專利名稱：一種高壓電學實驗箱的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及高校學生進行電學實驗或教學演示的一種裝置，特別是用于高電
壓的電學實驗。
背景技術：
我國正在進行的高壓和特高壓相關工程的建設，高電壓大功率電源和交直流高電 壓特性等方面研究，有許多技術問題需要解決，包括系統研究、測試、產品研究與開發、工程 設計和實施等問題.以及高壓、特高壓直流輸電工程的電磁環境、過電壓與絕緣配合、直流 偏磁、控制保護系統、交直流高壓的特性等方面的研究已經對于高電壓領域科研人員的實 踐能力提出了更高的要求。 但是由于高壓電學實驗設備價格昂貴，實驗危險性較大，控制不方便，所以試驗設 備很難推廣，相關的實驗也很難開展，因此很多學生往往只能通過觀看錄像或在科技展覽 館中獲得相關的高壓電學實踐知識，對高壓放電的現象往往沒有一個直觀的印象，而自己 更沒有得到實踐的機會。理論和實踐沒有很好地結合起來。 基于提高學生實踐能力原則，本實用新型提出了一種設計簡單，控制簡便、靈活， 低成本，安全性高，并可根據需要進行功能擴展的高壓電學實驗箱。該實驗箱可以對于學生 的高壓電學理論知識和實踐能力的提高有非常大的幫助。
發明內容本實用新型采用一種較為簡單的裝置，能完成至少5個不同的高壓放電方面的實 驗，同時，利用裝置的擴展功能，可以進行多種其它高壓相關實驗。 本實用新型采用220V，50Hz市電輸入，通過40W的主變壓器將其變為幅值24V，頻 率50Hz的交流電，作為主工作電路的輸入電壓。高壓電學實驗箱內部主要包括有輸出端接 線柱擴展端口 ，其特征在于，還設置有交直流轉換電路，用于選擇升壓控制電路所產生的 高電壓是以直流狀態輸出還是交流狀態輸出；升壓控制電路，用于將從電源得到的幅值為 24V直流電變換為8000V 10000V交流電； 高壓電學實驗箱內部的交直流轉換電路包括有與升壓控制電路相連的單刀雙擲 開關K2，與K2b相連的高壓硅堆Dl，其中，所述的單刀雙擲開關K2c端與升壓控制電路中行 輸出變壓器F的輸出引腳F4相連，所述的單刀雙擲開關K2a端與輸出端HV直接相連，所述 的高壓硅堆Dl的正極連接單刀雙擲開關K2b端，負極接輸出端HV。 高壓電學實驗箱內部的升壓控制電路包括有單刀雙擲開關K1、控制功能擴展接線 端子B、大功率晶體管Q1、限流電阻R1和行輸出變壓器F。其中，所述的大功率晶體管Q1的 發射極接直流電源的"_"端，集電極連接行輸出變壓器F輸入端的F3腳，基極通過電阻Rl 連接行輸出變壓器F的Fl腳；行輸出變壓器F的F4腳為輸出端，連接K2c端，行輸出變壓 器F的F5腳接地。所述的單刀雙擲開關Klc端與電源的"+ "相接，Kla端與控制功能擴展 接線端子B的一端相接，另一端與交直流轉換電路中行輸出變壓器F2引腳相接。Klb端直接與F2引腳相接。 高壓電學實驗箱內部的輸出端接線柱擴展端口包括有高壓輸出負載擴展板，脈沖 高壓發生器回路實驗板。 高壓電學實驗箱內部的高壓輸出負載擴展板包括滑道，絕緣板固定孔，絕緣底板、 調節螺母，移動式負載接線柱，金屬桿支架，伸縮金屬桿、其中可以通過調節螺母使移動式 負載接線柱在絕緣底板的滑道中滑動，以改變放電間距。移動式負載接線柱中的一個與交 直流轉換電路的HV相接，另一個與升壓控制電路中行輸出變壓器F5腳相接，金屬桿支架的 Z5a端與移動式負載接線柱的B端相接，伸縮金屬桿的A端與金屬桿支架的A端，可以進一 步延伸電弧的軌跡。 高壓電學實驗箱內部的脈沖高壓發生器回路實驗板包括絕緣底板、固定電阻，帶 金屬邊緣小孔，絕緣板固定孔，高壓電容和放電球。