado, o uso de
fontes baseadas em flybacks, como as
que construí,
apesar de superarem estes problemas, também apresentam
grandes
variações na tensão de
saída em
função da carga nelas aplicada, e na verdade
não
apresentam um potencial realmente contínuo na
saída, mas
pulsos de alta frequência integrados pela
capacitância
parasita na construção do flyback, ou seja,
potenciais de
tensão contínua com
ondulação que muda
conforme a carga. Além disto precisam de um
multimetro
externo com uma ponteira de alta tensão ligada à
saída para se saber realmente qual a tensão de
saída que está sendo gerada com alguma
exatidão.
By other hand the use of fly back
based power supplies, like the ones I had built, although overcoming this
limitations, had shown huge output voltage changes with different loads, and do
not provide true D.C. at output, but a sequence of high frequency pulses signal
integrated by the distributed capacitance of the transformer and rectifiers.
Another issue is the need of an external multimeter with a high voltage probe
attached to it in order to allow us to know the real output voltage.
Decidi então
projetar e
construir uma fonte de alta tensão que fosse
confiável e
que permitisse gerar tensões estabilizadas e com uma
corrente de
saída maior que a obtida com um flyback. Minha fonte usa
dois
flyback com o secundário ligado em paralelo, sendo o
primário dos mesmos excitado em contrafase, ou seja, cada um
deles recebe um impulso defasado 180º do outro. Com isto dobro
a
energia de saída, ou seja, com o mesmo potencial de uma
fonte
com um flyback obtenho o dobro da corrente de saída. Isto
permite obter uma tensão de saída com menor
variação sem ter que fazer os flyback trabalharem
em
frequências de operação
maiores, ou seja,
dobra-se a taxa de carga do capacitor na alta tensão e por
conseguinte diminui-se a variação da mesma.
With
all those concerns I decided to project and to build a reliable high
voltage power supply, able to provide more output current and stable
output voltage. In my implementation I decided to use double fly back
transformers topology, connecting both high voltage windings in
parallel and applying a delayed excitation signal (180º) in
primary windings. With this topology I obtained the double of energy
compared with a single fly back circuits.
Para uma
operação
confiável optei por utilizar um esquema de
realimentação tomando uma amostra da tensão de
saída obtida no terminal de saida para screen que os
flybacks
tem já disponível. Com isto escapo de utilizar
resistores
externos de alto valor e com os consequentes problemas de fuga que
podem acontecer. Nos testes que fiz a tensão de
saída no
terminal de foco do flyback é muito alta, da ordem de 5 kV,
inadequado portanto para meu circuito, além de apresentar o
inconveniente de que ao ser carregado diminuia a tensão
máxima obtida no terminal de alta tensão. Por
esta
razão usei o terminal que normalmente alimenta a grade de
controle do tubo (screen) para amostrar a tensão de
saída. O terminal de
saída de
screen é um fio
vermelho mais fino que o de alta tensão e o de foco, sendo
de
fácil identificação.
I used a feedback scheme
for a reliable operation. To avoid the need of high value
resistors a sample taken from the screen output of the fly back
(all new
types of fly backs used on TV and computer monitors have internally an
output divider to provide voltage for the screen grid of the CRT) is
used. The
voltage from the focus output is too high for my application, and some
unnecessary loading occurs if this output is used, so I decided to use
the screen termninal – this output usually is a thinner red wire
that
is connected to the circuit near the cathode of the CRT.
Algumas soluções diferentes das que encontrei na WEB foram implementadas:
1) A implementação de uma fonte de corrente constante,
usando um LM317, assegura um preciso ajuste da corrente de base das
chaves (transistores) de saída. Com os valores indicados no
esquema a corrente de base é de 0,5 A.
2) A fonte de tensão para as chaves / flyback é ajustavel
eletronicamente baseada em uma leitura digital. O computador lê o
sinal do conversor A/D 1, de 8 bits (ADC0831) que amostra a
tensão de saída da tomada de corrente para a grade screen
dos flyback e compara com o valor selecionado para a tensão de
saída. Se existe diferença entre a tensão
programada e a real, um ajuste por software em passos pequenos é
feito e enviado ao D/A de 12 bits, que a sua vez corrige a
tensão de referência do comparador IC4 no driver. Com isto
consegui uma excelente estabilidade de longo prazo para a voltagem da
fonte.
3) Usei dois enrrolamentos separados (TR3) para alimentar o driver e a
parte de potência. Com isto reduzi bastante o ruído que
surge por conta do chaveamento e por conseguinte um sinal DC mais limpo
na saída da fonte. O circuito da parte de
alta tensão e controle de minha fonte pode ser visto
clicando aqui.
Some different solutions compared
to the ones I had found on the web were implemented:
1) A
constant current (using one LM317) allows precise base current adjustment for
the output switching transistors. With the components indicated in my
schematics the base current is of 0,5
A.
