专利名称：一种高压电学实验箱的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高校学生进行电学实验或教学演示的一种装置，特别是用于高电
压的电学实验。
背景技术：
我国正在进行的高压和特高压相关工程的建设，高电压大功率电源和交直流高电 压特性等方面研究，有许多技术问题需要解决，包括系统研究、测试、产品研究与开发、工程 设计和实施等问题.以及高压、特高压直流输电工程的电磁环境、过电压与绝缘配合、直流 偏磁、控制保护系统、交直流高压的特性等方面的研究已经对于高电压领域科研人员的实 践能力提出了更高的要求。 但是由于高压电学实验设备价格昂贵，实验危险性较大，控制不方便，所以试验设 备很难推广，相关的实验也很难开展，因此很多学生往往只能通过观看录像或在科技展览 馆中获得相关的高压电学实践知识，对高压放电的现象往往没有一个直观的印象，而自己 更没有得到实践的机会。理论和实践没有很好地结合起来。 基于提高学生实践能力原则，本实用新型提出了一种设计简单，控制简便、灵活， 低成本，安全性高，并可根据需要进行功能扩展的高压电学实验箱。该实验箱可以对于学生 的高压电学理论知识和实践能力的提高有非常大的帮助。
发明内容本实用新型采用一种较为简单的装置，能完成至少5个不同的高压放电方面的实 验，同时，利用装置的扩展功能，可以进行多种其它高压相关实验。 本实用新型采用220V，50Hz市电输入，通过40W的主变压器将其变为幅值24V，频 率50Hz的交流电，作为主工作电路的输入电压。高压电学实验箱内部主要包括有输出端接 线柱扩展端口 ，其特征在于，还设置有交直流转换电路，用于选择升压控制电路所产生的 高电压是以直流状态输出还是交流状态输出；升压控制电路，用于将从电源得到的幅值为 24V直流电变换为8000V 10000V交流电； 高压电学实验箱内部的交直流转换电路包括有与升压控制电路相连的单刀双掷 开关K2，与K2b相连的高压硅堆Dl，其中，所述的单刀双掷开关K2c端与升压控制电路中行 输出变压器F的输出引脚F4相连，所述的单刀双掷开关K2a端与输出端HV直接相连，所述 的高压硅堆Dl的正极连接单刀双掷开关K2b端，负极接输出端HV。 高压电学实验箱内部的升压控制电路包括有单刀双掷开关K1、控制功能扩展接线 端子B、大功率晶体管Q1、限流电阻R1和行输出变压器F。其中，所述的大功率晶体管Q1的 发射极接直流电源的"_"端，集电极连接行输出变压器F输入端的F3脚，基极通过电阻Rl 连接行输出变压器F的Fl脚；行输出变压器F的F4脚为输出端，连接K2c端，行输出变压 器F的F5脚接地。所述的单刀双掷开关Klc端与电源的"+ "相接，Kla端与控制功能扩展 接线端子B的一端相接，另一端与交直流转换电路中行输出变压器F2引脚相接。Klb端直接与F2引脚相接。 高压电学实验箱内部的输出端接线柱扩展端口包括有高压输出负载扩展板，脉冲 高压发生器回路实验板。 高压电学实验箱内部的高压输出负载扩展板包括滑道，绝缘板固定孔，绝缘底板、 调节螺母，移动式负载接线柱，金属杆支架，伸縮金属杆、其中可以通过调节螺母使移动式 负载接线柱在绝缘底板的滑道中滑动，以改变放电间距。移动式负载接线柱中的一个与交 直流转换电路的HV相接，另一个与升压控制电路中行输出变压器F5脚相接，金属杆支架的 Z5a端与移动式负载接线柱的B端相接，伸縮金属杆的A端与金属杆支架的A端，可以进一 步延伸电弧的轨迹。 高压电学实验箱内部的脉冲高压发生器回路实验板包括绝缘底板、固定电阻，带 金属边缘小孔，绝缘板固定孔，高压电容和放电球。放电球的端插入带金属边缘小孔，高压 电容的一个C1引脚插入放电球的G2端，整体电路的搭建如图三所示。电路完成后，每两个 放电球为一组，它们的G1端可以组成一个放电球隙，电容在电路中是以并联的形式存在。 本实用新型的一种高压电学实验箱，是用简单的电路和电子元器件，通过模块化 组合，在一个实验箱中就能完成多种高压电学实验。采用降压整流方式将市电变换为实验 箱的工作电压，直流24伏，升压控制电路采用开关方式控制功率器件，使直流24伏电压逆 变为交流并升压至10000伏，交直流转换开关实现对交流高压的整流，输出直流高压，输出 端接线柱扩展端口展现高压放电实验现象；通过接线柱可以进行交、直流放电实验，在扩展 端口上接入相应的电阻、电容器件，可以实现人造闪电实验。该实验箱成本低，功能强，实验 丰富，实验现象明显，使用简单，而且相对安全，为高压电学原理和现象研究提供了设备基 础。
