Малоиндуктивный Высоковольтный Конденсатор. Делаем высоковольтный конденсатор в домашних условиях
Если Вы замыслили построить лазер, ускорительную трубку, генератор электромагнитных
помех или что-нибудь еще в этом роде, то рано или поздно Вы столкнетесь с необходимостью
использовать малоиндуктивный высоковольтный конденсатор, способный развивать нужные Вам
Гигаватты мощности.
В принципе можно попытаться обойтись использованием покупного конденсатора и что-то
близкое к тому, что Вам нужно даже имеется в продаже. Это керамические конденсаторы
типа КВИ-3, К15-4, ряд марок фирм Murata и ТDK, ну и конечно зверь Maxwell 37661
(последний, правда, масляного типа)
Использование покупных конденсаторов, однако имеет свои недостатки.
- Они дороги.
- Они малодоступны (Интернет, конечно, связал людей, но таскать деталюшки с другого конца земного шара несколько напрягает)
- Ну и самое, конечно, главное: они все-равно не обеспечат требуемых Вами рекордных параметров. (Когда речь идет о разряде за десятки и даже единицы наносекунд для питания азотного лазера или получения пучка убегающих электронов из неоткачной ускорительной трубки, ни один Максвелл Вам не в помощь)
По этому гайду мы будем учиться делать самодельный малоиндуктивный высоковольтный
конденсатор на примере платы, предназначенной для использования в качестве драйвера
лампового лазера на красителях. Тем не менее принцип является общим и с его
использованием Вы сможете строить конденсаторы в частности (но не ограничиваясь)
даже для питания азотных лазеров.
I. РЕСУРСЫ
II. СБОРКА
Когда проектируется устройство, требующее малоиндуктивного питания, думать надо о
конструкции в целом, а не отдельно о конденсаторах, отдельно о (например) лазерной
головке и т.д. В противном случае токоведущие шины сведут на нет все преимущества
малоиндуктивного дизайна конденсаторов. Обычно конденсаторы являются органичной
составной частью подобных устройств и именно поэтому примером будет служить плата
драйвера лазера на красителях.
Блажен тот самодельщик, вокруг которого валяются листы стеклопластика и оргстекла.
Мне же приходится использовать кухонные разделочные доски, продающиеся в магазине.
Возьмите кусок пластика и обрежьте в размер будущей схемы.
Идея схемы примитивна. Это два конденсатора, накопительный и обострительный,
включенные через разрядник по схеме с резонансной зарядкой. Детально разбираться
с работой схемы здесь мы не будем, наша задача тут - сосредоточиться на сборке
конденсаторов.
Определившись с размерами будущих конденсаторов отрежьте кусочки алюминиевого
уголка по размерам будущих контакторов. Уголки тщательно обработайте по всем
правилам высоковольтной техники (скруглите все углы и затупите все острия).
Закрепите выводы будущих конденсаторов на получающейся "печатной плате".
Смонтируйте те части схемы, которые, если их не собрать сейчас, потом могут
помешать сборке конденсаторов. В нашем случае это соединительные шины и разрядник.
обратите внимание, малая индуктивность при установке разрядника принесена в жертву удобству регулировки. В данном случае это оправдано, поскольку собственная индуктивность (длинной и тонкой) лампы заметно больше индуктивности цепи разрядника, а кроме того лампа по всем законам черного тела не будет светить быстрее чем sigma*T^4, какой бы быстрой цепь питания ни была. Укоротить можно только фронт, но не весь импульс. С другой стороны, при конструировании, например, азотного лазера так вольно крепить разрядник Вы уже не станете.
Следующим этапом надо нарезать фольгу и, возможно, ламинат-пакеты (если только
размер конденсатора не предполагает использование полного формата пакета, как в
случае накопительного конденсатора на рассматриваемой плате.)
Несмотря на то, что ламинирование в идеале происходит герметично и пробой по
закраинам должен быть исключен, не рекомендуется делать закраины (размер d на
рисунке) менее чем по 5 мм на каждые 10 кВ рабочего напряжения.
Закраины размером по 15 мм на каждые 10 кВ напряжения обеспечивают более-менее
стабильную работу даже без герметизации.
Размер выводов (размер D на рисунке) выбирайте равным предполагаемой толщине
стопы будущего конденсатора с некоторым запасом. Углы фольги, естественно,
должны быть скруглены.