放電球的端插入帶金屬邊緣小孔，高壓 電容的一個C1引腳插入放電球的G2端，整體電路的搭建如圖三所示。電路完成后，每兩個 放電球為一組，它們的G1端可以組成一個放電球隙，電容在電路中是以并聯的形式存在。 本實用新型的一種高壓電學實驗箱，是用簡單的電路和電子元器件，通過模塊化 組合，在一個實驗箱中就能完成多種高壓電學實驗。采用降壓整流方式將市電變換為實驗 箱的工作電壓，直流24伏，升壓控制電路采用開關方式控制功率器件，使直流24伏電壓逆 變為交流并升壓至10000伏，交直流轉換開關實現對交流高壓的整流，輸出直流高壓，輸出 端接線柱擴展端口展現高壓放電實驗現象；通過接線柱可以進行交、直流放電實驗，在擴展 端口上接入相應的電阻、電容器件，可以實現人造閃電實驗。該實驗箱成本低，功能強，實驗 豐富，實驗現象明顯，使用簡單，而且相對安全，為高壓電學原理和現象研究提供了設備基 礎。
圖1是實驗箱系統結構框圖 圖2是實驗箱的內部區域劃分圖 圖3是實驗箱內部主電路圖 圖4是沖擊電壓發生器電路圖 圖5是負載接線柱區域結構圖 圖6是脈沖高壓發生器回路實驗板結構圖(正反面) 圖7是部分元件圖 其中 l:電源 2:升壓控制電路 3:交直流轉換電路 4:輸出端接線柱擴展端口
具體實施方式元件箱內有以下元件高壓電容器C有12個，放電球G有24個，帶絕緣外皮銅導 線1根，連接導線4根，放電銅導線2根，支架底座Zl有2個，可伸縮金屬桿Z4有2根，輸 出端接線柱Z5有2根，六角螺母Z7有4個，電源線1根，鐵扳手一個。 當插上接通電源時，主變壓器將220V市電轉化成24V交流電，再通過后面的整流CN
濾波電路將其轉化為直流電輸送給升壓控制電路2。 升壓電路中使用的升壓元件是行輸出變壓器。當開關K1閉合時，行輸出變壓器F 的F2腳接通24V， 1. 5A直流電源，電流由F2腳流向Fl腳，此時三極管導通，在導通的瞬間， 行輸出變壓器F的F3腳相當于接地，電勢變為O，Fl腳與F3腳之間會產生一個方向與原來 相反的很大的感應電動勢，電流由Fl腳流向F3腳。此時，三極管截止，7腳電位升高而Fl 腳降低，所以電流又由F3腳流向Fl腳，此時三極管Ql再次導通，以上過程重復進行，那么 三極管進行周期性導通和截止，相當于從行輸出變壓器F的Fl腳、F3腳輸入了方波信號。 根據電磁感應原理，行輸出變壓器F輸出端產生交流高壓。如果需要直流高壓，那么將開 關K2撥向2支路，經過高壓硅堆整流，最終就會產生比較穩定的直流高電壓；如需要交流高 壓，K2撥向l支路。最終，所獲得的交流高壓就可以通過輸出端接線柱輸出。 實驗一 交流高壓放電 1.通過調節六角螺母Z7的松緊，在槽Z10內調節兩輸出端接線柱Z5之間的距離 至能夠二者擊穿之間的空氣，固定六角螺母Z7。 2.K2撥向K2a，插上電源插頭， 3. Kl撥向Kla，觀察兩輸出端接線柱Z5之間是否有連續電弧產生。 4.如果沒有電弧產生，關閉K1，用元件箱E內的帶絕緣外皮的銅導線兩端分別接
觸兩輸出端接線柱Z5放電，然后調節兩輸出端接線柱Z5之間的距離。 5.重復執行3 ， 4直到出現理想電弧。 6.觀察電弧出現瞬間及此后指南針的指針是否有變化。 實驗二 高壓電弧的產生和消失 1.將可伸縮金屬桿Z4插在支架底座Zl頂端Z3，支架底座Zl底端Z2固定在輸出 端接線柱Z5上；如實驗一的方法，調節兩輸出端接線柱Z5之間的距離至能夠擊穿之間的空 氣；調節可伸縮金屬桿Z4的長度。 2. K2撥向K2a，插上電源插頭。 3. Kl撥向Kla，觀察兩輸出端接線柱Z5之間是否有連續電弧產生，如果有電弧，那 么電弧將沿可伸縮金屬桿Z4上升，當被拉長到一定長度后就會消失。而且只要不切斷電 源，電弧將不停地出現。 4.如果沒有電弧產生，關閉Kl，用元件箱內的帶絕緣外皮的銅導線兩端分別接觸
