Вторая жизнь ионофона на NE555



Добрый день, уважаемые радиолюбители. Несколько лет назад, когда я только начинал увлекаться высоковольтными генераторами и ионофонами я предлагал Вам для повторения схему простого ионофона, реализованного на таймере NE555. Несмотря на работоспособность схемы у неё был ряд недостатков – низкая рабочая частота, небольшое выходное напряжение, низкое качество воспроизведения звука. Сегодня я хотел бы поделиться с Вами обновлённой версией ионофона на NE555.

Данный ионофон на практике собирал под моим руководством на занятиях Григорьев Александр – ученик радиотехнического кружка ОмГТУ.

Итак, схема электрическая принципиальная обновлённого ионофона показана на схеме ниже. В основе данного ионофона так же как и предыдущего лежит генератор, выполненный на основе таймера NE555 (микросхема DD1, отечественный аналог КР1006ВИ1). Частота данного генератора задаётся резисторами R1, R2, конденсатором С3 и при указанных на схеме номиналах составляет примерно 150 кГц [1].

Принципиальная схема.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

Если в режиме непрерывной генерации (режиме мультивибратора) на вывод «5» таймера подать модулирующее напряжение, то на выходе «3» мы получим сигнал модулированный по фазе, что и было использовано в данной схеме для осуществления модуляции. Напряжение модуляции подаётся с любого аудиоустройства через разделительный конденсатор С4. Конденсатор С3выполняет роль однозвенного фильтра высокой частоты, предотвращая её попадание в выходные цепи аудиоустройства.

С выхода данного генератора, модулированный по фазе сигнал, через защитный резистор R3 поступает на вход двухтактного драйвера, реализованного на транзисторах VT1, VT2 и выполняющего роль усилителя тока.

Данный драйвер необходим для эффективного управления силовым ключом VT3, имеющим относительно большую ёмкость затвора. Отсутствие данного драйвера может привести к выходу из строя таймера NE555 при использовании в выходном каскаде транзисторов с высокой ёмкостью затвора (либо, как минимум, к затягиванию фронтов прямоугольного сигнала на затворе со всеми вытекающими последствиями).

С выхода двухтактного драйвера, через цепочку R6, R7, VD2 управляющие импульсы поступают на затвор силового ключа VT3. Резистор R6 в совокупности с ёмкостью затвора VT3 определяют время включения силового ключа VT3. Время же выключения определяется сопротивлением открытого диода VD2, величиной резисторов R6 и R7, а так же ёмкостью затвора VT3.

С одной стороны транзистор VT3 нужно включать и выключать как можно быстрее – это уменьшит потери при переключении, с другой стороны слишком быстрое переключение приведёт к появлению коротких импульсов токопотребления большой величины в цепи затвора, вызванных зарядом и разрядом ёмкости затвора транзистора VT3 [2].

Применение резисторов R6, R7 а так же диода VD2 позволяет независимо установить время включения и выключения полевого транзистора так, что бы потери на переключение были незначительны, но при этом не появлялись значительные импульсы токопотребления при переключении.

Нагрузкой силового ключа VT3 служит высоковольтный трансформатор Tr1.

Цепочка, состоящая из диода VD5, резисторов R8, R9, конденсатора С7 служит для гашения выбросов напряжения на стоке силового ключа при его переключении, а так же для гашения отражённого напряжения. Данную цепочку нужно установить как можно ближе к выводам первичной обмотки трансформатора Tr1.

Диод VD6 предназначен для защиты перехода силового ключа от обратного напряжения т.е. так же выполняет защитную роль.

Диод VD7 предотвращает попадание высоковольтных импульсов в цепи питания выходного каскада ионофона.

Стабилитроны VD3, VD4 защищают цепи затвора от возможных перенапряжений при работе ионофона.

Конденсаторы С1, С2, С6 – дополнительный фильтр питания генератора импульсов и драйвера. Конденсатор С2 необходимо установить как можно ближе к выводам питания микросхемы DD1, а конденсатор С6 как можно ближе к коллекторам транзисторов VT1, VT2.

Супрессорный диод VD1 служит для защиты микросхемы DD1 и драйвера от скачков напряжения по питанию, вызванных наводками на цепи питания.

Конденсаторы С8-С10 – дополнительный фильтр питания выходного каскада ионофона. Конденсатор С10 необходимо установить как можно ближе к диоду VD7, а так же трансформатору Tr1.

Все использованные детали указаны на схеме.

Тем не менее стоит сказать пару слов о трансформаторе Tr1. Данный трансформатор, по сути, является переделанным строчным трансформатором. Для его переделки вторичная высоковольтная обмотка (залитая компаундом) остается штатной, а перематывается лишь первичная обмотка.

Первичная обмотка содержит 25 витков провода диаметром 0.27-0.33 мм. Намотка ведётся одновременно 5-ю проводами для уменьшения скин-эффекта. При сборке трансформатора между половинками сердечника необходимо установить зазор равный 1.2 мм (по 0.6 мм с каждой стороны). На этом предварительное изготовление трансформатора можно считать законченным.

В качестве трансформатора для переделки подходят ТОЛЬКО трансформаторы ТВС т.е. не содержащие в своём составе диодного выпрямителя (соответственно трансформаторы ТДКС для данных целей непригодны).

При работе ионофона на транзисторе VT3 выделяется достаточно большая мощность, поэтому его нужно установить на хороший теплоотвод. В качестве радиатора нами был использован радиатор предназначенный для охлаждения центрального процессора среднестатистического ПК. Кроме того на радиаторы необходимо установить диоды VD5-VD7. Необходимая площадь радиатора данных диодов примерно в 3 раза меньше площади радиатора, необходимого для охлаждения транзистора VT3.

