Fonte de alta tensão

Digital
 (0 a +40 kV)


Um dos problemas que encontrei em meus experimentos com alta tensão é o fato de que a repetibilidade das fontes de alta voltagem é baixa quando se quer fazer qualquer medida mais "séria". As máquinas eletrostáticas são muito suscetíveis às condições ambientais (umidade) e portanto não são confiáveis se o que desejamos é realizar medições reproduzíveis. A razão da baixa repetibilidade das máquinas eletrostáticas é fundamentalmente originada nas correntes de fuga variáveis que ocorrem por efeito corona. A foto abaixo, tirada de minha terceira máquina de Wimshurst em um dia com 55% de umidade relativa revela descargas parciais entre os setores (manchas azuladas) quando o potencial gerado atinge um determinado valor. Isto limita a voltagem máxima de saída da máquina, mas mais do que isto,  faz com que a máquina funcione diferente com alterações da umidade do ar.


    


Um outro problema inerente ao emprego das máquinas eletrostáticas em medições é o fato de que não se consegue ajustar sua voltagem de saída de forma simples e confiável. A única forma de se obter uma voltagem inferior à máxima que a máquina produz é aproximando os terminais de descarga para que ocorram descargas (faíscas) com potenciais menores ou então colocando materiais maus isolantes (madeira, materiais contaminados levemente com negro de fumo) entre seus terminais, mas isto não é prático nem confiável.


Por outro lado, o uso de fontes baseadas em flybacks, como as que construí, apesar de superarem estes problemas, também apresentam grandes variações na tensão de saída em função da carga nelas aplicada, e na verdade não apresentam um potencial realmente contínuo na saída, mas pulsos de alta frequência integrados pela capacitância parasita na construção do flyback, ou seja, potenciais de tensão contínua com ondulação que muda conforme a carga.  Além disto precisam de um multimetro externo com uma ponteira de alta tensão ligada à saída para se saber realmente qual a tensão de saída que está sendo gerada com alguma exatidão.


Decidi então projetar e construir uma fonte de alta tensão que fosse confiável e que permitisse gerar tensões estabilizadas e com uma corrente de saída maior que a obtida com um flyback. Minha fonte usa dois flyback com o secundário ligado em paralelo, sendo o primário dos mesmos excitado em contrafase, ou seja, cada um deles recebe um impulso defasado 180º do outro. Com isto dobro a energia de saída, ou seja, com o mesmo potencial de uma fonte com um flyback obtenho o dobro da corrente de saída. Isto permite obter uma tensão de saída com menor variação sem ter que fazer os flyback trabalharem em frequências de operação maiores, ou seja, dobra-se a taxa de carga do capacitor na alta tensão e por conseguinte diminui-se a variação da mesma.


Para uma operação confiável optei por utilizar um esquema de realimentação tomando uma amostra da tensão de saída obtida no terminal de saida para screen que os flybacks tem já disponível. Com isto escapo de utilizar resistores externos de alto valor e com os consequentes problemas de fuga que podem acontecer. Nos testes que fiz a tensão de saída no terminal de foco do flyback é muito alta, da ordem de 5 kV, inadequado portanto para meu circuito, além de apresentar o inconveniente de que ao ser carregado diminuia a tensão máxima obtida no terminal de alta tensão. Por esta razão usei o terminal que normalmente alimenta a grade de controle do tubo (screen) para amostrar a tensão de saída. O terminal de
saída de screen é um fio vermelho mais fino que o de alta tensão e o de foco, sendo de fácil identificação.



Algumas soluções diferentes das que encontrei na WEB foram implementadas:

1) A implementação de uma fonte de corrente constante, usando um LM317, assegura um preciso ajuste da corrente de base das chaves (transistores) de saída. Com os valores indicados no esquema a corrente de base é de 0,5 A.
2) A fonte de tensão para as chaves / flyback é ajustavel eletronicamente baseada em uma leitura digital. O computador lê o sinal do conversor A/D 1, de 8 bits (ADC0831) que amostra a tensão de saída da tomada de corrente para a grade screen dos flyback e compara com o valor selecionado para a tensão de saída. Se existe diferença entre a tensão programada e a real, um ajuste por software em passos pequenos é feito e enviado ao D/A de 12 bits, que a sua vez corrige a tensão de referência do comparador IC4 no driver. Com isto consegui uma excelente estabilidade de longo prazo para a voltagem da fonte.
3) Usei dois enrrolamentos separados (TR3) para alimentar o driver e a parte de potência. Com isto reduzi bastante o ruído que surge por conta do chaveamento e por conseguinte um sinal DC mais limpo na saída da fonte.
O circuito da parte de alta tensão e controle de minha fonte pode ser visto clicando aqui.