Начнем с пикового конденсатора. Вот как выглядят заготовки и готовая,
заламинированная обкладка:
Для пикового конденсатора взят ламинат толщиной 200 мкм, поскольку за счет
"резонансной" зарядки здесь ожидается наброс напряжения под 30 кВ.
Заламинируйте необходимое количество обкладок (в нашем случае 20 шт.).
Сложите их стопкой (выводами поочередно в разные стороны). У полученной
стопки подогните выводы (при необходимости излишки фольги надо обрезать),
уложите стопку в гнездо, образованное уголковыми контакторами на плате
и прижмие верхней крышкой.
Фетишисты закрепят верхнюю крышку аккуратными болтиками, но можно и просто
примотать изолентой. Пиковый конденсатор готов.
Сборка накопительного конденсатора ничем принципиально не отличается.
Меньше работы ножницами, поскольку используется полный формат А4.
Ламинат здесь выбран толщиной 100 мкм, поскольку планируется использовать
зарядное напряжение 12 кВ.
Точно так же собираем в стопку, подгибаем выводы и прижимаем крышкой:
Кухонная досточка с подрезанной ручкой выглядит, конечно злостно, но
функциональности не нарушает. Надеюсь, что у Вас с ресурсами проблем
будет меньше. Да и вот еще что: если в качестве основания и крышки
надумаете использовать деревяшки, их придется серьезно подготовить.
Первое - хорошенько просушить (лучше при повышенной температуре).
И второе - герметично пролакировать. Уретановым или виниловым лаком.
Дело здесь не в электропрочности и не в утечках. Дело в том, что
когда поменяется влажность деревяшки изогнет. Во-первых это нарушит
качество контакта и удлинит время разряда конденсаторов. Во-вторых,
если как здесь поверх этой платы предполагается монтировать лазер,
его тоже изогнет со всеми вытекающими последствиями.
Загибая выводы не забудьте проложить по дополнительному слою изоляции. А то в самом
деле: обкладки друг от друга отделены двумя слоями диэлектрика, а выводы от обкладки
противоположной полярности - только одним.
Посмотрим, что у нас получилось. Воспользуемся мультиметром со
встроенным измерителем емкости.
Вот что показывет накопительный конденсатор.
А вот что показыват пиковый конденсатор.
Вот, собственно и все. Конденсаторы готовы, тема гайда исчерпана.
Однако, вероятно не терпится опробовать их в деле. Доделываем недостающее
части схемы, устанавливаем лампу, подключаем к источнику питания.
Вот как это выглядит.
Вот осциллограмма, тока, снятая небольшим колечком провода, непосредственно
подключенным к осциллографу и расположенным вблизи контура, питающего лампу. Правда вместо лампы схема была нагружена на шунт.
А вот осциллограмма вспышки лампы, снятая фотодиодом ФД-255, направленным
на ближайшую стену. Рассеянного света вполне хватает. Правильней даже сказать "более чем."
Можно долго ругать плохо получившиеся кондесаторы и искать причину, почему
разряд длится более 5 мкс... На самом деле лампа вспышка вываливает кучу
мегаватт и даже рассеяным от стен светом загоняет фотодиод в глубокое насыщение.
Унесем фотодиод подальше. Вот осциллограмма снятая с 5 метров, когда фотодиод
смотрит не точно на лампочку, а чуть в сторону от нее.
Время нарастания точно определить сложно из-за помех, однако видно, что оно
составляет порядка 100 нс и хорошо согласуется с длительностью
полупериода тока.
Оставшийся хвост в световом импульсе - свечение медленно остывающей плазмы.
Полная длительность - под 1 мкс.
Хватит ли этого для лазера на карасителе? Это отдельный вопрос. Вообще обычно
такого импулсьса более чем хватает, но тут все зависит от красителя (насколько
он чист и хорош), от кюветы, осветителя, резонатора и т.п. Если мне удастся
получить генерацию на одном из имеющихся в продаже флуоресцентных маркеров -
тогда будет отдельный гайд по самодельному лазеру на красителях.
(ЗЫ) Пришлось добавить еще 30 нФ в главный накопительный конденсатор и действительно хватило. Труба, фотку которой можно найти тут же в разделе "Фотки" заработала даже лучше чем от двухмаксвелльного ГИН"а.