輸出端接線柱Z5放電，然后調節兩輸出端接線柱Z5之間的距離。 5.重復執行3 ， 4直到出現理想電弧。 6.觀察電弧出現瞬間及此后指南針的指針是否有變化。 7.比較放電前后可伸縮金屬桿Z4的溫度變化情況。 8.拉長或縮短可伸縮金屬桿Z4的長度，重復上述過程，觀察實驗現象的變化。
實驗三直流高壓放電 1.通過調節六角螺母Z7的松緊，在槽Z10內調節兩輸出端接線柱Z5之間的距離 至能夠二者擊穿之間的空氣，固定六角螺母Z7。 2.K2撥向K2b，插上電源插頭。 3. Kl撥向Kla，觀察兩輸出端接線柱Z5之間是否有連續電弧產生。 4.如果沒有電弧產生，關閉Kl，用元件箱內的帶絕緣外皮的銅導線兩端分別接觸兩輸出端接線柱Z5放電，然后調節兩輸出端接線柱Z5之間的距離。 5重復執行3 ， 4直到出現理想電弧。 6.觀察電弧出現瞬間及此后指南針的指針是否有變化。 實驗四脈沖高壓放電 如圖4所示的脈沖發生電路采用Marx(馬克思脈沖)發生器，是由多數個相同 的電容C并聯連接，在每兩個電容C的各相并聯端之間都接有一個阻值大于2MQ的電阻 (M2)，在每兩個電容C的尾首之間都通過放電球隙G相連； Marx發生器的基本原理是使電容C并聯充電，再串聯放電，從而實現電壓的倍增。 當所加電壓為+HV時，因為初始時放電球隙G并未被擊穿，故而斷路。所有的電 容C并聯在電源兩側。對于每一個電容C而言，如果充滿電，其兩端的電勢差為+HV。當在 +麗的電壓作用下第一級放電球隙8擊穿后，如圖2， @兩點相當于導線連接，@處的電勢 瞬時變化和①相同，即從0變為+HV ;③與②的電勢差為+HV，故而③處電勢變為+2HV ;緊接 著第二個放電球隙g擊穿， 處電勢由0變為+2HV,⑤處變為+3麗 依此類推，經過n次升 壓，在放電終端，電壓升高為+nHV。從而在很短的時間內實現了電壓的倍增。而且，因為圖 中電阻M2的阻值很大，為MQ級，可以起到很好的隔離作用，使相鄰各點之間的電勢不會在 短時間內相互影響。 1.將元件箱E內的電容和放電球G按照圖三電路連接方式所示插在脈沖高壓發生 器回路實驗板M的帶金屬邊緣小孔M3上，回路的級數不限；放電導線一頭夾在放電球豎直 桿G2上，另一頭懸空。 2.用兩根導線將負載接線柱和沖擊電壓發生器回路連接起來，注意正負極對應。 接地的接線柱上引出一根導線，引出端也懸空，并與放電導線的懸空端相距n至2n厘米(n 為沖擊電壓回路的級數)；調節輸出端接線柱Z5兩放電極之間的距離至足夠大。 3.K2撥向K2b，插上電源插頭。 4. Kl撥向Kla，觀察整個電路放電球隙和放電終端(FD)的放電情況。如果沒有電 弧出現，關閉Kl，按實驗一第4步的方法調節實驗儀器。 5.重復3，4直到出現閃電脈沖。 6.觀察放電時指南針的指針變化。 實驗五特斯拉線圈放電， 在實驗一的基礎上，將負載接線柱作為點火球隙，自行設計試驗準備器材，可以制
作完成小功率的特斯拉線圈，進行放電實驗。由于電源功率小，所以危險性大大減少。 擴展實驗示例 1.將K1撥向2，可以在主電路的中斷處連接繼電器或其它控制設備，這樣就可以
自行設計電子開關控制電路的通斷。 2.設計電路，檢測閃電脈沖。 3.對閃電脈沖出現的次數進行計數。 4.將以上三者結合，設計脈沖計數控制電路。
權利要求一種高壓電學實驗箱，包括有輸出端接線柱擴展端口(4)，其特征在于，還設置有交直流轉換電路(3)，用于選擇升壓控制電路(2)所產生的高電壓是以直流狀態輸出還是交流狀態輸出；升壓控制電路(2)，用于將從電源(1)得到的幅值為24V直流電變換為8000V～10000V交流電。
