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
Напряжение на C1 меньше в два раза. Искать один конденсатор с меньшим рабочим напряжением нет смысла, поэтому применим все одинаковые.
Величины емкостей конденсаторов:
C1 = … = C10 = 34∙J∙(K + 2)/U2 = 34∙0,05∙ (10 + 2)/220
Принимаем C1÷С10 = 0,01 мкФ.
По справочнику выбираем наиболее подходящие нам конденсаторы типа К73-14 с номинальным напряжением 10 кВ, емкостью 0,01 мкФ. Их размеры — длина L = 45 мм, диаметр D = 21 мм.
Можно также применить конденсаторы КБГ-П с Uном = 6 кВ такой же емкости. Но их габариты — 75x55x82 мм. Если не найдется именно такая емкость, можно применить 0,015 мкФ, 0,022 мкФ. Диоды выбираем по обратному напряжению:
Uoбp = 2,8∙U2 = 2,8∙2200 = 6160 В.
Так как эти изделия изготавливаются с некоторым запасом надежности, то можно применить диоды с обратным напряжением 6 кВ. Это выпрямительные столбы КЦ105В, КЦ106Б, Д1006, но все же лучше взять столбы с обратным напряжением 7 кВ и более. Это КЦ105Г, КЦ106В, Д1007 и др.
О повышающем трансформаторе питания.
Готовых трансформаторов с нужными нам параметрами найти практически невозможно. Поэтому придется рассчитать и изготовить его собственными силами.
Классический расчет трансформаторов — дело достаточно сложное и запутанное. Причем, выполняя расчет по разным источникам, можно прийти к совершенно не схожим результатам. Трансформаторы промышленного изготовления часто рассчитаны на работу в жестких условиях, рабочая температура их — до 70 °C. Кроме этого, они часто изготавливаются с учетом экономии меди, поэтому их токи холостого хода достаточно велики. Трансформаторы одной и той же габаритной мощности могут иметь разное число витков на вольт, разное сечение сердечников. Это зависит от многих факторов — от марки трансформаторного железа, типа сердечника, толщины ленты или пластин и т. д.
Поэтому здесь приводится упрощенный расчет, пригодный для любых случаев любительской практики. Трансформатор, изготовленный по этим расчетам, не будет очень сильно нагреваться, не будет иметь больших магнитных полей рассеивания.
Итак, в общем случае —
Потребляемая мощность (ватт):
Рпотр = Р1 = Р2 = … = Рn; (7)
Р1 = U1∙J1, Р2 = U2∙J2, …, Pn = Un∙Jn; (8)
— токи, напряжения и мощности потребителей.
Мощность трансформатора:
Рт = Рпотр/K (ватт); (9)
здесь К — коэффициент полезного действия (КПД). Для трансформаторов малой мощности К = 0,7 ÷ 0,8.
Сечение сердечника трансформатора (рис. 4):
Sж = √PT (см2) = А∙В. (10)
Рис. 4.Сечение сердечника трансформатора
Число витков обмотки на один вольт:
N = 50 ÷ 60/Sж (11)
Число витков первичной (сетевой) обмотки:
W1 = N∙UC = N∙U1. (12)
Числа витков вторичных обмоток, учитывая потери на их активных сопротивлениях и другие, увеличиваем на 5 %:
W2= 1,05∙N∙U2;
…. (13)
Wn = 1,05∙N∙Un.
Диаметры обмоточных проводов:
d1 = 0,8∙√J1;
… (14)
dn = 0,8∙√Jn
Ток сетевой (первичной) обмотки:
J1 = JC = PT/UC
Теперь конкретно для нашего случая. Вторичная обмотка нашего трансформатора одна. Рабочий ток, как сказано (выше, мал. Для расчета принимаем J2 = 100 мкА = 0,0001 А, что в 2 раза больше практически замеренного.
Pпотр = P1= J2∙U2 = 0,0001∙2200 = 0,22 Вт
PT = Pпотр/K = 0,22/0,7 = 0.31 Вт
Sж = √PT = √0,31 = 0,6 см.
