Материал: kn0210

ua.com.konstruktor@sea mail:-E

ra.http://www

publish-

com. ua.

КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

Схемотехника аппаратов для кирлиановской фотографии

М.А. Шустов, г. Томск, Россия

Свечение предметов в высоковольтном электриче- ском поле высокой частоты, начиная с опытов Н. Теслы и Я.О. Наркевича-Йодко (1891 г.), используют для диагностики биологических объектов, в дефектоскопии технических изделий и материалов. Во всем мире этот метод получил название кирлиановская фотография или кирлианография (по фамилии супругов С.Д. и В.Х. Кирлиан, повторно открывших метод в 1939-1949 гг.). Особенно широкую известность и распространение метод кирлиановской фотографии приобрел за рубежом: считается, что по характеру све- чения пальцев рук можно изучать биополе человека, достоверно и оперативно диагностировать болезни, подбирать оптимальное сочетание лекарственных препаратов и методов лечения, контролировать ход исцеления пациента.

E-mail: konstruktor@sea.com.ua http://www.ra-publish.com.ua

Ðèñ.1

Конструктор ¹ 10/2002

В последние годы интенсивное развитие метод газоразрядной фотографии получил за счет внедрения современных компьютерных средств автоматизации процесса съемки, программной обработки результатов исследований. В то же время схемотехника аппаратов для газоразрядной визуализации, начиная со времен Николы Теслы, претерпела самые минимальные видоизменения. В основном, все усовершенствования касались использования более современных устройств прерывания тока в первичной обмотке повышающего трансформатора. К настоящему времени распространение получили несколько десятков базовых вариантов и модификаций аппаратов для получения “кирлиановских” фотоснимков, в которых использованы емкостные или индуктивные накопители энергии.

Рассмотрим ниже основные разновидности схем формирования серии экспоненциально затухающих во времени высоковольтных импульсов, характерных для классического варианта получения фотографических изображений в высоковольтном разряде по методу С.Д. и В.Х. Кирлиан. В подобных устройствах обыч- но используют релаксационный генератор импульсов с емкостным накопителем энергии и резонансный трансформатор Теслы. Попутно отметим, что для фотографирования в высоковольтном разряде применяют, хотя и значительно реже, аппараты Д’Арсонваля, генераторы незатухающих колебаний, одиночных высоковольтных импульсов и даже генераторы постоянного высоковольтного напряжения.

Многообразие форм реализации генераторов высоковольтных импульсов для газоразрядной фотографии можно обобщить структурной схемой (рис. 1), состоящей из: 1 - таймера; силового трансформатора Т1; 2 - выпрямителя; 3 - времязадающей RC-цепочки (емкостного накопителя энергии); 4 - порогового коммутирующего элемента; повышающего резонансного трансформатора Т2; 5 - ограничителя величины разрядного тока; 6 - ячейки для экспонирования. Ряд элементов, входящих в структурную схему, может быть выполнен в соответствии с вариантами, представленными в строках I…V (см. рис. 1) или совсем отсутствовать. Комбинируя сочетание ти-

повых элементов, можно самостоятельно синтезировать на усмотрение и с учетом возможностей пользователя до 360 вариантов конструкций устройств для получения “кирлиановских” фотографий. Отметим, что в рамках данной статьи количество схемных вариантов специально ограничено за счет того, что не рассматриваются схемы с индуктивными накопителями энергии, а в качестве коммутирующих элементов не показано использование полевых и биполярных транзисторов, газонаполненных и вакуумных ламп, управляемых разрядников, механических прерывателей, схем управления этими элементами.

Генератор импульсов высоковольтного напряжения работает следующим образом. Сетевое напряжение через таймер - 1 и трансформатор Т1 подается на выпрямитель - 2 и времязадающую RC-цепочку. Выпрямленное напряжение через времязадающий резистор R1 (R1+R2) заряжает накопитель энергии - конденсатор С1 (С1-С4) до напряжения пробоя порогового коммутирующего элемента - 4. В результате пробоя этого элемента запасенная на конденсаторе С1 (С1-С4) энергия передается в низковольтную обмотку повышающего резонансного трансформатора Т2. В итоге на выходе трансформатора формируются затухающие во времени импульсы высокого напряжения, частота следования которых определяется RC-постоянной времязадающей цепи - 3, а частота заполнения зависит от резонансной ча- стоты обмоток трансформатора Т2. Далее импульсы высоковольтного напряжения через токоограничивающий элемент - 5 поступают на ячейку для фотосъемки - 6.

Рассмотрим далее в порядке упоминания основные узлы устройства для газоразрядной фотосъемки.

Таймер - 1. Этот элемент не является обязательным, однако позволяет добиться воспроизводимых результатов при полу- чении фотографий. В качестве такового устройства может быть использован обычный цифровой или аналоговый таймер для фоторабот промышленного или кустарного производства, обеспе- чивающий выдержку времени от долей до десятков секунд.

