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MiniHV: GENERATORE di ALTA TENSIONE MODULARE

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Come avvicinarsi al mondo dell’alta tensione

in modo semplice e sicuro.


Questo progetto è rivolto a tutti coloro che sono incuriositi e affascinati dall’alta tensione e da tutti i fenomeni ad essa collegati come ad esempio scariche elettriche, effetto corona, vento ionico, principio delle punte e ionizzazione dell’aria, ma che per ovvi motivi di sicurezza non le hanno mai sperimentate direttamente. La nostra scheda MiniHV può essere usata come piccolo laboratorio per prendere confidenza con l’alta tensione al fine di vedere e capirne gli effetti nell’ambiente circostante, imparando i concetti correlati alla quantità di carica, al campo elettrico e all’isolamento elettrico, senza correre rischi, perché l’energia erogabile dalla scheda è limitata. Nella nostra quotidianità le alta tensioni sono in realtà molto presenti e vicine a noi. Basti pensare a quando indossiamo un paio di scarpe con la suola di gomma, camminiamo sul tappeto di casa e appena avviciniamo la chiave alla portiera dell’auto vediamo un piccolo arco elettrico che si innesca. In questo caso le tensioni posso raggiungere anche i 20.000 Volt ed oltre ma noi avvertiamo solo un piccolo fastidio quando entriamo in contatto con l’arco elettrico, perché a questa elevata tensione in realtà è abbinata solo una minima corrente dell’ordine dei micro-ampere. Diverso è il caso di un fulmine, dove oltre alle elevatissime tensioni (possiamo tranquillamente raggiungere i milioni di volt) si raggiungono anche valori di corrente decisamente distruttivi e letali per l’uomo dell’ordine delle centinaia di ampere. Il progetto presentato oggi rientra nella prima categoria, ossia permette di generare elevate tensioni in continua, ma con poca corrente disponibile e quindi non pericolosa per l’uomo. Comunque sia, vi avvertiamo fin da subito di seguire scupolosamente quanto indicato nel riquadro “Precauzioni e avvertimenti” per non venire direttamente a contatto con l’alta tensione e non “prendere la scossa”.

Il circuito proposto permette di generare un’alta tensione in continua sugli elettrodi terminali e permette di sperimentare i seguenti fenomeni fisici:

  • L’arco elettrico in continua
  • L’effetto corona e la produzione di ozono
  • Il principio delle punte ed Il vento ionico
  • La ionizzazione dell’aria

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO

Lo scopo che ci siamo dati nel progetto è quello di realizzare una piccola scheda, compatta, che potesse essere modulare, in modo che la tensione di uscita della singola scheda possa essere anche messa in serie con la tensione di uscita di un’altra scheda MiniHV. Partendo da una bassa tensione di soli 12V, con questo schema si possono superare i 50.000 V sfruttando i seguenti tre principi:

  • generazione di un’extra-tensione di carattere impulsivo sull’induttanza dell’avvolgimento di primario del trasformatore
  • elevazione della tensione impulsiva operata dal trasformatore grazie ad un rapporto spire primario-secondario elevato
  • raddrizzamento ed elevazione della tensione in continua tramite il moltiplicatore a topologia Cockroft-Watson