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Decidi contruir a parte de controle usando um microcontrolador para poder controlar remotamente minha fonte, poder realizar medições e variar a tensão de saída com o tempo de forma programável, etc. Para tal fim elegí o Basic Stamp 2E da Parallax, que é fácil de programar e conheço bem. O computador que implementei tem uma interface serial bidirecional, através da qual posso controlar a minha fonte por meio de um PC. Isto permite que se possa programar rampas com declividade variável, subida da tensão em degraus, etc. Pensei em aplicações como determinar precisamente a tensão de ruptura de materiais, por exemplo.
O basic stamp é acessado através de uma porta serial à 9600/N/I tanto para programação como para controle. Ele controla três shift register (IC1,IC3,IC4) que possibilitam a operação dos displays LCD e à LED.

O circuito do computador que controla a fonte está aqui.


 A montagem dos circuitos foi feita em placas universais adquiridas no comércio. Não valia a pena confeccionar placas impressas pois em princípio não pretendo construir esta fonte em escala. Mas deu bastante trabalho!  As fotos abaixo mostram como ficou a montagem das placas e o emaranhado de fios necessário.




Esquerda da foto: microcontrolador e periféricos. À direita: driver e fonte de alimentação. Na parte superior da foto pode-se ver os displays LCD e à LED do painel frontal. Tive que colocar uma placa metálica (verde, ao fundo) isolando a parte de potência do circuito de controle para não ter problemas de ruído causado pelo intenso campo elétrico quando a tensão se saída é maior que 15 kV.




Nesta última foto pode-se ver os dois flyback montados na parte de tras da caixa usada na montagem.


O painel frontal de minha fonte tem dois displays: um de cristal líquido, aonde posso visualizar a tensão real de saída (medida) bem como visualizar outros parâmetros (como a corrente de saída, limite de tensão máxima, frequencia de operação do circuito de potência, etc e outro, grande, de LED 7 segmentos. Também tem quatro botões para ajuste da tensão de saída e configuração da fonte, uma chave geral, um conector DB-9 com a interface serial e um terminal de terra . O motivo do uso do display a LED grande foi a idéia de poder ler a tensão de saída da fonte à distância, por exemplo quando apresento minhas aulas para grandes turmas de alunos. Para uso em laboratório talvez bastasse o pequeno display LCD.

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O código do software desenvolvido até o momento está aqui. Devo trabalhar em melhorá-lo, permitindo outras funções no futuro.





Detalhe do painel frontal. pode-se ver no display LCD a tensão programada no computador, e no display a LED a tensão efetivamente medida (amostrada na saída de screen dos flybacks).  Pode-se observar também a interface DB-9 usada tanto na programação do basic stamp quanto no controle remoto da fonte.    

Of course there are things I am sad about, like leave the good partnership with people like you

Configuração de teste. ligada uma ponteira para alta tensão até 40kV DC na saída da fonte, e monitoramento usando um multímetro calibrado Fluke.



A tensão máxima obtida na fonte foi de 40,1 kV. Para evitar danificar os transistores de chaveamento resolvi limitar a tensão máxima para 37kV (por software). Na foto minha fonte está gerando 30,31kV contra 30kV indicado no display à LED: erro de 1,0%. Bastante bom para uma montagem artesanal ! Este erro é praticamente constante de 400 volts para cima. Abaixo disto o erro aumenta bastante, acredito que por causa dos diodos internos nos flybacks, que operam próximos ao joelho de condução, e por sua alinearidade modificam a sensibilidade de meu voltimetro.


Conclusões:

Consegui alcançar os objetivos a que me propuz. Minha fonte é bem confiável e versátil. Diferentemente das fontes simples que usam apenas um circuito chaveado sem realimentação, coloquei cargas de 40Mohms a 10 Gohms na saída da fonte com 5 kv e a mesma praticamente não alterou sua tensão de saída, graças à realimentação no circuito de controle. Vou trabalhar no desenvolvimento de aplicações para ela agora, escrever um software de controle remoto e realizar mais alguns testes. Falta ainda concluir a montagem mecânica, colocando um terminal bem isolado na parte superior da caixa para permitir ligações confiáveis e seguras da fonte quando fizer meus testes.

