在家进行的高电压实验（二）（我也来点科普）

by guojie on 2月 22, 2008

警示：高压危险！电离辐射危险！

第三步改进（最终版）:

下图所示为最终的高压装置电路图。为了避免在电压峰值出现铁心饱和，用20 kV的高压互感器替换了11 kV高压互感器(PT1 和 PT2)，另外，11kV互感器噪音很大并且在直流输出电压超过130kV时会产生很高的激磁电流。TR1 是一台5kW自耦变压器(260V / 20A)。TR2是已前使用的3kW电力变压器，在实验中采用双150V二次绕组并联接法（在电路图中表示为一个等效绕组）。TR3是中型点引出的500W电力变压器230V原边线圈，作为平衡节点。

高压装置最终版

为了提高电路的耐用性，0.1 A 二极管(KYY 29/155)由0.2 A的替换。新换上的二极管通断速度比旧的二极管快很多（反向恢复时间达到150ns）所以不会产生对线圈的冲击电压。为了减小输出阻抗又向各级设备(C1 到 C8)中添加了若干电容器，整个装置的总储能目前达到了705 J。

现在，电路包含了一套永久的高压测量装置（替换了低压测量装置），高压测量装置由两只高压二极管、一只3nF负载电容、一只1.25 GΩ电阻和一台25μA 电流表。这样测量装置就可以在变压器的副边测量峰值电压，而不用再到原边测量，测量输出电压比测量原边电压更加精确。1.25 GΩ电阻器可以把12.5kV的交流峰值电压或100kV（8×12.5 kV）的直流输出电压（空载）的电流限制在10 μA 。测量装置并不能测量负载条件下的输出电压，计算负载电压需要在空载电压基础上减去压降（输出阻抗乘以负载电流）。不幸的是，我目前还没有足够的高压电阻器建立一个160kV的测量装置。

下面是升级过的元件的参数：

All diodes: 2CLG80KV/0.2A (PIV = 80 kV)

R1 … R16: 2 kΩ / 10 W

R17: 800 kΩ (4 × 200 kΩ / 500 W)

R18: 1.25 GΩ (2×500 MΩ / 20 kV + 200 MΩ / 20 kV + 50 MΩ / 10 kV)

C1 , C2: 0.2 μF (2 × 0.1 μF / 20 kV DC)

C3 , C4: 132 nF (6 × 22 nF / 40 kV DC)

C5 , C6: 88 nF (4 × 22 nF / 40 kV DC)

C7 , C8: 44 nF (2 × 22 nF / 40 kV DC)

C9: 88 nF (4 × 22 nF / 40 kV DC)

C10: 44 nF (2 × 22 nF / 40 kV DC)

C11 , C12: 66 nF (3 × 22 nF / 40 kV DC)

C13 , C14: 1 nF / 40 kV DC / 80 kV peak

C15 , C16: 40 μF / 350 V AC

C17: 20 nF / 67 kV DC / 87 kV peak

C18: 3 nF / 30 kV DC

为了使效率最高，尽量低的输出阻抗可以用给定数量的电容器组合而成，我在设计时遵守了以下原则：

C5 = 2 × C7

C3 = 3 × C7

C1 = 4 × C7

从而：

C6 = 2 × C8

C4 = 3 × C8

C2 = 4 × C8

这种装置结构使交流电流分配比旧的设计更加合理。电容的分配比我最初的设想更加恶劣。让我感到震惊的是我观察到：比如，把C7 和 C8 每只从 44 nF 增加到 66 nF而不改变其他电容值，不仅不会提高效率而且还存在负面效果（使输出阻抗略微增加）。C1 和 C2 的实际电容值（每只0.2 μF）比计算值（176nF）略高。这主要是因为我恰好赶上了一批参数不稳定的0.1 μF / 20 kV 电容器存货。这样，参数较高的电容器略微减小了输出阻抗。

为了弄清电路工作原理，我们可以把它看作四级堆叠在一起的全波整流桥，每一级整流桥的正极与负极都分别与下一级的正、负级相连。流过每只二极管的平均直流电流为高压装置负载电流的一半。每级整流桥的交流电流流经一对电容器馈入，电容器起到通交流隔直流的作用，并在级间产生电压差。电路图所示，C7 和 C8向一级整流桥（连接着高压输出侧的）供电，C5 和 C6 向两级供电，C3 和 C4 向三级供电，以此类推。因为整流桥所需的交流电流是相等的，所以交流电流流过某对馈入电容器的大小，就与该电容器供电的整流桥数成正比。为了得到相同的电压降，每个电容要与流过它的电流相配合。我选用了重型脉冲电容器担任C1 和C2因为它们向所有整流桥供电，需要耐受电路中最高的交流电流。

整流桥的负载电容（从C9 到 C12 以及 C17）几乎仅仅起到了滤波的作用而对输出阻抗影响甚微。它们的电容值并不是最关键的，往往通过给定负载电流的最大电压纹波来确定。由于这些电容要承受相同的动态负荷，所以它们的值应该是相等的。实际设计较理论设计稍作改动，增加了C17 并且把C9 增加到88 nF，这是因为我有时取低级的电流作为低压应用信号，需要提高电流（才保证主电路不受影响）。

我使用下面的简单方法来测量装置的输出阻抗。首先，使用测量装置和VTVM 监视开路电压U0使它调节至40kV（测量装置的最大量程）。然后，关闭电源，电路放电后，测量装置和VTVM替换为电流表，再打开电源。这样测得的电流为短路电流IS 。输出阻抗Z为：

Z = U0 / IS

在这种新结构下，输出阻抗为近似值2.5 MΩ。负载时，在限流电感（800 kΩ）上的电压降约为电路总压降的三分之一，即装置的输出阻抗约1.7 MΩ。上述方法测量输出阻抗离不开限流电阻，因为仅有在负荷中等时装置的伏安关系近似为线性。曲线会在当装置输出电压小于空载电压的三分之一后变平缓。

下面的计算显示高压装置有多强大。在160kV的空载电压下，短路电流为64mA。这导致在四个限流电阻（4×200 kΩ）两端的电压降为51.2 kV。因此，耗散在串联电阻上的功率就达3277W！

下图为最终高压装置的照片：

最终版高压装置

低压侧：

下图是仪器的低压部分的照片。左侧是遥控软启动电路，包括两只继电器和一只大型22Ω绕线电阻器，电阻器用来限制冲击电流。冲击电流在启动时可以达到15A。中间的灰色盒子中装有5kW自耦变压器（260 V / 20 A），为3kW电力变压器（右）提供电源。

低压设备

放电实验装置：

出于好奇，我建立了一个临时的火花间隙，间隙由两根圆柱钢棒组成（见下图）。左侧棒接在高压装置输出端上，右侧棒接地，设定间隙为30 cm (12″)。我慢慢升压，可见的电晕放电首先出现在100kV处，随着电压的进一步增加越来越剧烈。在最高电压（160kV）时，火花放电几乎立刻形成。电弧一直燃烧，直到我为了防止整流设备过热而切断电源。随后我发现整流装置工作于安全区域，因为流过电弧的平均电流得到了限制。伴随负载电压降有60mA电流通过。但是，此负载电流仍然不应该持续很长时间，这是因为电流的交流分量流过电容器对其绝缘造成压力（译者注：此说存疑，似乎应是“电流的交流分量流过电容器，引起电容器发热，热老化破坏电容器绝缘”较为确切）。