La tecnica dell’impulso permette di concentrare l’energia in poco tempo e quindi a parità di energia trasferita si aumenta il valore di ampiezza della tensione finale, che viene immagazzinata nei condensatori del moltiplicatore in forma di tensione continua. Quando viene premuto il pulsante sulla scheda, la tensione di alimentazione accende il transistor IGBT con una polarizzazione del gate ottenuta grazie alle resistenze R1 e R2; il transistor IGBT richiama una ingente corrente dal collettore attraverso l’avvolgimento W3 del trasformatore. Appena fluisce corrente su questo avvolgimento viene richiamata corrente anche dall’avvolgimento W2 collegato al gate del transistor, estraendo carica dal GATE e quindi lo porta in uno stato di interdizione. L’interruzione brusca di corrente che si ha sull’avvolgimento W3, provoca una extra-tensione ai capi dello stesso avvolgimento, che moltiplicata per il rapporto spire W1:W3, fa localizzare un picco di tensione superiore a 2000 V sull’avvolgimento W1 con una frequenza di ripetizione costante. La frequenza di ripetizione ottenuta dipende principalmente dal valore della tensione di ingresso e dalla corrente assorbita dal lato alta tensione della scheda e può variare nella gamma 10KHz – 30KHz. A questo punto la tensione impulsiva viene raddrizzata e moltiplicata dalle celle di un moltiplicatore di tipo Cockroft-Walton a 8 stadi, che tramite i diodi ed i condensatori intrappolano la carica e la trasferiscono da uno stadio a quello successivo. Ogni cella è costituita da 2 condensatori e 4 diodi e deve sopportare la stessa tensione, che risultando piuttosto elevata richiede l’utilizzo di diodi e condensatori particolari ad alta tensione.

SCHEMA ELETTRICO

Figura 1: Schema Elettrico

Osservando lo schema elettrico riportato in Figura 1, possiamo notare una parte a bassa tensione e una parte ad alta tensione separate dal trasformatore T1.

  • Il connettore CN4 serve per alimentare la scheda con 12V in continua. Il polo positivo della tensione è collegato al terminale  centrale del connettore.
  • Il connettore a vite CN1 accanto al pulsante serve per distribuire l’alimentazione a 12V ad un altro modulo per elevare ulteriormente la tensione di uscita, utilizzando la connessione in serie della tensione di uscita.
  • I connettori a vite CN2 e CN3 sono collegati ai terminali di uscita ad alta tensione e a questi si possono collegare diversi tipi di elettrodi a seconda del fenomeno che si vuole osservare, rispettando la polarità HV+ per il terminale positivo e HV- per il terminale negativo.
  • Il transistor TR1 è un IGBT di tipo FGH60N60SMD che sopporta 600V e porta fino a 60 ampere e viene montato su dissipatore con resistenza termica da 14C°/W.
  • Il trasformatore T1 è realizzato su un nucleo in ferrite di tipo RM10 in materiale N87 con coefficiente AL = 4200 nH. Si utilizza un rocchetto di tipo power con i pin in linea, per aumentarne l’isolamento. Gli avvolgimenti W2 e W3 presentano poche spire e terminano sul lato a bassa tensione, mentre l’avvolgimento W1 termina sul lato alta tensione. Per la sua realizzazione fare riferimento al riquadro dedicato.
  • Il diodo zener DZ12 serve per proteggere il GATE del transistor IGBT da sovratensioni.
  • Le resistenze R1 e R2 servono per polarizzare l’accensione del transistor a circa 9V.
  • I diodi da D1 a D32 ed i condensatori da C1 a C16 sono utilizzati per le 8 celle di moltiplicazione con schema Cockroft Walton. I diodi sono stati raddoppiati rispetto allo schema classico per poter permettere l’utilizzo di diodi a tensione di breakdown 4KV  più facili da reperire in commercio e con meno caduta ohmica. Il condensatore C17 serve per dare un riferimento verso massa della parte alta tensione.
  • Il Jumper P1, se inserito serve per bypassare il pulsante SW1 e quindi per accendere il generatore non appena sia presente la tensione di alimentazione a 12V, senza dover spingere il pulsante SW1
  • Sono stati inseiri anche delle vias nel PCB a cui collegare dei test points al fine di misurare la tensione nei punti intermedi del moltiplicatore per chi volesse farlo.