Atualização em 18/09/2008


Concluí a montagem da fonte. Modifiquei o circuito de realimentação. Agora, ao invés de usar uma amostra do sinal tomado do próprio flyback (saída para grade screen) construí um divisor de tensão com 7 resistores de 100Mohms, cada um com um capacitor de 1000pf / 5kV em paralelo, ligado diretamente na saída de alta tensão da fonte. Em série com este divisor coloquei um resistor à terra de 70,7kohms, de onde amostro a tensão de saída com meu A/D. Com esta modificação a estabilidade da fonte aumentou muito e o erro da tensão de saída baixou para menos de 0,5%  (comparando com um multimetro True RMS Fluke com ponteira de alta tensão, ambos calibrados com rastreabilidade ao INMETRO).

Também melhorei as rotinas de software para ajustar mais rapidamente a tensão de saída.

Em série com a saída coloquei uma associação de 3 resistores de 8k2 / 2watts para limitar a corrente de curto circuito de minha fonte, evitando assim danificar os transistores de saída. Agora posso provocar faíscas de qualquer comprimento até um curto circuito sem nenhum problema. Todo o conjunto (resistores de proteção mais o divisor de tensão para amostrar a tensão de saída e o filtro com capacitores) ficou acondicionado dentro de canos de PVC de água, externamente à fonte. O terminal de saída é uma semi esfera colada em uma tampa de cano de água. A razão disto é a fuga por efeito corona: de 31 kV para cima a fuga começa a aumentar muito se uso um terminal com alguma ponta, como pude confirmar.
O novo esquemático do driver e da etapa de saída estão aqui.


Algumas fotos da fonte terminada:



Com as modificações implementadas consegui uma tensão muito estável e limpa na saída! O valor no display LCD  é o valor real, enquanto o valor indicado no display à LED é o valor selecionado. Quando a tensão de saída dela (por exemplo  causada  pela ligação de uma carga de valor muito baixo à saída da fonte) é diferente mais do que 5% do valor programado, o display a LED pisca rapidamente, alertando o operador se que o valor real é muito diferente do selecionado.







A fonte pronta. O cano de água em "L" na parte de cima é o terminal de saída, colocado desta maneira para reduzir as perdas e fugas por efeito corona. Dentro do cano estão os resistores do divisor e filtro de saída (na seção vertical) e os resistores limitadores de corrente (na parte horizontal). Pode-se também observar o terminal esférico de conexão da fonte, em formato de calota metálica.




Atualização em 24/09/2008

Fiz um novo painel frontal em material mais resistente que o anterior e substituí o display LCD por um de 4 linhas de fundo azul. Aumentei a voltagem máxima de saída, que é limitada por software para 38 kV,  já que não ouve mostra de problemas com tensões de até 43 kV durante 5 minutos de teste. O terminal de saída foi subtituído por um terminal para pinos banana, facilitando acim a conexão da fonte a uma carga qualquer.

Atualização em novembro de 2008

Várias funcionalidades foram adicionadas à minha fonte. Além de funções de auto-calibração, que permitem aumentar a exatidão da indicação de tensão e corrente de saída, modos tais como corrente constante com limite de tensão, varredura (sweep) de voltagem de saída programável e indicação de resistência de carga foram implementados. Abaixo algumas fotos das telas no display LCD. Também aumentei a tensão maxima de saída, uma vez que tanto os transistores de comutação quanto os flyback não apresentaram indícios de que vão falhar com este potencial, e esta ser a indicação de isolação dos fios de condução de alta tensão. O bonito display azul que eu havia conseguido não suportou uma das descargas eletrostáticas  que provoquei nas proximidades e danificou-se, tendo eu substituído por este outro, mais comum, de cor azul.



Tela de entrada pergunta se desejo efetuar a auto calibração



Completando a autocalibração... 



Menu principal aonde o modo de operação pode ser selecionado.



Tela no modo Tensão constante, aonde pode-se ler a potência dissipada pela carga, a tensão programada, a corrente real de saída e a resistência calculada para a carga. Consegui medir valores até 5 giga ohms com ela! A corrente máxima é de 2,54 mA e a tensão máxima é de 40 kV.



Tela do modo sweep. Pode-se ajustar a tensão inicial e final e o tempo da varredura. O micro então calcula o passo (step) e varre dentro destes limites.



Por fim minha fonte gerando 40 kV, batendo até o último dígito com meu multimetro Fluke! É impressionante o ruído causado por efeito corona neste potencial. Considero meu projeto aqui terminado, tendo alcançado plenamente meus objetivos!