Generator impulsów wysokiego napięcia

[H1M4W4R1]

Streszczenie

Urządzenie generuje impulsy wysokiego napięcia. Było pierwotnym projektem, który zainspirował mnie do nauki elektroniki i wreszcie miałem okazję się nim zająć. Jest to tańsza alternatywa dla AVT-738 o znacznie większych możliwościach.

UWAGA: AUTOR NIE ODPOWIADA ZA NIEBEZPIECZEŃSTWA WYNIKAJĄCE Z WŁASNEJ REALIZACJI PROJEKTU. PROJEKT JEST NIEBEZPIECZNY I PRZED JEGO WYKONANIEM NALEŻY ZWERYFIKOWAĆ GO U NIEZALEŻNYCH ŹRÓDEŁ ORAZ SKONTAKTOWAĆ SIĘ Z LEKARZEM W CELU KONSULTACJI O MOŻLIWOŚCI ZASTOSOWANIA PODOBNEGO URZĄDZENIA.

UWAGA: PROJEKT ZAGRAŻA ŻYCIU OSÓB Z ROZRUSZNIKIEM SERCA LUB POMPĄ INSULINOWĄ. ZABRANIA SIĘ TESTOWANIA GO PRZEZ WSKAZANE OSOBY.

Zasada działania 

Urządzenie składa się z przetwornicy wysokiego napięcia widocznej po prawej stronie powyższego obrazka. Wykorzystana została cewka 1mH z diodą UF4007 (szybka dioda impulsowa, która była tutaj głównie do testów, ale wbrew pozorom nadaje się całkiem dobrze do tego celu). Przetwornica zależnie od zastosowanego tranzystora (STP5NK50 lub STP5NK80) oraz częstotliwości sterującej może wygenerować impuls napięcia w wysokości odpowiednio 500 lub 800 V. Impulsy zaczynają się robić bolesne już przy 300V, więc urządzenie ma spory zapas "mocy" (w znaczeniu możliwości zakresu napięciowego, gdyż maksymalny prąd wyjściowy urządzenia mieści się w zakresie mikroamperów).

Sterowanie częstotliwością przetwornicy oraz sygnału wyjściowego jest izolowane galwanicznie, co nie ma większego znaczenia w przypadku zastosowania sprzężenia zwrotnego, aczkolwiek w przypadku jego braku pozwala na całkowite odcięcie urządzenia od mikrokontrolera. W przypadku używania sprzężenia zwrotnego mikrokontroler jest zabezpieczony wyłącznie diodą Zenera (D11), co w przypadku uszkodzenia zabezpieczenia może spowodować (a nawet zagwarantować) zniszczenie mikrokontrolera, stąd używanie sprzężenia zwrotnego nie jest zalecane.

Wysokim napięciem sterują tranzystory MOSFET firmy STM, które są sterowane przy użyciu rezystorów podciągających 2.2k, a ich bramka za pomocą tranzystora jest zwierana do masy. W przypadku sterowania częstotliwością sygnał jest odwrócony, co automatycznie powoduje stały przepływ prądu przez cewkę w momencie braku sygnału FREQ.

Z tego też powodu został zastosowany system OCP składający się z tranzystora NPN oraz rezystora wpiętego między jego bramkę a masę. Zgodnie z zastosowanym rezystorem prąd płynący przez tranzystor nie powinien przekroczyć 200-300mA (w zależności od jakości użytych komponentów).

Sygnał SIG jest podwójnie odwrócony, gdyż w przypadku zastosowania pojedynczego odwrócenia (i braku sygnału SIG) tranzystor byłby cały czas otwarty, a wysoka częstotliwość pracy przetwornicy powodowałaby wysyłanie impulsów wysokiego napięcia o wysokiej częstotliwości na wyjście urządzenia, co jest bardzo nieprzyjemne (ciekawe jak autor się o tym dowiedział...)

Wielki szereg diod Zenera pozwala ograniczyć maksymalne napięcie na wyjściu urządzenia, aczkolwiek jest to zabezpieczenie opcjonalne (diody mogą się przegrzewać przy dużych częstotliwościach pracy urządzenia).