Figura 2: Vista lato componenti

Figura 3: Tensione impulsiva misurata sull’avvolgimento W1 (test points O+, O-)

MONTAGGIO

Il generatore MiniHV viene fornito con il circuito stampato e i componenti a parte. Procedere inizialmente con il montaggio dei componenti a basso profilo: i diodi, le resistenze, il pulsante, i connettori e poi con i condensatori. Montare il transistor IGBT sul dissipatore tramite una vite M3 con dado rivolto verso il lato esterno della scheda. Realizzare il trasformatore come indicato nel riquadro e saldarlo al PCB. Inserire 4 distanziali esagonali per sollevare il PCB. Infine  collegare due elettrodi metallici realizzati tramite filo rigido conduttore, lunghi circa 5 cm utilizzando ad esempio il filo con diametro 1mm utilizzato per la realizzazione del trasformatore. Le due estremità degli elettrodi devono essere sprovviste di isolante per circa 5mm garantire una buona resistenza di contatto e devono essere orientate verso l’esterno della scheda come mostrato in Figura 4.

Figura 4: Disposizione degli elettrodi

RIQUADRO REALIZZAZIONE DEL TRASFORMATORE T1

Come prima operazione è necessario realizzare l’avvolgimento W1, utilizzando un filo isolato da trasformatore con diametro 0,315mm. Spelare l’estremità del filo e saldarlo al pin 1 (inizio avvolgimento) e avvolgere in senso orario 100 spire nel rocchetto, spelare dall’isolante la parte finale del filo e saldarla al pin 3 (fine avvolgimento).

Realizzare un giro di nastro isolante per ricoprire l’avvolgimento realizzato.

Poi realizzare l’avvolgimento W2 utilizzare un filo isolato da trasformatore con diametro 0,75mm. Spelare l’estremità del filo e saldarlo al pin 9 (inizio avvolgimento) e avvolgere in senso orario 4 spire nel rocchetto, spelare dall’isolante la parte finale del filo e saldarla al pin 7 (fine avvolgimento).

Poi realizzare l’avvolgimento W3 utilizzare un filo isolato da trasformatore con diametro 1mm. Spelare l’estremità del filo e saldarlo al pin 10 (inizio avvolgimento) e avvolgere in senso orario 5 spire nel rocchetto, spelare dall’isolante la parte finale del filo e saldarla al pin 12 (fine avvolgimento).

A questo punto inserire il rocchetto all’interno dei due semi nuclei e bloccare il nucleo tramite gli appositi accessori oppure tramite una fascetta plastica.

Figura 5: assemblaggio del trasformatore T1

Il PCB è predisposto anche per il montaggio di trasformatori toroidali, per coloro che volessero sperimentare altre modalità di funzionamento del generatore MiniHV, variando tipo di materiale e numero di spire, rispettando la polarità degli avvolgimenti.

RIQUADRO PRECAUZIONI

  • Assicurarsi che non ci siano nelle vicinanze sostanze infiammabili. Il generatore MiniHV sviluppa calore sul transistor e soprattutto innesca degli archi elettrici in grado di innescare le fiamme.
  • Non toccare le parti ad alta tensione rivolte verso il secondario del trasformatore come diodi e condensatori e soprattutto i pin lato saldature, anche dopo il funzionamento, perché la carica nei condensatori viene conservata per diversi secondi.
  • Dopo il funzionamento, scollegare l’alimentazione e scaricare le capacità operando un corto circuito tra gli elettrodi, utilizzando un cacciavite con manico isolato per fare contatto tra i due elettrodi.

FUNZIONAMENTO in MODALITA’ ARCO ELETTRICO

Per assicurarsi che i condensatori non siano carichi, scaricare le capacità operando un corto circuito tra gli elettrodi come descritto nelle precauzioni di utilizzo. Distanziare gli elettrodi a circa 4mm fra loro. Togliere il jumper P1 per abilitare il funzionamento da pulsante. Il circuito deve essere alimentato da un generatore esterno, che possa fornire una tensione in continua compresa fra 10V DC e 12V DC massimi e con una sufficiente potenza in uscita; se si applica la massima tensione prevista di 12V DC consigliamo un alimentatore con potenza non inferiore a 40W. Si sconsiglia l’uso di alimentatori a trasformatore realizzati per la presa da 230V, perché solitamente non hanno un buon livellamento della tensione in uscita e quindi produrranno scariche con minor efficienza. Inserire il jack di alimentazione a 12V nel connettore CN4. Premere il pulsante e verificare che si inneschi un arco elettrico praticamente continuativo fra gli elettrodi.