2) The
supply voltage adjustment for the output stage is based on a digital reading. The
controller microprocessor reads an analog to digital converter (A/D1, ADC0831)
sampling the screen voltage and compares the sampled value to the programmed one.
If a difference exists a software adjustment is executed, changing the control
voltage generated by the 12 bits D/A, and as a consequence the reference
voltage on IC4. This process improves the long term stability of the output
voltage.
3) I
used to separated windings for the supplies used in driver circuit and output
stage, and as result the noise in the output was reduced.
The high voltage schematics can be found here.
Decidi contruir a parte
de controle
usando um microcontrolador para poder controlar remotamente minha
fonte, poder realizar medições e variar a
tensão
de saída com o tempo de forma programável, etc.
Para tal
fim elegí o Basic Stamp 2E da Parallax, que é
fácil de programar e conheço bem. O computador
que
implementei tem uma interface serial bidirecional, através
da
qual posso controlar a minha fonte por meio de um PC. Isto permite que
se possa programar rampas com declividade variável, subida
da
tensão em degraus, etc. Pensei em
aplicações como
determinar precisamente a tensão de ruptura de materiais,
por
exemplo.
O basic stamp é acessado através de uma porta serial
à 9600/N/I tanto para programação como para
controle. Ele controla três shift register (IC1,IC3,IC4) que
possibilitam a operação dos displays LCD e à LED.
O circuito do computador
que controla a fonte está aqui.
I elected the basic stamp 2E microcontroller for this
application basically because I know him well and programming in Parallax basic
is easy. The computer has a serial interface for remote control and
programming. It’s possible to write programs to generate ramps, steps, etc. The
stamp controller is accessed by a serial port (9600/N/I) both for programming
and control. By the use of 3 shift registers (IC1,IC3 and IC4) LCD and big LED displays
are controlled.
The controller schematics can be found here.
A montagem dos circuitos foi feita em placas universais
adquiridas no comércio. Não valia a pena
confeccionar
placas impressas pois em princípio não pretendo
construir
esta fonte em escala. Mas deu bastante trabalho! As fotos
abaixo
mostram como ficou a montagem das placas e o emaranhado de fios
necessário.
The implementation was done using universal printed circuit boards.

Esquerda da foto: microcontrolador e periféricos.
À
direita: driver e fonte de alimentação. Na parte
superior
da foto pode-se ver os displays LCD e à LED do painel
frontal.
Tive que colocar uma placa metálica (verde, ao fundo)
isolando a
parte de potência do circuito de controle para não
ter
problemas de ruído causado pelo intenso campo
elétrico
quando a tensão se saída é maior que
15 kV.

Nesta última foto pode-se ver os dois flyback montados na
parte de tras da caixa usada na montagem.
O painel frontal de minha fonte tem dois displays: um de cristal
líquido, aonde posso visualizar a tensão real de
saída (medida) bem como visualizar outros
parâmetros (como
a corrente de saída, limite de tensão
máxima,
frequencia de operação do circuito de
potência,
etc e outro, grande, de LED 7 segmentos. Também tem quatro botões para ajuste da
tensão de saída e
configuração da fonte,
uma chave geral, um conector DB-9 com a interface serial e um
terminal de terra . O motivo do uso do display a LED grande foi a
idéia de poder ler a tensão de saída
da fonte
à distância, por exemplo quando apresento minhas
aulas
para grandes turmas de alunos. Para uso em laboratório
talvez
bastasse o pequeno display LCD.
The front panel has two
displays: one LCD where it´s possible to read the real (sampled)
output voltage as well as other parameters (like output current,
switching frequency, etc) and another based on large 7 segments LED's.
There is also 4 ajusment buttons for parameters adjustments , one
DB-9 serial interface and a ground connector. The use of the LED's
displays is to allow to read the power supply voltage in lecture
rooms during my classes - maybe for a lab use the LCD display is enough.
O código do software desenvolvido até o momento
está aqui.
Devo trabalhar em melhorá-lo, permitindo outras
funções no futuro.
The actual software code can be seen here.
Detalhe do painel
frontal. pode-se ver
no display LCD a tensão programada no computador, e no
display a
LED a tensão efetivamente medida (amostrada na
saída de
screen dos flybacks). Pode-se observar também a
interface
DB-9 usada tanto na programação do basic stamp
quanto no
controle remoto da fonte.
Configuração
de teste.
ligada uma ponteira para alta tensão até 40kV DC
na
saída da fonte, e monitoramento usando um
multímetro
calibrado Fluke.
A tensão máxima obtida na fonte foi de 40,1 kV.
Para
evitar danificar os transistores de chaveamento resolvi limitar a
tensão máxima para 37kV (por software). Na foto
minha
fonte está gerando 30,31kV contra 30kV indicado no display
à LED: erro de 1,0%. Bastante bom para uma montagem
artesanal !
