CN201247543Y - 高压电脉冲实验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高压电脉冲实验仪，它包含两个稳压电源等组成的大范围可调直流电源、多频率直读且超低频可调的脉冲频率控制器、被脉冲频率控制器调制的高压发生器、高压电显示电压表，在仪器外壳顶部搭建了一个防高压放电外壳的实验平台，在上面安装一付表面带有绝缘材料的金属板组成的高压电极和接地电极。它既可以输出恒稳的高压直流电，又可以输出频率和脉宽可调的脉冲高压电，在两个电极之间形成了可调的恒稳或脉冲电场。它可高效、方便地做高压静电实验和生物物理、医学等的研究实验，为高校教学和科研乃至生产领域提供了一种功能全、使用方便、成本低又很实用的仪器。

Description

高压电脉冲实验仪

技术领域

本实用新型涉及一种电学实验仪器，尤其指一种高压电脉冲实验仪。

背景技术

在大学物理教学过程中，通常要做一些高压静电的实验，以加深学生对理论的理解和记忆。公知的高压静电实验装置通常由一个高压电发生器，将220伏的交流市电转换成恒定的上万伏的高压直流电，再将高压直流电引出，再配合一些配件在高压静电发生器以外的地方进行高压静电的实验。这种公知的高压静电实验装置有下述一些缺陷：1、功能单一只能做恒稳静电现象的实验；2、由于输出的直流高压是连续恒定的，在做一些静电实验内容的过程中消耗的电功率比较大，对高压电的功率输出部分及稳压电源的性能有较高的要求；3、输出的直流高压不能大幅度地调节，限制了实验内容或者实验项目的扩展；4、在做实验时以大地为接地线，既不安全又不方便。生物物理学是一门很有发展前景的学科，它有一个重要研究领域就是利用电场作用于生物体组织或生物体，研究其增产、防疫、治疗疾病、育种的高品质改良等方面的数据，这就需要一种频率和电压可调的高压电脉冲实验仪器，但是目前还没有公知的这种实验仪器。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种既可以恒定直流高压输出，又可以脉冲直流高压输出，并且直流高压的脉冲频率和电压可以大范围地调节和直接读出的高压电脉冲实验仪。它不仅可以为静电现象的实验提供一个脉冲高压电源，还可以进行生物物理、医学的脉冲电场刺激生物体组织或生物体的科学研究实验。

为了达到上述目的，本实用新型设置了直流电源，高压发生器，脉冲频率控制器，脉冲频率控制器的继电器开关通过双掷开关串联在高压振荡电路和高压发生器的功率输出电路之间，高压发生器的输出端固定在防高压放电外壳的绝缘板上并与高压电极及高压降压电阻相连，高压电显示电压表串联在高压降压电阻的另一端和地之间，与高压电极相对的接地电极固定在可活动金属板上并且电连接，高压发生器的地线接防高压放电外壳的金属部分。

为抑制高压电极对低压电极的放电，还在高压电极的表面设置绝缘塑料。

为了方便地调节高压脉冲频率、降低成本、提高可靠性，将脉冲频率控制器的频率控制端子的一端与波段开关的滑动端相连接，另一端与脉冲频率控制电容的公共连接端相连接。为了宽范围调节直流高压并且使输出频率和高压稳定，将直流电源由第一级直流稳压电源和第二级可调直流稳压电源组合而成，第二级可调直流稳压电源串联在第一级直流稳压电源和高压发生器的功率输出电路之间，并且还把第二级可调直流稳压电源设置成由串联稳压电源和二极管降压电路串联构成，二极管降压电路由多个二极管正向串联后再与开关并联而成，这样可使直流高压电压值进一步调低到180伏以下。为了可调出极低频率的脉冲信号且不停振、并且宽范围调节脉冲频率，脉冲频率控制器由电视机的场扫描集成电路和外围电路构成。