Установка транзисторов VT1, VT2 на радиатор обычно не требуется.

При питании ионофона максимальным напряжением, равным 90-100 Вольт резисторы R8, R9 необходимо установить на небольшом расстоянии от монтажной платы т.к. они так же достаточно сильно нагреваются.

В качестве конденсатора С7 необходимо применить конденсатор, способный работать при высоком нагреве и большой величине реактивной мощности (например керамический КВИ, К15-5, К15У и т.д.). Токовый шунт (резистор R10), необходимый только для настройки ионофона необходимо установить мощностью не менее 5 Вт (лучше 10 Вт для надёжности). Не повторяйте наших ошибок, допущенных при сборе - не ставьте конденсатор С7 впритык к резисторам R8, R9, а так же не ставьте в качестве конденсатора C7 первое что «попалось под руку», иначе результат будет аналогичен показанному на фото ниже.

Фото 1. Фото 2.

Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

Если Вы не собираетесь питать ионофон таким высоким напряжением и ограничитесь напряжением питания 50-60 Вольт, то диоды VD5-VD7 можно заменить на FR607, а резисторы R8, R9 заменить одним резистором сопротивлением 510 Ом мощностью 25 Вт (но при этом выходные параметры ионофона будут несколько скромнее).

Настройка ионофона не представляет сложности. После сборки ионофона и проверки правильности монтажа необходимо подать напряжение питания на генератор сигналов и драйвер, после чего проконтролировать форму сигнала в контрольных точках.

При правильной работе генератора сигналов на соединённых вместе выводах 2 и 6 микросхемы DD1 должен наблюдаться пилообразный сигнал, показанный на фото далее.

Пилообразный сигнал.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

В это же время на выходе 3 микросхемы DD1, а так же затворе силового ключа VT3 должна быть последовательность прямоугольных импульсов, показанная на рисунке далее.

Последовательность прямоугольных импульсов.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

Величина выброса на фронте прямоугольного импульса зависит от паразитной ёмкости и индуктивности монтажа и применённых радиодеталей. В идеальном случае данный выброс должен полностью отсутствовать.

После проверки сигнала в контрольных точках необходимо между выводами высоковольтной обмотки трансформатора Tr1 выставить зазор равный 1-1.5 см, после чего можно подать питание на выходной каскад, зажечь дугу между выводами вторичной обмотки трансформатора и проконтролировать форму сигнала на токовом шунте R10.

При правильном выборе параметров трансформатора Tr1 на токовом шунте должен наблюдаться пилообразный сигнал, увеличивающийся по амплитуде при увеличении длины дуги. Если на токовом шунте сигнал аналогичен показанному на рисунке ниже, то имеет место насыщение сердечника трансформатора на пиках. В этом случае необходимо более точно подобрать величину зазора трансформатора Tr1, а так же количество витков первичной обмотки. Подбор параметров трансформатора Tr1 необходимо производить при максимальном планируемом напряжении питания выходного каскада и средней длине дуги. При этом амплитуда тока стока не должна превышать 5-6 Ампер. В противном случае необходимо применить либо более мощный транзистор, либо снизить напряжение питания.

Сигнал на токовом шунте.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

После настройки параметров трансформатора Tr1 необходимо проконтролировать величину импульсов напряжения на стоке транзистора VT3. Для этого необходимо осциллограф подключить через делитель 1:100 к стоку транзистора относительно общего провода.

На стоке транзистора будут наблюдаться импульсы показанные на рисунке ниже.

Сигнал на стоке транзистора.
Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне

Как видно из рисунка, данный импульс состоит из двух частей – прямоугольной (1), практически равной напряжению питания и выбросу перенапряжения (2). Амплитуда данных импульсов (суммарно для обоих частей) не должна превышать 60-70% от максимального допустимого напряжения сток-исток применённого полевого транзистора. Величина амплитуды выброса зависит от величины резисторов R8, R9.

После настройки ионофона токовый шунт R10 лучше удалить из схемы т.к. выход из строя данного шунта гарантированно выводит из строя силовой ключ VT3, а так же транзисторы драйвера VT1, VT2 (иногда так же выходят из строя стабилитроны VD3, VD4).

На этом настройку ионофона можно считать законченной.

В качестве источника питания ионофона подойдёт любой источник постоянного тока с выходным напряжением 60-100 Вольт, с средним выходным током не менее 2.5-3 Ампер.

В подборке фото ниже показана работа ионофона при проведении испытаний


Несколько фотографий с испытаний ионофона


Фото 1. Фото 2. Фото 3. Фото 4.
Фото 5. Фото 6. Фото 7. Фото 8.
Фото 9. Фото 10. Фото 11. Фото 12.

Кликните на фото для увеличения. Фото откроется в новом окне


В подборке видео ниже показана работа ионофона при напряжении питания 60 Вольт (левое видео) и 100 Вольт (правое видео).


Видео с испытаний ионофона



Нужно учесть, что видео не способно в полной мере передать особенности и качество звучания ионофона. Видео предназначено исключительно для демонстрационных целей.

Так же данный ионофон можно использовать просто в качестве генератора высокого напряжения. Для этого нужно отключить конденсатор С4 от вывода «5» микросхемы DD1, а конденсатор С5 увеличить в 10 раз.

При работе высоковольтного генератора следует избегать длительной работы генератора без зажжённой дуги на вторичной обмотке высоковольтного трансформатора Tr1 т.к. в данном режиме значительно возрастает потребляемый выходным каскадом ток, соответственно и рассеиваемая на всех деталях выходного каскада мощность.

На этом на сегодня всё, с уважением, Андрей Савченко, Григорьев Александр.


Список использованной литературы


1.Параметры NE555.
2. Семенов Б. Ю. Силовая электроника. От простого к сложному. Издание второе.



Поиск по сайту