Трансформатор Т1 является разделительным и предназна- чен, главным образом, для обеспечения безопасности работ. В качестве такового возможно использование силового трансформатора лампового телевизионного приемника черно-бело- го изображения. Отметим, что при использовании для питания устройства батарейных или аккумуляторных преобразователей напряжения (переносные нестационарные установки) этот трансформатор не обязателен.

Выпрямитель - 2. На рис. 1-2-I…III показаны варианты выполнения этого узла. Первый из них обеспечивает однополупериодное; второй - двухполупериодное (мостовое) выпрямление. Третий вариант выполнен по схеме удвоения напряжения и рекомендуется для схем, использующих электронные коммутаторы, рассчитанные на повышенное напряжение.

В выпрямителях возможно использование кремниевых диодов, допускающих прямой ток не менее 300 мА и обратное напря-

Ðèñ.2

КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

жение не ниже 300 В: Д226А (Б, В), Д237Б (В), КД105Б (В, Г), КД109Б (В), КЦ402-КЦ405А (Б, В, Г) и др.

На выходе выпрямителей может быть дополнительно включен конденсатор фильтра емкостью в несколько микрофарад.

Времязадающая RC-цепочка - 3. Эта цепочка определяет величину энергии, расходуемой на возбуждение электрического разряда, а также скорость ее подвода к накопителю энергии - конденсатору. Количество энергии, которое можно получить при разряде конденсатора, равно

CU2 / 2,

где С - емкость конденсатора, U - напряжение на его обкладках.

Напряжение на обкладках конденсатора возрастает со скоростью, определяемой напряжением источника питания Uïèò. è

RC-постоянной зарядной цепи. Поскольку время заряда намного превышает время разряда, частота следования импульсов целиком определяется параметрами зарядной цепи:

f = 1 / (RC ln(1-Uïðîá. / Uïèò.)).

Время заряда конденсатора С при использовании источника постоянного напряжения Uïèò. до напряжения, равного напряже-

нию пробоя порогового элемента Uïðîá., например, газового раз-

рядника, можно определить из выражения: τ = RC ln (Uïèò. / (Uïèò. - Uïðîá.)).

Отсюда следует, что частота разрядов конденсатора определяется произведением RC и, поскольку при Uïèò. > Uïðîá. ëîãà-

рифм отношения напряжений близок к единице, в очень малой степени, напряжением питания генератора. Обычно частота следования разрядных импульсов лежит в пределах от единиц Гц до нескольких кГц.

На практике величина сопротивления резистора R1 обычно близка к 2 кОм.

Поскольку величина напряжения пробоя порогового элемента, как правило, неизменна и определяется свойствами коммутирующего элемента - 4, уровнем энергии, подводимой к трансформатору Т2, можно управлять, ступенчато изменяя емкость конденсатора - накопителя энергии. В схеме (рис. 1-3-II) для ступенчатого изменения емкости накопительного конденсатора использован переключатель SA1, в схеме (рис. 1-3-III) - набор переключателей SA1-SA4. Значение емкости конденсатора - накопителя энергии может варьироваться в пределах от долей до единиц мкФ (например, набор конденсаторов емкостью 0,5; 1; 2; 4 мкФ). В первом варианте схемы возможно задание 4-х уровней энергии, вкладываемой в разряд, во втором - 15-и (суммарная емкость конденсаторов от 0,5 до 7,5 мкФ с шагом в 0,5 мкФ). В общем случае число уровней энергии при использовании n - переключателей SA1-SAn и n конденсаторов С1-Cn оп-

ределяется как 2n - 1.

В качестве С1-С4 целесообразно использовать бумажные

Конструктор ¹ 10/2002

ua.com.publish-ra.http://www ua.com.konstruktor@sea mail:-E

!

КОНСТРУКЦИИ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

конденсаторы, рассчитанные на напряжение, превышающее напряжение пробоя ключевого коммутирующего элемента (обычно 300…500 В). Для быстрого разряда этих конденсаторов при отключении питания рекомендуется зашунтировать каждый из них сопротивлением порядка 1 МОм.

Величина сопротивления потенциометра R2 (рис. 1-3-IV), используемого для изменения скорости заряда конденсатора С1 (скорости следования высоковольтных импульсов) обычно составляет 5…10R1.

Ключевой пороговый коммутирующий элемент - 4 является одним из наиболее важных и ответственных узлов конструкции. Напряжение его пробоя (включения, срабатывания) определяет энергию высоковольтных импульсов, а максимальный ток

âпроводящем состоянии и остаточное напряжение на открытом элементе определяют КПД устройства. Немаловажной для работы генератора высоковольтных импульсов является и скорость восстановления исходных свойств ключевого элемента.