由于本实用新型包含直流电源，高压发生器，将脉冲频率控制器的继电器开关通过双掷开关与高压振荡电路串联，这就使得高压发生器的输出直流高压变成脉冲式，并且可以选择宽脉冲和窄脉冲，当与继电器线圈串联的开关断开后，还可以输出恒定的非脉冲高压直流电，为静电实验提供了一个脉冲和非脉冲可选的直流高压电源，扩展了实验功能，也满足了生物物理实验、医学研究等领域的可调脉冲式高压电输出要求。将脉冲频率控制器的频率控制端子的一端与波段开关的滑动端相连接，另一端与脉冲频率控制电容的公共连接端相连接，可方便地调节高压脉冲频率、降低成本、提高可靠性，并且可直接读出高压脉冲频率。将直流电源由第一级直流稳压电源和第二级可调直流稳压电源组合而成，第二级可调直流稳压电源串联在第一级直流稳压电源和高压发生器的功率输出电路之间，并且还把第二级可调直流稳压电源的结构设置成由串联稳压电源和带短路开关的二极管降压电路串联构成，这就使得直流高压值可在非常宽的范围内调节并且输出幅度稳定。脉冲频率控制器由场扫描集成电路和外围电路构成的电路设计方式，带来了可调出极低频率的脉冲信号且不停振、并且宽范围调节脉冲频率的优点，很好地适应了高压静电实验和生物物理、医学等实验的要求。两个表面带有绝缘塑料的平行金属板电极上的绝缘塑料可最大限度地防止两个高低压电极之间的尖端放电现象，可使两个平行金属板之间的距离很近，显著提高两个平行金属板电极之间的电场强度，为强电场的各类实验提供了条件。

由于本实用新型将仪器顶部设计成防高压放电外壳，高压电的地线接防高压放电外壳，并在上面放置一个活动金属板，接地电极安装在其上，可很方便地任意调节高压电极和低压电极之间的距离，并且使实验平台搭建在了仪器的顶部，实验安全方便节省实验用面积。

输出高压电即可恒定不变，也可脉冲式输出，频率脉宽都可调，也为各类用高压电的实验或研究乃至生产领域提供了一种很好的仪器。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理图；

图2是本实用新型的整体机械结构图；

具体实施方式

在图1中，220伏交流市电接输入端U1，再通过电源开关K1送入电源变压器B1进行降压，从次级线圈输出端输出的电压U2为19V并且送到第一级直流稳压电源。第一级直流稳压电源首先由四个整流二极管D1、D2、D3、D4组成的桥式整流器整流成直流电，再送到由复合调整三极管T1、T2和取样放大三极管T3等外围元件构成的串联式稳压电路，最后的稳压输出12-15伏左右，并且直接提供给脉冲频率控制器、高压振荡电路以及第二级可调直流稳压电源。第二级可调直流稳压电源由复合调整三极管T5、T4和取样放大三极管T6等外围元件构成，为了得到更低的输出电压，还在其输出端串联有带短路开关K2的二极管降压电路。二极管降压电路可以由一路或者多路正向串联的二极管构成，本实施例为降低成本用的二极管D9、D10、D11、D12、D13、D14全为1N4007，因其额定电流小(1A)所以要两路并联使用，如果用大功率二极管只用一路就可。当把短路开关K2接通以后二极管降压电路不起作用。

三极管T7和外围元件构成变形间歇振荡器，为高压振荡电路提供一个振荡信号，可调电感L5可调节振荡频率。变形间歇振荡器的振荡信号经三极管T8放大后送入变压器B2，经过变压器B2的次级送到继电器

上的开关JX的中心端上，另两个接点分别与宽脉冲、窄脉冲控制开关K3的两个外侧接点相连，开关K3的中心端接高压功率输出管T9的基极，高压功率输出管T9与外围元件组成高压发生器的功率输出电路，其中二极管D15为保护T9的，L4为防向外辐射电磁波的电感线圈，L3、C37分别为形成功率输出电流的大电感和电容，C36为逆程电容，D16为阻尼二极管，高压变压器B3可将通过其初级绕组的电压大幅度升高，经过高压整流硅堆D18整流后可达到直流最高电压1.7万伏。电容C38和二极管D17组成自举升压电路，可将T9的工作电压提高到27-30多伏。高压振荡电路和高压发生器的功率输出电路构成高压发生器。高压降压电阻R18和电表头串联组成高压电显示电压表KV，也可用数字电表代替，数字表虽然读数直观，但电压脉冲显示不如机械表反应灵敏和直观。高压发生器的高压产生原理与电视机行输出电路是相似的，故不在此详述。

集成电路IC和外围元件构成脉冲频率控制器。其中波段开关K6和接在其固定端的11个电容构成频率控制电路，微调电阻W5可在一定范围内连续调节脉冲频率控制器的振荡频率。微调电阻W3、W4可调节脉冲频率控制器的输出电压幅值。集成电路IC的输出脉冲信号由其1脚输出(从右到左为其1-10脚)的，经过耦合电容C18送到形成脉冲频率控制器的功率输出电流的电感L2上，再与“脉冲、恒定”开关K4串联后与继电器的电磁线圈J串联，最后通过保险丝电阻R17接电源正极。脉冲频率控制器的脉冲信号产生基本原理与电视机的场扫描电路相似，故不在此详述。电阻R19和发光二极管D19构成电源指示电路。