Вообще время разряда в 100 нс отнюдь не предел для описанной технологии
создания конденсаторов. Вот фото конденсатора с которым устойчиво работает
в режиме сверхизлучения воздушный откачной азотный лазер:
Время его разряда уже за пределами возможностей моего осциллографа, однако то, что азотник с этим конденсатором эффективно генерит уже при 100 мм.рт.ст. позволяет оценить время разряда в 20 нс и менее.
III. ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ. БЕЗОПАСНОСТЬ
Сказать, что такой конденсатор опасен - это ничего не сказать. Электрический
удар от такой емкости также смертелен, как КАМАЗ, летящий на Вас со скоростью
160 км/ч. Относиться к этому конденсатору нужно с таким же уважением, как к
оружию или взывчатке. При работе с такими конденсаторами применяйте все возможные
меры безопасности и, в частности дистанционное включение и выключение.
Предугадать все опасные ситуации и дать рекомендации, как в них не попасть,
попросту невозможно. Будьте осторожны и думайте головой. Знаете, когда кончается
карьера сапера? Когда он перестает бояться. Именно в тот самый момент, когда он
становится "на ты" с взрывчаткой, ему сносит бошку.
С другой стороны миллионы людей ездят по дорогам с КАМАЗами и тысячи саперов
ходят на работу и остаются живы. Пока Вы осторожны и думаете головой, все будет
в порядке.
Маечный конденсатор
Этот тип конденсатора получил свое название за сходство формы обкладок с пакетом "майка".
Индуктивность этого конденсатора больше чем у кондера описанного выше или конфетного , но он вполне пригоден для использования в СО2-шке или ГИНе. С трудом заводит краситель а для азотника не подойдет.
Материалы понадобятся те же что и в гайде выше: майларовая пленка(или пакеты для ламинирования), алюминиевая фольга и скотч/изолента.
На схеме ниже обозначены размеры основных зазоров.
L - длинна диэлектрика
D - ширина диэлектрика
R - внешний радиус конденсатора
Зазоры от краев диэлектрика по 15мм. С той стороны, где выходят контактные полосы обкладок отступ 50мм. Эти отступы сделаны минимально возможными для максимальной емкости при заданных L и D диэлектрика. Обратите внимание, эти зазоры подобраны для 10кВ. (Я сомневаюсь, что имеет смысл делать такой тип конденсатора для более высоких напряжений, поэтому я не буду писать здесь формулы для пересчета отступов и зазоров для других напряжений)
Расстояние между выводами обкладок - 30мм. Этот зазор тоже взят минимально возможным для 10кВ. Увеличение данного зазора сделает выводы слишком узкими - увеличится индуктивность конденсатора.
Изготовление
Маечный конденсатор готов. Можете устанавливать его ваш лазер, ГИН или другой высоковольтный девайс.
Электрическая емкость земного шара, как известно из курса физики, составляет примерно 700 мкФ. Обычный конденсатор такой емкости можно сравнить по весу и объему с кирпичом. Но есть и конденсаторы с электроемкостью земного шара, равные по своим размерам песчинке - суперконденсаторты.
Появились такие приборы сравнительно недавно, лет двадцать назад. Их называют по-разному: ионисторами, иониксами или просто суперконденсаторами.
Не думайте, что они доступны лишь каким-то аэрокосмическим фирмам высокого полета. Сегодня можно купить в магазине ионистор размером с монету и емкостью в одну фараду, что в 1500 раз больше емкости земного шара и близко к емкости самой большой планеты Солнечной системы - Юпитера.
Любой конденсатор запасает энергию. Чтобы понять, сколь велика или мала энергия, запасаемая в ионисторе, важно ее с чем-то сравнить. Вот несколько необычный, зато наглядный способ.
Энергии обычного конденсатора достаточно, чтобы он мог подпрыгнуть примерно на метр-полтора. Крохотный ионистор типа 58-9В, имеющий массу 0,5 г, заряженный напряжением 1 В, мог бы подпрыгнуть на высоту 293 м!
Иногда думают, что ионисторы способны заменить любой аккумулятор. Журналисты живописали мир будущего с бесшумными электромобилями на суперконденсаторах. Но пока до этого далеко. Ионистор массой в один кг способен накопить 3000 Дж энергии, а самый плохой свинцовый аккумулятор - 86 400 Дж - в 28 раз больше. Однако при отдаче большой мощности за короткое время аккумулятор быстро портится, да и разряжается только наполовину. Ионистор же многократно и без всякого вреда для себя отдает любые мощности, лишь бы их могли выдержать соединительные провода. Кроме того, ионистор можно зарядить за считаные секунды, а аккумулятору на это обычно нужны часы.