Наиболее простым, но малонадежным элементом устройств этой серии является искровой разрядник FV1, выполненный в виде двух заточенных винтов, разделенных регулируемым воздушным промежутком. В качестве коммутирующих элементов могут быть использованы: газовые разрядники, газонаполненные лампы (неоновые лампы, тиратроны и т. п.), динисторы, тиристоры и т. д., а также радиолампы и транзисторы, не рассматриваемые

âрамках настоящей статьи.

Наиболее часто в качестве коммутирующего элемента используют газовые разрядники FV1 и тиристоры VS1 (рис. 1-4- I…1-4-V), обеспечивающие повышенные токи коммутации, а слаботочные пороговые элементы коммутации (неоновые лампы, рис. 1-4-II; динисторы, рис. 1-4-III; полупроводниковые приборы, работающие в режиме лавинного пробоя - транзисторы, полупроводниковые диоды, например, Д219А, рис. 1-4-IV; высоковольтные стабилитроны, рис. 1-4-V) - используют в соче- тании с тиристором для получения повышенных токов в нагрузке. Во всех схемах ключевых элементов диод VD1, например, типа КД102Б, КД105 и др., предназначен для защиты тиристора от импульсов напряжения обратной полярности.

В схемах (рис. 1-4-I) могут быть использованы отечественные газовые разрядники на напряжение 90…350 В, например, Р-350, Р-35 - на 350 В, РБ-280 - на 280 В; ИР-0,2 - на 200 В, Р-4 - на

76 В; зарубежные газовые разрядники, например, фирмы “Epcos”, тиристоры на напряжение не ниже 300…400 В, например, КУ201К (Л, М, Н), КУ202К (Л, М, Н), 2У205А (Б, В), 2У207Д (Е), КУ210А (Б, В), 2У211 и др. Разрядники фирмы “Epcos” имеют маркировку Мхх-Сyyy; Тхх-Аххх и др., где хх - код конструкционного исполнения элемента; yyy - значение напряжения статического пробоя (90, 150, 230, 350, 600 В).

В качестве вспомогательных нелинейных элементов для создания ключей с управляемым напряжением включения (рис. 1-4- II, III) могут быть использованы слаботочные неоновые лампы, например, МН-3, МН-5 (напряжение зажигания - 65 В и 150 В, соответственно), ТН-0,2, ТН-0,3 и др.; динисторы типа КН102АКН102Ж, К1182КН3, а также их цепочки. Так, для динисторов типов КН102А, Б, В, Г, Д, Е, Ж, И (2Н102А…И) значения напряжений включения составляют, соответственно, 5, 7, 10, 14, 20, 30, 30, 50 В при обратном токе не свыше 0,5 мА. Максимально допустимый постоянный ток в открытом состоянии для этих полупроводниковых приборов равен 0,2 А при остаточном напряжении в открытом состоянии 1,5 В. Отметим, что при использовании коммутируемых по длине цепочек динисторов или иных элементов, можно ступенчато изменять напряжение включения (пробоя) клю- чевого элемента и управлять тем самым выходной мощностью высоковольтного генератора.

Специализированная микросхема FLC10-200D фирмы “STMicroelectronics”, представляет собой полупроводниковый аналог искрового разрядника. Микросхему используют в генераторах импульсов высоковольтного напряжения. Типовая схема ее включе- ния представлена на рис. 2.

Микросхема содержит тиристор Th, между анодом и управляющим электродом которого подключен зенеровский диод Z (стабилитрон). При превышении напряжения на электродах аналога разрядника напряжения пробоя зенеровского диода происходит переключение тиристора в проводящее состояние.

Максимальный ток аналога разрядника в импульсе - 240 A, длительность импульса тока tp=10 мс. Обратносмещенный диод D,

подключенный параллельно электродам тиристора, защищает его от импульсов отрицательной полярности при работе на индуктивную нагрузку.

(Окончание следует)

E-mail: konstruktor@sea.com.ua http://www.ra-publish.com.ua

"

Новинки техники

Необычайно популярными в последнее время становятся разработки автономных средств передвижения, альтернативных привычному колесу. Так, немецкая фирма “ALANSportartikel” производит специальные подпружиненные ботинки “PowerSkip” (рис.1). Они имеют форму изогнутого спортивного лука с креплением для ног в двух местах. При изготовлении таких “ботинок”, имеющих массу 3,5 кг и рассчитанных на 1000 ч ходьбы, используются алюминиевые сплавы и другие материалы из аэрокосми-

Конструктор ¹ 10/2002

А. Татаренко, г. Киев

ua.com.konstruktor@sea mail:-E

ra.http://www

publish-

com. ua.

Конструктор ¹ 10/2002 #