Laser Kids
ENG

. : Малоиндуктивный Высоковольтный Конденсатор : .

 

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)
capasitors

Использование покупных конденсаторов, однако имеет свои недостатки.

  1. Они дороги.
  2. Они малодоступны (Интернет, конечно, связал людей, но таскать деталюшки с другого конца земного шара несколько напрягает)
  3. 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.

  • несколько кусков пластика, подходящего размера, которые будут использоваться в качестве основания и крышки конденсатора (по сути его корпуса)
  • несколько кусков алюминиевого уголка или швеллера, из котороого будут делаться токоведущие шины
  • пакеты для ламинирования
    laminate_pouches
    приобретая пачку пакетов для ламинирования внимательно прочитайте описание (текст мелкими буквами). Если встретите слова 'polyester' или 'nylon' берите смело - это и есть майлар, самый высоковольтный из доступных в быту диэлектриков. Если этих слов нет, то скорее всего это тоже майлар (ибо изза высокой температуры прогрева при ламинировании, трудно сделать ламинат-пакеты из чего либо кроме майлара) но тут без гарантий.
    для напряжений выбирайте толщину пакетов
    до 10 кВ 60..80 мкм
    10..15 кВ 100 мкм
    20..25 кВ 150 мкм
    25..32 кВ 200 мкм
    на напряжения свыше 35 кВ и до 50 кВ выбирайте самые толстые (200 мкм) ламинат-пакеты и при сборке конденсатора не забудьте проложить необходимое количество слоев дополнительный слой изоляции.
    Не пытайтесь сделать конденсатор на напряжение более 50 кВ - эмиссия с тонких краев фольги сделает бессмысленными попытки подбора необходимой изоляции. Здесь необходимо либо использовать в качестве обкладок алюминиевый лист зримой толщины, либо соединять несколько конденсаторов последовательно, либо городить схему Аркадьева-Маркса
  • бытовая алюминиевая фольга По понятным (из предыдущего абзаца) причинам, чем толще используется фольга, тем надежнее и высоковольтнее получится конденсатор. К сожалению промышленность год от года учится делать фольгу все тоньше и силой насаждает точку зрения, что 6 мкм вполне достаточно, чтобы завернуть курицу. Самая толстая 'особо прочная' фольга, которую сейчас удается найти в пищевых магазинах имеет толщину 16 мкм. Ее и будем использовать. Если под рукой имеется более толстая фольга - тем лучше
  • офисный ламинатор
    Основное требование к ламинатору - он должен быть способен работать с той толщиной
    и размером пакетов, которую Вы выбрали.
    laminator
  • прочий мелкий слесарный инструмент и крепеж.

 

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.
board_before board_after

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.
circuit

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).
board_with_angles

Закрепите выводы будущих конденсаторов на получающейся "печатной плате".
angles_mounted_on_board1 angles_mounted_on_board2

Смонтируйте те части схемы, которые, если их не собрать сейчас, потом могут помешать сборке конденсаторов. В нашем случае это соединительные шины и разрядник.
board_with_circuits

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.)
foils

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:
zagotovki_and_ready

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.
sborka01 dir sborka02
sborka03 dir sborka04

Фетишисты закрепят верхнюю крышку аккуратными болтиками, но можно и просто примотать изолентой. Пиковый конденсатор готов.
peaker_ready

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:
sborka05 dir sborka06
sborka07 dir sborka08

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.
storage_capacity

А вот что показыват пиковый конденсатор.
peaking_capacity

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.
all_done flashing

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.
dye_shortened

А вот осциллограмма вспышки лампы, снятая фотодиодом ФД-255, направленным на ближайшую стену. Рассеянного света вполне хватает. Правильней даже сказать "более чем."
oscillogram_2

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.
oscillogram_3

Время нарастания точно определить сложно изза 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:
the_fast_one

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.

cap_scheme
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 заданых 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)

Длинна верхней обкладки(та что будет заворачиваться во внутрь) на величину deltaL короче нижней. Это нужно для компенсации смещения слоев при сворачивании. Этот зазор можно расчитать по формуле:

deltaL = 2*pi*n*(delta+x) или deltaL = L*(delta+x)/<R>

где x - толщина фольги;
delta - толщина диэлектрика;
n - количество оборотов;
<R> - средний радиус намотки(среднее арифметичкое внутреннего и внешнего радиуса).
averR

Например, для описываемого ниже конденсатора: delta=0.125мм; x=0.02мм; L=300мм; <R>=4.5мм.
И тогда deltaL=300*(0.125+0.02)/4.5=9.66мм - т.е. примерно 10мм.

Для оценки <R> можно попробовать сделать пробную скрутку без обкладок.

Расстояние между выводами обкладок - 30мм. Этот зазор тоже взят минимально возможным для 10кВ. Увеличение данного зазора сделает выводы слишком узкими - увеличится индуrтивность конденсатора.

 

Изготовление

  1. Возьмите лист майлара(размеров А4) или один пакет для ламинирования. Убедитесь что толщина диэлектрика не больше 100мкм (125 или 150мкм будет в самый раз)
    lam_pocket

    Если вы используете листовой диэлектрик, то вырежте лист вдвое большего размера и сложите его пополам, как показано на схеме ниже.
    mylar
  2. Используя токо-непроводящюю рисовалку (НИ ВКОЕМ СЛУЧАЕ НЕ КАРАНДАШ!!) нанесите разметку. Отступы: 50мм с края противоположного шву/сгибу пакета, там где будут выходить контактные полосы; остальные края по 15мм.
    marking
  3. Разметьте и вырежте первую обкладку конденсатора как показано на схеме ниже. Размеры берутся исходя из размеров диэлектрика L и D(размечая узкую часть обкладки, ту которая будет использоваться для вывода, берите длинну с запасом, так чтобы потом хватило еще на пару-тройку оборотов полсле сворачивания кондера):
    1electrode
    На фото это выглядит так:
    foil1
  4. Разметьте и вырежте вторую обкладку конденсатора по схеме ниже. Размеры берутся исходя из размерв диэлектрика L и D:
    2electrode
    На фото, для нагляднсти, обкладки наложены друг на друга, что бы было видно что одна короче другой:
    foil2
  5. Вложите первую обкладку внутрь пакета по разметке. Контактным выводом в сторону, противоположную от шва/сгиба пакета.
    foil_inside1
  6. Сверху этого бутерброда положите вторую обкладку как показано на фото. Получится нечто похожее на майку.
    foil_inside2
  7. Со стороны противоположной выводам обкладок заклейте изолентой верхней обкладки. Более нигде и ничего приклеивать не нужно.
    foil_w_adhesive_tape
  8. Сверните этот бутерброд как можно плотнее. Закручивайте так, чтобы верхняя(укороченая) обкладка оказалась внутри конденсатора. Зафиксируйте смотаный конденсатор небольшим кусочком изоленты.
    cap_twisted
  9. Закрутите торчащие выводы обкладок. И замотайте изолентой конденсатор, оставив свободными только выводы.
    cap_ready
  10. Измерьте емкость конденстора. И убедитесь что получили желаемое.

    ВНИМАНИЕ: перед тем как тыкать в конденсатор тестером убедитесь что конденсатор разряжен, даже если этот кондер еще ни разу не заряжался(он мог зарядится от статики).

    capacitance_measurement

Маечный конденсатор готов. Можете устанавливать его ваш лазер, ГИН или другой высоковольтный девайс.

 

<< ГЛАВНАЯ СТРАНИЦА