2. 根據權利要求l所述的高壓電學實驗箱，其特征在于，所述的交直流轉換電路(3)包 括有與升壓控制電路(2)相連的單刀雙擲開關K2，與K2b相連的高壓硅堆Dl，其中，所述的 單刀雙擲開關K2c端與升壓控制電路(2)中行輸出變壓器F的輸出引腳F4相連，所述的單 刀雙擲開關K2a端與輸出端HV直接相連，所述的高壓硅堆Dl的正極連接單刀雙擲開關K2b 端，負極接輸出端HV。
3. 根據權利要求l所述的高壓電學實驗箱，其特征在于，所述的升壓控制電路(2)包括 有單刀雙擲開關K1、控制功能擴展接線端子B、大功率晶體管Q1、限流電阻R1和行輸出變壓 器F，其中，所述的大功率晶體管Q1的發射極接直流電源(1)的"-"端，集電極連接行輸出 變壓器F輸入端的F3腳，基極通過電阻Rl連接行輸出變壓器F的Fl腳；行輸出變壓器F 的F4腳為輸出端，連接K2c端，行輸出變壓器F的F5腳接地，所述的單刀雙擲開關Klc端 與電源(1)的"+ "相接，Kla端與控制功能擴展接線端子B的一端相接，另一端與交直流轉 換電路(3)中行輸出變壓器F2引腳相接，Klb端直接與F2引腳相接。
4. 根據權利要求1所述的高壓電學實驗箱，其特征在于，所述的輸出端接線柱擴展端 口 (4)包括有高壓輸出負載擴展板(Z)，脈沖高壓發生器回路實驗板(M)。
5. 根據權利要求1或權利要求4所述的高壓電學實驗箱，其特征在于，所述的輸出端接 線柱擴展端口 (4)包括有滑道(Z10)，絕緣板固定孔(Z9)，絕緣底板(Z8)、調節螺母(Z7)， 移動式負載接線柱(Z5)，金屬桿支架(Zl)，伸縮金屬桿(Z4)、其中可以通過調節螺母(Z7) 使移動式負載接線柱(Z5)在絕緣底板(Z8)的滑道(Z10)中滑動，以改變放電間距，移動式 負載接線柱(Z5)中的一個與交直流轉換選擇電路(3)的HV相接，另一個與升壓控制電路 (2)中行輸出變壓器F5腳相接，金屬桿支架(Zl)的Z5a端與移動式負載接線柱(Z5)的B 端相接，伸縮金屬桿(Z4)的A端與金屬桿支架(Zl)的A端，可以進一步延伸電弧的軌跡。
6. 根據權利要求1或權利要求4所述的高壓電學實驗箱，其特征在于，所述的輸出端接 線柱擴展端口 (4)包括有絕緣底板(Ml)、固定電阻(M2)，帶金屬邊緣小孔(M3)，絕緣板固定 孔(M4)，高壓電容(C)和放電球(G)，放電球(G)的G2端插入帶金屬邊緣小孔(M3)，高壓電 容(C)的一個C1'引腳插入放電球(G)的G2端，電路完成后，每兩個放電球(G)為一組，它 們的Gl端可以組成一個放電球隙，電容在電路中是以并聯的形式存在。
專利摘要本實用新型涉及一種高壓電學實驗箱，主要包括有電源，升壓控制電路，交直流轉換電路，輸出端接線柱擴展端口。其中電源采用降壓整流方式將交流220伏市電變換為直流24伏，以供后端升壓使用，升壓控制電路采用開關方式控制功率器件，使直流24伏電壓逆變為交流并升壓至10000伏，交直流轉換開關可以實現對交流高壓的整流，輸出直流高壓，輸出端接線柱擴展端口可以展現高壓放電現象，通過接線柱可以觀察交流高壓放電，直流高壓放電等現象，在擴展端口上接入相應的電阻電容器件，可以實現人造閃電實驗。該實驗箱成本低，功能強，實驗豐富，使用方法簡單，而且相對安全，適合推廣使用。
文檔編號H02M7/02GK201465384SQ20092009655
公開日2010年5月12日 申請日期2009年4月28日 優先權日2009年4月28日
發明者牟奎霖, 高圣偉 申請人:天津工業大學