Регулируемый источник высокого напряжения

Это самодельный цифровой высоковольтный источник питания с регулируемым выходным напряжением примерно от 500 В до 5 кВ. Дополнительно предусмотрен режим проверки изоляции: измеряется ток через испытуемую нагрузку и по нему рассчитывается её сопротивление. Питается от внешнего блока 12 В с током не менее 2 А. Управление выполняет микроконтроллер ATmega328P, а высокое напряжение формируется импульсным преобразователем на небольшом высоковольтном трансформаторе.

⚠ Внимание: напряжение 5 кВ представляет смертельную опасность. Конструкция должна использоваться только при наличии соответствующей квалификации, изоляции, защиты от случайного прикосновения и безопасной методики работы. Конденсатор на выходе способен сохранять опасный заряд после отключения питания!

Схема питания и управление блоком

Вход 12 В подаётся через предохранитель, защитный диод и фильтр. Дополнительный LCR-фильтр подавляет помехи перед стабилизатором 7805, который формирует 5 В для цифровой части схемы.

Микроконтроллер ATmega328P работает от кварцевого резонатора 16 МГц. Вход AVCC дополнительно фильтруется. Состояние кнопок обрабатывается через RC-цепи, уменьшающие влияние импульсных помех.

Для отображения параметров используется символьный ЖК-дисплей 16 × 2 на контроллере HD44780. Три кнопки позволяют изменять напряжение и выбирать режим измерения.

Формирование высокого напряжения

Силовая часть работает от 12-вольтовой шины и управляется ШИМ примерно на 31 кГц. Сигнал микроконтроллера сначала переводится с уровня 5 В к уровню, необходимому для управления силовым каскадом. Затем транзисторы Q4 и Q5 усиливают ток управления затвором MOSFET Q6.

Q6 коммутирует первичную обмотку высоковольтного трансформатора. Используется небольшой трансформатор от копировальной техники, работающий в обратноходовом режиме. Его высоковольтный выход имеет встроенный диод и заряжает конденсатор ёмкостью 5 нФ на номинальное напряжение 5 кВ.

Между высоковольтным конденсатором и нагрузкой установлен резистор 5,6 кОм. Он ограничивает ток при подключении нагрузки и уменьшает импульс тока при разряде накопленной энергии.

Фазировка трансформатора имеет принципиальное значение: при неверном подключении полярности силовые импульсы будут иметь неправильное направление.

Защита силового преобразователя

Ток через основной MOSFET контролируется шунтом R10 сопротивлением 0,22 Ом. При превышении установленного порога компаратор U2A формирует сигнал перегрузки, который поступает на микроконтроллер. Порог можно устанавливать примерно в диапазоне 1,5–4 А.

Дополнительный компаратор контролирует напряжение шины 12 В и отключает преобразователь при его снижении. Для фильтрации быстрых импульсов на цепи контроля используются RC-компоненты.

Силовой MOSFET установлен на радиаторе и электрически изолирован от него силиконовой прокладкой. В конструкции используется лавинный режим работы транзистора, при этом отдельный внешний ограничитель выбросов от трансформатора не предусмотрен, поэтому выбор MOSFET и режим работы непосредственно связаны с допустимой энергией лавинного пробоя.

Регулирование напряжения

Обратная связь по выходному напряжению поступает на вход АЦП микроконтроллера через высоковольтный резистивный делитель. Общая величина верхнего плеча составляет 120 МОм и набрана несколькими последовательно соединёнными резисторами. Последняя секция на 40 МОм дополнительно экранирована.

Нижнее плечо делителя образовано резистором R25 и конденсатором C20. Такое разделение позволяет уменьшить влияние высоковольтного узла на измерительную часть.

Регулирование выполняется программным ПИД-регулятором. Контур работает примерно на частоте 8 кГц. Большая выходная ёмкость сглаживает импульсную работу преобразователя, однако коэффициенты ПИД-регулятора необходимо подбирать так, чтобы получить устойчивое регулирование без значительного перерегулирования.

Проверка сопротивления изоляции

В отдельном режиме устройство измеряет ток через испытуемую изоляцию. Нагрузка подключается между высоковольтным выходом и входом MEASURE. По измеренному току и установленному испытательному напряжению рассчитывается сопротивление:

R = U / I

Для измерения используются переключаемые шунты R1–R3. Измерительный вход защищён варистором MOV1 и быстродействующим ограничителем на R4, R6 и Q1. Диапазон измерения рассчитан примерно на токи от 50 нА до 1 мА, что соответствует сопротивлениям выше примерно 500 кОм в зависимости от испытательного напряжения.

Защита измерительного входа

При измерении сопротивления изоляции между входом тока и землёй используется газоразрядная трубка на 200 В. Затем сигнал проходит через дифференциальный фильтр на феррите, ограничивающий быстрые изменения тока, и через синфазный фильтр.

Вход GND соединён с экраном корпуса. Высоковольтная измерительная часть и доступные пользователю соединения должны быть физически отделены от низковольтной логики.

Между высоковольтным конденсатором, нагрузкой и измерительной цепью необходимо учитывать не только рабочее напряжение, но и энергию накопленного заряда. Внешняя защитная цепь между J1, J11 и тестируемым объектом является обязательной частью безопасной конфигурации измерительного режима.

Управление и калибровка

Кнопки UP и DOWN изменяют установленное напряжение с шагом 50 В. Возможна установка значения ниже 500 В, но точность в этой области не гарантируется конструкцией в той же степени, что в основном диапазоне.

Кнопка SEL переключает устройство между регулированием напряжения и измерением сопротивления изоляции/тока. Для входа в режим калибровки кнопку SEL удерживают при включении, после чего подтверждают вход повторным нажатием согласно подсказке на дисплее.

Во время калибровки кнопками UP и DOWN изменяется отображаемое значение, а SEL переходит к следующему параметру. Настройки сохраняются во внутренней EEPROM микроконтроллера.

Конструкция и монтаж

Плата выполнена на одностороннем стеклотекстолите с проволочными перемычками и содержит SMD- и THT-компоненты. В высоковольтной и импульсной части особенно важны минимальная длина соединений, правильное размещение фильтров и достаточные расстояния между высоковольтными и низковольтными участками.

Конденсаторы развязки и фильтрации должны располагаться непосредственно возле соответствующих микросхем и силовых узлов. Для уменьшения электромагнитных помех корпус экранируется медной лентой, соединённой с землёй.

Высоковольтная плата размещается в корпусе из АБС-пластика. Экран и проводящие элементы корпуса не должны создавать доступных пользователю участков, находящихся под высоким потенциалом.

Работа в режиме источника

После включения устанавливается требуемое напряжение, а ПИД-регулятор поддерживает его по сигналу обратной связи. Выходное напряжение формируется накоплением энергии в высоковольтном конденсаторе, поэтому при подключении нагрузки возможны переходные процессы.

⚡ Снова напоминаем: ограничение выходного тока силовым каскадом и последовательным резистором нагрузки не означает, что выход безопасен при прикосновении. Даже ограниченный ток при нескольких киловольтах способен вызвать опасное поражение электрическим током!