整机的电路工作过程如下：

第一级直流稳压电源输出的稳压直流电给高压振荡电路、脉冲频率控制器、第二级可调直流稳压电源提供稳定的直流工作电压，以保证工作频率稳定、输出电压稳定。脉冲频率控制器产生低频脉冲信号。此时如果把“脉冲/恒定”控制开关K4接通并且“宽脉冲/窄脉冲”控制开关K3拨向左方，则脉冲频率控制信号通过继电器(可用小继电器，因其触点不需要大电流就可)的线圈J，使其触点开关JX的中心端自动交替接其左右触点，当接到右触点，使高压振荡电路与高压发生器的功率输出电路的信号通路断开，停止高压输出，接左触点时信号接通有高压输出。这就形成了脉冲高压输出。实验证明，如果JX的左触点为常通触点的话，最终输出宽脉冲。如果把K3拨向右侧，则只有JX跳向右触点时才通路，但此时输出窄脉冲。如果把K4断开，则无脉冲信号加到继电器，输出的高压电场为非脉冲式。

脉冲高压输出电压的调节是靠调电位器W2来实现的。当需要调出高压时，还应同时把开关K2接通；当需要调出几百伏以下的低压时，还要同时断开K2。实验证明，这种双稳压电源串联电路并配合降压二极管降压的电路结构，可把高压输出调节范围扩展到几百到几万伏。

旋动波段开关K6，可选择11个低频脉冲频率，并且频率数值直接读出，不必再配频率计(实验证明，普通频率计很难测量1HZ以下的脉冲信号的频率)，简化了电路，降低了成本，方便了使用。当然，频率数值的设置也可通过改变各个电容数值或调节W5变成其他范围的频率。

整体机械结构图及原理如下：

在图2中，由于机壳2是金属的，高压发生器的引出端OUT(见图1)接带一个小夹子的高压发生器的输出端19以及高压降压电阻R18的一端，另一端与高压电显示电压表KV串联后接地。这些高压端部位极易对机壳放电，因此本实施例将金属外壳的顶部左侧开了一个方洞，在方洞上的铁壳边缘固定一个绝缘板20(实验表明用DVD光盘大塑盒就行)，就构成了防高压放电外壳3(或者说是带大面积高压绝缘板的机壳的上盖)。把高压发生器的输出端19(它与图1的OUT相通的)从其中央穿出，把高压降压电阻R18安装在绝缘板20上(实验表明，按如图2所示的位置平放入DVD光盘大塑盒内，可更好地解决对外壳放电问题)，就很好的解决了上述难题。同时高压电的地线接防高压放电外壳3的金属部分，使得实验平台搭建在仪器的顶部成为可能，实验安全方便、节省实验用面积。防高压放电外壳3的左半部分不应有绝缘漆，可电镀或用铝或不锈钢材料制造。在上面放置一块稍厚(2-3毫米)点的可活动金属板21，其下部也不应有绝缘漆，以保证它与防高压放电外壳3的金属部分良好的点接触，它是作为可方便移动的小接地平台。其上面通过焊锡11焊接有支脚17，支脚17与塑料盒8通过螺丝10紧固在一起。平行金属板电极的高压电极13通过导线15与带有小夹子的高压发生器的输出端19相连，塑料盒12通过高压侧支脚14固定在底座16上，底座16也是绝缘材料制成的。底座16通过螺丝18可拆式固定在绝缘板20上(为便于运输)。接地电极9同样也放入一个相同尺寸的塑料盒8中，也粘在内侧。实验中，为了获得很强的电场，常要把接地电极9靠近高压电极13，两电极之间很易发生放电现象，但通过实验证明，接地电极9和高压电极13上的塑料盒的存在显著消除了该弊端，使两极距离很近场强很高也不发生高压放电，为强电场实验提供了条件，同时也避免了高压电极13与人体的接触，安全性提高，也可以直接把绝缘材料制在高压电极13的正反两面及侧面上，厚度2-3毫米，而接地电极9则可不带绝缘材料。13上图2中的4为电源指示发光二极管D19(见图1)，5为波段开关K6(见图1)，6为电位器W2(见图1)，7为机壳紧固螺丝。

本实施例的机械工作过程是这样的：按图2画的状态，且高压选择脉冲模式，在接地电极9和高压电极13之间放上高度合适的绝缘支架，把待测生物样品或人的肢体等放在该绝缘支架上，选择不同的两电极之间的距离、电压、脉冲频率和宽窄脉冲，则可进行生物物理和医学方面的研究实验。去掉待测样品和绝缘支架，也可做平行板电容的电场的实验。