NOTA BENE: Mantenere l’arco per un tempo inferiore ai 10 secondi per non rischiare di surriscaldare il transistor IGBT.

Per assicurarsi che i condensatori non siano carichi, scaricare le capacità operando un corto circuito tra gli elettrodi come descritto nelle precauzioni di utilizzo. Distanziare gli elettrodi a circa 10mm e premere il pulsante. Si può osservare come l’arco cambi forma, intensità e frequenza di innesco, dovuta alla maggiore distanza degli elettrodi.

Figura 6: Arco elettrico, misura della lunghezza

FUNZIONAMENTO in MODALITA’ EFFETTO CORONA

Per assicurarsi che i condensatori non siano carichi, scaricare le capacità operando un corto circuito tra gli elettrodi come descritto nelle precauzioni di utilizzo. Distanziare gli elettrodi ad una distanza di circa 20mm. A questa distanza la tensione prodotta da MiniHV non è sufficiente per innescare l’arco elettrico e se si osserva bene l’area attorno alle punte si può notare l’effetto corona rappresentato da una area violacea attorno alle punte e si dovrebbe udire un crepitio (Figura 7).

Figura 7: Zoom su elettrodo, effetto corona

FUNZIONAMENTO in SERIE di più moduli MiniHV

Per chi volesse ulteriormente alzare la tensione di uscita esiste la possibilità di collegare più moduli MiniHV in serie. Per questo collegamento è necessario effettuare i collegamenti indicati in Figura 8. Bisogna portare molta attenzione alle distanze di isolamento fra i due moduli MiniHV, utilizzando dei distanziali da almeno 2,5cm. Per la distribuzione della alimentazione a 12V al secondo modulo si può utilizzare il connettore CN1 come indicato in Figura verificando che l’alimentatore sia in grado di erogare una potenza sulla 12V di almeno 80W.

Figura 8: Collegamento in serie di due moduli MiniHV

MISURARE L’ALTA TENSIONE

Nel caso di campo elettrico uniforme e aria secca a pressione standard la rigidità dielettrica vale 3kV/mm e quindi in base alla lunghezza dell’arco innescato si può risalire alla tensione fra gli elettrodi. Ad esempio nel caso di 15mm di arco si ha in linea teorica una differenza di potenziale di 45.000 Volt.  Per misurare in maniera pratica l’altra tensione si può realizzare un partitore resistivo realizzato con una resistenza da 1Gigaohm ed una resistenza da 1Megaohm in serie come illustrato in Figura 9. Le resistenze devono avere una distanza fra i reofori sufficiente per non innescare a loro volta degli archi elettrici, visto che sono sottoposte ad elevata differenza di potenziale. Per la resistenza da 1Gigaohm verificare di avere meno 3 cm fra i reofori, per la resistenza da 1Megaohm almeno 1cm. Impostando il funzionamento del MiniHV senza scarica, garantendo una distanza fra gli elettrodi di almeno 20mm, si può collegare un multimetro in tensione continua, ai capi della resistenza da 1 Megaohm, ottenendo un rapporto di partizione di circa 1000; in questo modo una tensione di 1Volt letta sul multimetro equivale ad una tensione di 1000Volt presente fra gli elettrodi. Questa misura potrebbe essere affetta da errore, poichè gli effetti corona ed i forti campi elettrici potrebbero duisturbare la misura del multimetro.

NOTA BENE: assicurarsi che i collegamenti siano come in figura per non rischiare di rompere lo strumento.