Kondensator C1 służy jako magazyn energii dla impulsów wychodzących z urządzenia (rezystor rozładowujący R6 jest opcjonalny), a częstotliwość pracy Q3 określa częstotliwość impulsów wychodzących. By wysłać impuls wystarczy otworzyć Q3 na kilka milisekund.

System FeedBack to zwykły dzielnik napięcia zabezpieczony diodą Zenera. Wartości elementów można odczytać w tabelce w schemacie.

Napięciem wyjściowym przetwornicy sterujemy za pomocą manipulowania częstotliwością PWM sygnału FREQ z wypełnieniem 50% (mikrokontroler lub układ CD4046).  Taka modulacja jest modulacją podobną do FM, aczkolwiek wolę ją określić jako PWM, by ułatwić implementację urządzenia. Domyślnie napięcie przetwornicy nie jest przekazywane na linię OUT, więc wymagane jest przekazanie jej sygnału SIG (w domyślnym zastosowaniu jest to sygnał PWM o małym wypełnieniu z regulowaną częstotliwością). Wartość początkową najlepiej obrać w okolicach 100kHz i poruszać się w dół, by uniknąć nieprzyjemnych niespodzianek.

Dla wykonujących projekt:

Tranzystor sterujący przetwornicą musi być chłodzony, gdyż inaczej grzeje się niemiłosiernie.

Napięcie wyjściowe polecam zmierzyć multimetrem przed użyciem urządzenia, inaczej można się niemile zaskoczyć  Na start polecam okolice 100-150V.

O ile dla Q1 można zastosować tranzystor IRF840, tak w przypadku Q3 posiada on zbyt niski opór po zamknięciu i nie powoduje całkowitego zaniku napięcia wyjściowego dla zakładanego obciążenia. Stąd wybór tranzystorów STP5NKXX, których opór po zamknięciu jest na tyle duży, że napięcie na obciążeniu przy zamkniętym tranzystorze spada niemal do zera. Tranzystory te kupione były "ze starej serii" (jeszcze przed zakazem ołowiu), więc nie wiem jak ich współczesne odpowiedniki poradzą sobie z tym zadaniem, ale zakładam, że są one kompatybilne.

Schemat / PCB / Pliki EasyEDA

Uwaga: płytka prototypowa pochodzi ze starszej wersji schematu (bez podwójnego odwrócenia linii SIG, z maksymalnie 5 diodami Zenera dla sygnału 500V i bez systemu FeedBack).

Shocky_1.4.zip

 

Więcej zdjęć...

Inne dodatkowe zbędne gadanie:

Koszt urządzenia (nie licząc "nadmiarowych" komponentów) wyniósł poniżej 10 PLN, co w porównaniu do rozwiązania AVT-738 i zastosowania w nim tranzystora TS2/033 o koszcie 20-30zł jest znakomitym wynikiem, zwłaszcza zwiększając możliwości sprzętu.

Płytka drukowana była pierwszym projektem wykonanym przez moją frezarkę (i to był pierwszy raz jak lutowałem czystą miedź), więc wybaczcie jakość  (A i utlenianie miedzi mi nie przeszkadza, bo to był tylko prototyp, teraz pewnie wrzucę płytki do następnego zamówienia z JLCPCB).

Częstotliwość pracy przetwornicy zwykle mieści się w granicach 10-100kHz, więc urządzeniem można sterować analogowo za pomocą CD4046BE.

Przetwornica była testowana z obciążeniem w okolicach 1-3MOhm. Jej zachowanie dla innego zakresu obciążenia może odbiegać od założeń.

 

Edytowano Czerwiec 16, 2022 przez H1M4W4R1
Implementacja ERRATA w PCB; Notatka dotycząca tranzystorów IRF

[mariusz256]

To mi się bardzo podoba, tzn. wykonane w domu przy użyciu żelazka do prasowania ubrań, a najważniejsze że działa. Ja również podobnie zaczynałem, PCB rysowałem markerem.

[H1M4W4R1]

6 godzin temu, mariusz256 napisał:

To mi się bardzo podoba, tzn. wykonane w domu przy użyciu żelazka do prasowania ubrań, a najważniejsze że działa.

Błąd  to nie żelazko tylko frezarka precyzyjna zbudowana na chińskiej ramie. Stąd taśma dwustronna na wierzchu.

 

[mariusz256]

9 godzin temu, mariusz256 napisał:

najważniejsze że działa

Czemu nie odklejasz tej taśmy?