Расчет показал, что сердечник для трансформатора такой мощности очень мал. На таком сердечнике физически невозможно изготовить сетевой трансформатор. Поэтому при выборе сердечника будем исходить из конструктивных соображений. А соображения таковы, что нам необходимо намотать и разместить на сердечнике две обмотки с довольно большим числом витков. При этом надо иметь в виду, что, чем больше площадь сечения сердечника, тем меньшее число витков потребуется для трансформатора, значит, и изготовить его легче и проще. Это не значит, конечно, что надо брать сердечник, рассчитанный на несколько киловатт и весом несколько десятков килограммов. Подойдут сердечники трансформаторов 20–60 Вт, причем лучше брать П-образные с тем, чтобы обмотки разместить на разных катушках (рис. 5).
Рис. 5.Монтажная схема трансформатора
Это не исключает, разумеется, применения сердечников типа Ш или ШЛ с одним каркасом для обеих обмоток. Просто при намотке надо тщательнее изолировать витки.
Итак, мы выбрали П-образный ленточный сердечник типа ПЛ 16x32x40.
Sж = А∙В = 16∙32 = 512 мм = 5,12 см.
Число витков на 1 В:
N = 50/5,12 = 9,76.
Число витков сетевой обмотки:
W1 = N∙UС = 9,76∙220 = 2147.
Число витков вторичной обмотки:
W2 = 1,05∙N∙U2 = 1,05∙99,76∙2200 = 22545.
Абсолютная точность чисел витков в нашем случае не обязательна.
Принимаем W1 = 2100, W2 = 22000 витков.
Диаметры обмоточных проводов:
d1 = 0,8∙√JC = 0,8∙√(PT/UC) = 0,8 ∙√(0,31/220) = 0,032 мм
d2 = 0,8∙√J2 = 0,8∙√0,0001 = 0,008 мм.
Таких тонких проводов просто не существует. Поэтому диаметры их выбираем опять-таки из конструктивных соображений. Слишком тонкий провод трудно наматывать без специальных станков, слишком толстый не поместится на катушках, размеры которых определяются окном сердечника. Для обеих обмоток возьмем медный обмоточный провод ПЭВ-I диаметром 0,1 мм.
Чтобы быть уверенным, что обмотки разместятся в окне сердечника, площадь которого
Sокна = С∙D = 40∙25 = 1 000 мм2,
проведем грубый проверочный расчет, условно предположив, что провод квадратный со стороной, равной диаметру провода с изоляцией;
d1И = d2И = 0,122 мм (из справочника).
Площадь сечения обмоток:
SО =S01 + S02 = d2n∙(W1 + W2) = 0,122∙(2100 + 22000) = 359 мм2.
Чтобы учесть каркас катушки и изоляционные прокладки, которые тоже займут часть площади окна, умножим результат на 2:
Sкат = SО∙2 = 359∙2 = 718 мм2;
Sокнa>Sкaт. Обмотки размещаются.
Выполнение работы по намотке катушек с таким большим числом витков потребует, конечно, великого терпения. Наматывать надо тщательно виток к витку, не допуская перехлестывания провода. Каждый слой проводов следует изолировать парафинированной (конденсаторной) бумагой или лакотканыо. Если обмотки выполняются на одной катушке, то сначала наматывают сетевую, затем повышающую обмотки. Между обмотками прокладывают несколько (3–4) слоев лакоткани. Выводы обмоток размещают как можно дальше друг от друга. Все это нужно для исключения возможных электрических пробоев.
На схеме рис. 3 S1 — выключатель, FU1 — предохранитель на 0,1 A, R1 — резистор MЛT-I от 5,1 до 10 мОм. Этот резистор нужен для ограничения тока при случайном прикосновении рукой к излучателю, то есть для безопасности. Исключив возможность случайного касания, этот резистор можно не ставить, на работу ионизатора он не влияет.
Если умножитель собирают на малогабаритных элементах, то лучше всего сначала спаять все элементы Навесом, припаять четыре вывода — два к обмотке трансформатора, один — к заземлению, один — к излучателю. Последний должен быть в высоковольтной изоляции. Очень хорош провод, применяемый в системах зажигания автомобилей.
Спаянный умножитель укладывают в подобранную или склеенную специально пластмассовую коробку соответствующих размеров так, чтобы детали не соприкасались между собой. Вывод высоковольтного провода максимально удаляют от остальных выводов. В таком виде все заливают эпоксидной смолой. Конструкция ионизатора в целом — на усмотрение автора. Можно все детали разместить и закрепить в подходящей коробке, выведя наружу сетевой провод, провод заземления, высоковольтный провод и выключатель.
Конструкция № 2