Figura 9:  Metodo pratico per la misura dell’alta tensione

LA IONIZZAZIONE DELL’ARIA

L’aria che respiriamo è composta una miscela di gas di varia natura quali ossigeno, azoto, anidride carbonica. Gli atomi che compongono le molecole presenti nell’aria possono per diverse cause, tra cui l’alta tensione, perdere il loro stato di equilibrio di carica elettrica e diventare ioni positivi se perdono elettroni oppure ioni negativi se acquisiscono elettroni. Gli ioni positivi, nell’aria delle nostre città hanno effetto negativo sull’uomo poichè diminuiscono le funzioni immunitarie attaccando le vie respiratorie. Gli ioni negativi viceversa sono da considerarsi dei veri e propri germicidi, in quanto possono debellare i batteri e mitigare gli effetti prodotti da allergie ed asma. Difattil’aria che respiriamo al mare o in montagna è salutare poichè si misura un’alta concentrazione di ioni negativi addirittura oltre 1000 per cm3. Ebbene il nostro circuito MiniHV con un montaggio particolare, può essere anche usato per la produzione di ioni negativi. Infatti se viene invertita la polarità dei diodi da D1 a D32, ossia rispetto alla serigrafia si monta il diodo con la sbarretta dalla parte opposta rispetto alla serigrafia, si viene a creare sugli elettrodi una zona a potenziale negativo in grado di cedere elettroni alle molecole dell’aria e creare quindi ioni negativi.

L’effetto Corona e la produzione di Ozono

Quando una elevata differenza di potenziale, superiore a diverse migliaia di Volt viene applicata tra due elettrodi immersi in un mezz gassoso, si innesca il fenomeno  della  “ionizzazione a valanga”, che prevede l’accelerazione delle particelle, che urtando con le molecole d’aria produce una grande quantità di cariche libere nell’aria. Si viene così a creare attorno agli elettrodi una nuvola di cariche che generano una corrente elettrica diretta visibile ad occhio nudo con una luce violacea e con un crepitio, chiamara “effetto corona”. La corona negativa appare di dimensioni maggiori rispetto a quella positiva poiché gli elettroni possono allontanarsi maggiormente dalla zona di ionizzazione e così l’aria ionizzata può estendersi oltre. L’effetto corona è un ottimo generatore di ozono O3. La corona negativa ne genera in quantità molto maggiore di quella positiva. Dopo un po’ di secondi di funzionamento del MiniHV si potrà notare un odore pungente, come avviene durante un forte temporale, dovuto appunto alla produzione di molecole di ozono.

IL PRINCIPIO DELLE PUNTE ED IL VENTO IONICO

L’intensità del campo elettrico in prossimità di un conduttore è proporzionale alla curvatura locale della sua superficie, fenomeno noto come “effetto punta“.  Se colleghiamo l’elettrodo positivo ad un corpo appuntito e l’elettrodo negativo ad un corpo arrotondato, si viene a creare un campo elettrico diretto dall’elettrodo appuntito dove le linee di forza sono più intense all’elettrodo arrotondato, in grado di muovere le cariche libere dell’aria ionizzata. Le cariche accelerate dal campo elettrico, nel loro moto urtando le molecole neutre dell’aria e per il principio di azione-reazione si genera una forza in grado di spostare tutto il sistema punta-sfera. Questo fenomeno è alla base della propulsione dei LIFTER. Associato a questa forza si viene quindi a creare un vero e proprio moto di particelle dall’elettrodo a punta verso l’elettrodo arrotondato, che viene percepito come un vento. Per poterlo sperimentare si possono realizzare due elettrodi come in Figura 10, tramite l’uso di staffe, si puo’ usare una vite per la punta ed un dado cieco per la superficie arrotondata. Per visualizzare il vento ionico si può usare una fiamma di una candela posizionata tra i due elettrodi e verificare che la fiamma si piega quando si preme il pulsante, come da Figura 10 e Figura 11. Prestare particolare attenzione per evitare qualsiasi contatto diretto con le parti metalliche in gioco, come ad esempio le staffe.

Figura 10: Effetto del vento ionico su una fiamma libera

Figura 11: Effetto del vento ionico su una striscia di carta leggera

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