Este erro é praticamente constante de 400 volts
para cima.
Abaixo disto o erro aumenta bastante, acredito que por causa dos diodos
internos nos flybacks, que operam próximos ao joelho de
condução, e por sua alinearidade modificam a
sensibilidade de meu voltimetro.
The maximum output voltage
is 40,1 kV. In order to avoid the switching transistors this voltage is
limited by software to 37 kV. The mean error in output voltage,
compared to a Fluke high voltage probe and multmiter is below 1%, good
enough for a home made project.
Conclusões:
Consegui alcançar os objetivos a que me propuz. Minha fonte
é bem confiável e versátil.
Diferentemente das
fontes simples que usam apenas um circuito chaveado sem
realimentação, coloquei cargas de 40Mohms a 10
Gohms na
saída da fonte com 5 kv e a mesma praticamente
não
alterou sua tensão de saída, graças
à
realimentação no circuito de controle. Vou
trabalhar no
desenvolvimento de aplicações para ela agora,
escrever um
software de controle remoto e realizar mais alguns testes. Falta ainda
concluir a montagem mecânica, colocando um terminal bem
isolado
na parte superior da caixa para permitir ligações
confiáveis e seguras da fonte quando fizer meus testes.
Conclusions:
I had achieved my goals. This
power supply ir reliable and stable. With 5 kV, loads from 40Mohms up
to 10Gohms does not change significantly the output voltage, basically
due the feedback implemented. It´s my intention to write improved
versions of the software in the future and improve some details in
hardware.
Atualização em 18/09/2008
Concluí a montagem da fonte. Modifiquei o circuito de
realimentação. Agora, ao invés de usar uma amostra
do sinal tomado do próprio flyback (saída para grade
screen) construí um divisor de tensão com 7 resistores de
100Mohms, cada um com um capacitor de 1000pf / 5kV em paralelo, ligado
diretamente na saída de alta tensão da fonte. Em
série com este divisor coloquei um resistor à terra de
70,7kohms, de onde amostro a tensão de saída com meu A/D.
Com esta modificação a estabilidade da fonte aumentou
muito e o erro da tensão de saída baixou para menos de
0,5% (comparando com um multimetro True RMS Fluke com ponteira de
alta tensão, ambos calibrados com rastreabilidade ao INMETRO).
Também melhorei as rotinas de software para ajustar mais rapidamente a tensão de saída.
Em série com a saída coloquei uma
associação de 3 resistores de 8k2 / 2watts para limitar a
corrente de curto circuito de minha fonte, evitando assim danificar os
transistores de saída. Agora posso provocar faíscas de
qualquer comprimento até um curto circuito sem nenhum problema.
Todo o conjunto (resistores de proteção mais o divisor de
tensão para amostrar a tensão de saída e o filtro
com capacitores) ficou acondicionado dentro de canos de PVC de
água, externamente à fonte. O terminal de saída
é uma semi esfera colada em uma tampa de cano de água. A
razão disto é a fuga por efeito corona: de 31 kV para
cima a fuga começa a aumentar muito se uso um terminal com
alguma ponta, como pude confirmar.
O novo esquemático do driver e da etapa de saída estão aqui.
Update: The power supply is now
complete.I changed the feedback topology - instead of take a sample
from the screen grid output I built a voltage divider using 7x 100Mohms
resistors and each of this resistors have one 1000pF / 5kVcapacitor in
parallel. In series with the low end of this series association I put a
70k7 resistor - this forms a 10.000 x divider, from where the output
voltage is sampled by an A?D converter.
The software had been updated too.
In series with the output a series of 3x 82k /2 watts resistors
had been added to limit the maximun short circuit current. Now it's
possible to get good sparks without any risk to the output stage. Both
the divider and limiter and filter was packaged in to PVC water pipes,
externally to the source. The output terminal is a semi ball glued in a
pipe cover. This avoids the effect of corona leackage. New shematic including this modifications can be downloaded here.
Algumas fotos da fonte terminada:
Com
as modificações implementadas consegui uma
tensão muito estável e limpa na saída! O valor no display
LCD
é o valor real, enquanto o valor indicado no display à LED é o
valor selecionado. Quando a tensão de saída dela (por exemplo
causada pela ligação de uma carga de valor
muito baixo à saída da fonte) é diferente mais do
que 5% do valor programado, o
display a LED pisca rapidamente, alertando o operador se que o valor real é muito diferente do selecionado.

A fonte pronta. O cano de água em "L" na parte de cima é o terminal de saída,
colocado desta maneira para reduzir as perdas
e fugas por efeito
corona. Dentro do cano estão os resistores do divisor e filtro de
saída (na seção vertical) e os resistores limitadores de
corrente (na parte horizontal). Pode-se também observar o
terminal esférico de conexão da fonte, em formato de
calota metálica.