Это и определяет область применения ионистора. Он хорош в качестве источника питания устройств, кратковременно, но достаточно часто потребляющих большую мощность: электронной аппаратуры, карманных фонарей, автомобильных стартеров, электрических отбойных молотков. Ионистор может иметь и военное применение как источник питания электромагнитных орудий. А в сочетании с небольшой электростанцией ионистор позволяет создавать автомобили с электроприводом колес и расходом топлива 1-2 л на 100 км.
Ионисторы на самую разную емкость и рабочее напряжение есть в продаже, но стоят они дороговато. Так что если есть время и интерес, можно попробовать сделать ионистор самостоятельно. Но прежде чем дать конкретные советы, немного теории.
Из электрохимии известно: при погружении металла в воду на его поверхности образуется так называемый двойной электрический слой, состоящий из разноименных электрических зарядов - ионов и электронов. Между ними действуют силы взаимного притяжения, но заряды не могут сблизиться. Этому мешают силы притяжения молекул воды и металла. По сути своей двойной электрический слой не что иное, как конденсатор. Сосредоточенные на его поверхности заряды выполняют роль обкладок. Расстояние между ними очень мало. А, как известно, емкость конденсатора при уменьшении расстояния между его обкладками возрастает. Поэтому, например, емкость обычной стальной спицы, погруженной в воду, достигает нескольких мФ.
По сути своей ионистор состоит из двух погруженных в электролит электродов с очень большой площадью, на поверхности которых под действием приложенного напряжения образуется двойной электрический слой. Правда, применяя обычные плоские пластины, можно было бы получить емкость всего лишь в несколько десятков мФ. Для получения же свойственных ионисторам больших емкостей в них применяют электроды из пористых материалов, имеющих большую поверхность пор при малых внешних размерах.
На эту роль были перепробованы в свое время губчатые металлы от титана до платины. Однако несравненно лучше всех оказался… обычный активированный уголь. Это древесный уголь, который после специальной обработки становится пористым. Площадь поверхности пор 1 см3 такого угля достигает тысячи квадратных метров, а емкость двойного электрического слоя на них - десяти фарад!
Самодельный ионистор На рисунке 1 изображена конструкция ионистора. Он состоит из двух металлических пластин, плотно прижатых к «начинке» из активированного угля. Уголь уложен двумя слоями, между которыми проложен тонкий разделительный слой вещества, не проводящего электроны. Все это пропитано электролитом.
При зарядке ионистора в одной его половине на порах угля образуется двойной электрический слой с электронами на поверхности, в другой - с положительными ионами. После зарядки ионы и электроны начинают перетекать навстречу друг другу. При их встрече образуются нейтральные атомы металла, а накопленный заряд уменьшается и со временем вообще может сойти на нет.
Чтобы этому помешать, между слоями активированного угля и вводится разделительный слой. Он может состоять из различных тонких пластиковых пленок, бумаги и даже ваты.
В любительских ионисторах электролитом служит 25%-ный раствор поваренной соли либо 27%-ный раствор КОН. (При меньших концентрациях не сформируется слой отрицательных ионов на положительном электроде.)
В качестве электродов применяют медные пластины с заранее припаянными к ним проводами. Их рабочие поверхности следует очистить от окислов. При этом желательно воспользоваться крупнозернистой шкуркой, оставляющей царапины. Эти царапины улучшат сцепление угля с медью. Для хорошего сцепления пластины должны быть обезжирены. Обезжиривание пластин производится в два этапа. Вначале их промывают мылом, а затем натирают зубным порошком и смывают его струей воды. После этого прикасаться к ним пальцами не стоит.
Активированный уголь, купленный в аптеке, растирают в ступке и смешивают с электролитом до получения густой пасты, которой намазывают тщательно обезжиренные пластины.
При первом испытании пластины с прокладкой из бумаги кладут одна на другую, после этого попробуем его зарядить. Но здесь есть тонкость. При напряжении более 1 В начинается выделение газов Н2, О2. Они разрушают угольные электроды и не позволяют работать нашему устройству в режиме конденсатора-ионистора.
Поэтому мы должны заряжать его от источника с напряжением не выше 1 В. (Именно такое напряжение на каждую пару пластин рекомендовано для работы промышленных ионисторов.)