[H1M4W4R1]

19 godzin temu, mariusz256 napisał:

Czemu nie odklejasz tej taśmy?

Najznamienitszy z powodów czyli zwykłe lenistwo. 

[H1M4W4R1]

Teraz mała aktualizacja  Wreszcie mnie natchnęło (konkretniej promocja z kuponem 8$ na JLCPCB mnie natchnęła) do zamówienia płytek  Trochę nie chciało się lutować... Jakieś pół roku nie lutowałem  Ale dało radę zrobić i przetestować w wersji finalnej, z kilkoma poprawkami:

Schemat urządzenia v1.4

Lista poprawek:

1. Usunięto FeedBack (można go dorobić na osobnej płytce, a w ten sposób trochę lepiej to wygląda.
2. Poprawiono izolację SIG (w pierwotnej wersji schemat był już zaktualizowany, ale na PCB dalej nie było poprawione, by SIG był podwójnie odwrócony, a nie pojedyńczo, by zabezpieczyć wyjście przed przypadkowym strzałem z 500V )

Proces składania

Zaczęło się od lutowania rezystorów, przy czym pomocna była drukarka 3D i dość dawno wydrukowany wichajster do zaginania nóżek  
Nie mogłem znaleźć rezystorów 2k2 w szufladzie, ale 4k7 szybko się nawinęły, różnica rezystancji nie jest na tyle duża by wpłynąć na działanie układu (to głównie PULL_UP'y dla tranzystorów).

Potem tylko trzeba było poskładać komponenty wystające... Czyli najgorszą rzecz do lutowania... Oczywiście scalaków nie lutowałem bezpośrednio, tylko wlutowałem podstawki, co by łatwo można je odzyskać, gdy urządzenie będzie zbędne.

Jakość lutów pozostawia sporo do życzenia... Pół roku przerwy jednak robi swoje. Pozostała kwestia testowania... 

Chciałem uzyskać napięcie wyjściowe ok. 300V (dość mały kondensator wyjściowy, który ma tylko 10nF powoduje spore wahania). Wyszło, że przy 6V częstotliwość sterująca powinna wynosić 28kHz, a wypełnienie 3%.

Jakie może być zastosowanie takiej przetwornicy? Cóż... Jest to element do konstrukcji urządzenia z sektora rozrywkowego, ale opisywanie tej części spotkałoby się z dezaprobatą administracji forum  

PCB, BOM:  Shocky PCB v1.4 EasyEDA.zip

R6 nie został zamontowany, gdyż służy wyłącznie do rozładowywania kondensatora wysokonapięciowego w przypadku braku zwarcia na stykach OUT, ale i tak kondensator dość szybko się rozładowuje.

Diód Zener'a na 100V nie mam w szufladzie, więc w urządzeniu też się nie znalazły.

Edytowano Listopad 18, 2022 przez H1M4W4R1

[Ogyb]

Mi sie to urządzenie podoba jako tester odporności na przepięcia. Łafuję znany kondensator do znanego napięcia i bum w linie zasilania;)

Dlaczego nie stosujesz smd?

[H1M4W4R1]

6 godzin temu, Ogyb napisał:

Mi sie to urządzenie podoba jako tester odporności na przepięcia. Łafuję znany kondensator do znanego napięcia i bum w linie zasilania;)

Tylko stabilność napięcia trochę nie działa  Ale nie miałem pod ręką sensownego kondensatora foliowego...

6 godzin temu, Ogyb napisał:

Dlaczego nie stosujesz smd?

Docelowe urządzenie będzie wielkości... widziałeś urządzenia medyczne z tej klasy? M/w takiej samej  Poza tym THT miałem w szufladzie, a samo urządzenie docelowe ma mieć stylistykę retro na bazie THT ze sterowaniem analogowym przy użyciu przetworników VCO.

No i chciałem, by płytka była możliwa do złożenia przez każdego... SMD jednak jest dość uciążliwe do lutowania (ostatnio używam 0201/ 0402)

Teoretycznie STP5NK50 jest tylko do 500V, ale spokojnie wytrzymuje strzały z 600-650 (mam je ze starej produkcji, jeszcze z zawartością ołowiu)  

Edytowano Listopad 20, 2022 przez H1M4W4R1