如果把高压电极13断开，则从高压输出电极19输出高压电实验用电压，高压电即可恒定不变，也可脉冲式输出，频率脉宽都可调，为各类用高压电的实验或研究乃至生产领域提供了一种很好的仪器。

本实施例的元件参数如下：

电源变压器B1用次级电压18—23伏、功率50W左右的。变压器B2可用电视机用的同类变压器即可。高压变压器B3可用电视机的行输出变压器代替。三极管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8、T9型号分别为3DD303、3DG12、3DG6、3DD15、3DD15、C9013、3DG6A、3DG12A、DD03C。二极管D1、D2、D3、D4、D6、D7、D8、D9、D11、D12、D13、D14全用1N4007。稳压二极管D5用2CW14。二极管D15、D16、D17分别为2AP4S、2CN3E、2CN4D。高压整流硅堆D18要用耐压18KV以上的。电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7、R8、R9、R10、R11、R13、R14、R15、R16、R17、R19的阻值分别为2.7、0.2、0.5、1、1、0.5、0.5、0，5、27、4.7、8.2、0.27、4.3、0.027、0.18、0.0006、2KΩ。可变电阻R12阻值为100K的，高压降压电阻R18阻值为500—1000MΩ且长体的。电位器W1、W2、W3、W4、W5的阻值分别为1、4.7、4.7、47、47KΩ。电容C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7、C8、C9、C10、C11、C12、C13、C14、C15、C16、C17、C18、C19、C20、C21、C22、C23、C24、C25、C26、C27、C28、C29、C30、C31、C32、C33、C34、C35、C36、C37、C38的电容值分别为0.01、0.01、0.01、0.01、4700、1、47、1000、470、100、100、220、4.7、0.01、47、0.047、10、2200、0.1、470、220、100、33、22、14.7、10、4.7、3.3、2.2、1、220、4.7、0.015、0.082、0.1、0.022、2.5、220μf。继电器J用6V工作电压的。电源开关K1用大拨动开关，其他开关都用小拨动开关就可。波段开关K6可用普通单层或双层11位波段开关。高压电显示电压表KV可用满偏电流50-100微安的表头，其显示电压值应为电流值乘以高压降压电阻R18的阻值，可直接把高压刻度标到表的刻度盘上以方便读数。为了仪器的保护，可在电源变压器B1的输入端再串联一个0.75A的保险丝。可调电感L5可用电视机行扫描同类电感。电感L2、L3可用电视机的行场偏转线圈代替。电感线圈L1、L4用直径1.3毫米的铜漆包线绕在直径6毫米的圆棒上10匝后脱胎而成。

本实用新型可以做许多变化，例如：为了提高高压到2-5万伏以上，可提高电源电路及后继相应电路的工作电压，电源可用开关电源，相应元器件也应更换成规格更高的；电路做一些相应变化后，继电器也可用晶闸管代替；振荡器的电路类型也可变化；也可再增加频率计，但此时为了实现频率微调，可把脉冲频率控制器的频率控制电位器(例如W5)安装在仪器面板上，以方便频率微调；高压显示电压表也可换成数字电压表。但是这些变化都将使成本提高或大幅度增加。

Claims (6)

1、一种高压电脉冲实验仪，包含直流电源，高压发生器，其特征在于脉冲频率控制器的继电器开关通过双掷开关串联在高压振荡电路和高压发生器的功率输出电路之间，高压发生器的输出端固定在防高压放电外壳的绝缘板上并与高压电极相连，高压电显示电压表串联在高压降压电阻的另一端和地之间，与高压电极相对的接地电极固定在可活动金属板上并且电连接，高压发生器的地线接防高压放电外壳的金属部分。

2、按权利要求1所述的多功能电磁脉冲实验仪，其特征在于脉冲频率控制器的频率控制端子的一端与波段开关的滑动端相连，另一端与脉冲频率控制电容的公共连接端相连。

3、按权利要求1所述的多功能电磁脉冲实验仪，其特征在于直流电源由第一级直流稳压电源和第二级可调直流稳压电源组合而成，第二级可调直流稳压电源串联在第一级直流稳压电源和高压发生器的功率输出电路之间。

4、按权利要求3所述的多功能电磁脉冲实验仪，其特征在于第二级可调直流稳压电源由串联稳压电源和二极管降压电路串联构成，二极管降压电路由多个二极管正向串联后再与开关并联而成。

5、按权利要求1所述的多功能电磁脉冲实验仪，其特征在于脉冲频率控制器由场扫描集成电路和外围电路构成。

6、按权利要求1所述的多功能电磁脉冲实验仪，其特征在于高压电极表面带有绝缘材料。

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