Подробности для любознательных
При напряжении более 1,2 В ионистор превращается в газовый аккумулятор. Это интересный прибор, тоже состоящий из активированного угля и двух электродов. Но конструктивно он выполнен иначе (см. рис. 2). Обычно берут два угольных стержня от старого гальванического элемента и обвязывают вокруг них марлевые мешочки с активированным углем. В качестве электролита употребляется раствор КОН. (Раствор поваренной соли применять не следует, поскольку при ее разложении выделяется хлор.)
Энергоемкость газового аккумулятора достигает 36 000 Дж/кг, или 10 Вт-ч/кг. Это в 10 раз больше, чем у ионистора, но в 2,5 раза меньше, чем у обычного свинцового аккумулятора. Однако газовый аккумулятор - это не просто аккумулятор, а очень своеобразный топливный элемент. При его зарядке на электродах выделяются газы - кислород и водород. Они «оседают» на поверхности активированного угля. При появлении же тока нагрузки происходит их соединение с образованием воды и электрического тока. Процесс этот, правда, без катализатора идет очень медленно. А катализатором, как выяснилось, может быть только платина… Поэтому, в отличие от ионистора, газовый аккумулятор большие токи давать не может.
Тем не менее, московский изобретатель А.Г. Пресняков (http://chemfiles.narod .r u/hit/gas_akk.htm) успешно применил для запуска мотора грузовика газовый аккумулятор. Его солидный вес - почти втрое больше обычного - в этом случае оказался терпим. Зато низкая стоимость и отсутствие таких вредных материалов, как кислота и свинец, казалось крайне привлекательным.
Газовый аккумулятор простейшей конструкции оказался склонен к полному саморазряду за 4-6 часов. Это и положило конец опытам. Кому же нужен автомобиль, который после ночной стоянки нельзя завести?
И все же «большая техника» про газовые аккумуляторы не забыла. Мощные, легкие и надежные, они стоят на некоторых спутниках. Процесс в них идет под давлением около 100 атм, а в качестве поглотителя газов применяется губчатый никель, который при таких условиях работает как катализатор. Все устройство размещено в сверхлегком баллоне из углепластика. Получились аккумуляторы с энергоемкостью почти в 4 раза выше, чем у аккумуляторов свинцовых. Электромобиль мог бы на них пройти около 600 км. Но, к сожалению, пока они очень дороги.
Любители разных высоковольтных опытов часто сталкиваются с проблемой, когда бывает необходимо использовать высоковольтные конденсаторы. Как правило, такие конденсаторы очень сложно найти, а если и удастся, то придется заплатить за них немало денег, что по силам отнюдь не каждому. Помимо этого политика нашего сайта просто не позволит вам тратить средства на покупку того, что можно самому изготовить, не выходя из дому.
Как вы уже догадались, данный материал мы решили посвятить сборке высоковольтного конденсатора, чему также посвящен авторский видеоролик, который мы предлагаем вам посмотреть перед началом работы.
Что же нам понадобится:
- нож;
- то, что мы будем использовать в качестве диелектрика;
- пищевая фольга;
- прибор для измерения емкости.
Сразу отметим, что в качестве диелектрика автор самодельного конденсатора использует самые обычные самоклеющиеся обои. Что касается прибора для измерения емкости, то его использование не обязательно, поскольку предназначен этот прибор только для того, чтобы в конце можно было узнать, что получилось в итоге. С материалами все ясно, можно приступать к сборке самодельного конденсатора.
Первым делом отрезаем два куска от самоклеющихся обоев. Нужно примерно полметра, однако желательно, чтобы одна полоска получилась чуть длиннее другой.
Получившийся лист фольги режим ровно на две части по длине.
Следующим делом кладем на ровную поверхность один кусок обоев, на который аккуратно кладем один кусок пищевой фольги. Фольге нужно класть так, чтобы по трем краям получился зазор примерно в сантиметр. С четвертой стороны фольга будет выпирать, что вполне нормально на этом этапе.
Сверху кладем второй лист обоев.
На нем кладем второй лист фольги. Только на этот раз делаем так, чтобы выступала фольга с противоположной предыдущему шагу стороне. То есть, если у автора первый кусок выступал снизу, то на этот раз он должен выступать сверху. Отдельно следует отметить, что листы фольги не должны касаться друг друга.
Теперь с одного края снимаем подложку и проклеиваем наш конденсатор.