图1是实验箱系统结构框图 图2是实验箱的内部区域划分图 图3是实验箱内部主电路图 图4是冲击电压发生器电路图 图5是负载接线柱区域结构图 图6是脉冲高压发生器回路实验板结构图(正反面) 图7是部分元件图 其中 l:电源 2:升压控制电路 3:交直流转换电路 4:输出端接线柱扩展端口
具体实施方式元件箱内有以下元件高压电容器C有12个，放电球G有24个，带绝缘外皮铜导 线1根，连接导线4根，放电铜导线2根，支架底座Zl有2个，可伸縮金属杆Z4有2根，输 出端接线柱Z5有2根，六角螺母Z7有4个，电源线1根，铁扳手一个。 当插上接通电源时，主变压器将220V市电转化成24V交流电，再通过后面的整流CN
滤波电路将其转化为直流电输送给升压控制电路2。 升压电路中使用的升压元件是行输出变压器。当开关K1闭合时，行输出变压器F 的F2脚接通24V， 1. 5A直流电源，电流由F2脚流向Fl脚，此时三极管导通，在导通的瞬间， 行输出变压器F的F3脚相当于接地，电势变为O，Fl脚与F3脚之间会产生一个方向与原来 相反的很大的感应电动势，电流由Fl脚流向F3脚。此时，三极管截止，7脚电位升高而Fl 脚降低，所以电流又由F3脚流向Fl脚，此时三极管Ql再次导通，以上过程重复进行，那么 三极管进行周期性导通和截止，相当于从行输出变压器F的Fl脚、F3脚输入了方波信号。 根据电磁感应原理，行输出变压器F输出端产生交流高压。如果需要直流高压，那么将开 关K2拨向2支路，经过高压硅堆整流，最终就会产生比较稳定的直流高电压；如需要交流高 压，K2拨向l支路。最终，所获得的交流高压就可以通过输出端接线柱输出。 实验一 交流高压放电 1.通过调节六角螺母Z7的松紧，在槽Z10内调节两输出端接线柱Z5之间的距离 至能够二者击穿之间的空气，固定六角螺母Z7。 2.K2拨向K2a，插上电源插头， 3. Kl拨向Kla，观察两输出端接线柱Z5之间是否有连续电弧产生。 4.如果没有电弧产生，关闭K1，用元件箱E内的带绝缘外皮的铜导线两端分别接
触两输出端接线柱Z5放电，然后调节两输出端接线柱Z5之间的距离。 5.重复执行3 ， 4直到出现理想电弧。 6.观察电弧出现瞬间及此后指南针的指针是否有变化。 实验二 高压电弧的产生和消失 1.将可伸縮金属杆Z4插在支架底座Zl顶端Z3，支架底座Zl底端Z2固定在输出 端接线柱Z5上；如实验一的方法，调节两输出端接线柱Z5之间的距离至能够击穿之间的空 气；调节可伸縮金属杆Z4的长度。 2. K2拨向K2a，插上电源插头。 3. Kl拨向Kla，观察两输出端接线柱Z5之间是否有连续电弧产生，如果有电弧，那 么电弧将沿可伸縮金属杆Z4上升，当被拉长到一定长度后就会消失。而且只要不切断电 源，电弧将不停地出现。 4.如果没有电弧产生，关闭Kl，用元件箱内的带绝缘外皮的铜导线两端分别接触
输出端接线柱Z5放电，然后调节两输出端接线柱Z5之间的距离。 5.重复执行3 ， 4直到出现理想电弧。 6.观察电弧出现瞬间及此后指南针的指针是否有变化。 7.比较放电前后可伸縮金属杆Z4的温度变化情况。 8.拉长或縮短可伸縮金属杆Z4的长度，重复上述过程，观察实验现象的变化。
实验三直流高压放电 1.通过调节六角螺母Z7的松紧，在槽Z10内调节两输出端接线柱Z5之间的距离 至能够二者击穿之间的空气，固定六角螺母Z7。 2.K2拨向K2b，插上电源插头。 3. Kl拨向Kla，观察两输出端接线柱Z5之间是否有连续电弧产生。 4.如果没有电弧产生，关闭Kl，用元件箱内的带绝缘外皮的铜导线两端分别接触两输出端接线柱Z5放电，然后调节两输出端接线柱Z5之间的距离。 5重复执行3 ， 4直到出现理想电弧。 6.观察电弧出现瞬间及此后指南针的指针是否有变化。 实验四脉冲高压放电 如图4所示的脉冲发生电路采用Marx(马克思脉冲)发生器，是由多数个相同 的电容C并联连接，在每两个电容C的各相并联端之间都接有一个阻值大于2MQ的电阻 (M2)，在每两个电容C的尾首之间都通过放电球隙G相连； Marx发生器的基本原理是使电容C并联充电，再串联放电，从而实现电压的倍增。 当所加电压为+HV时，因为初始时放电球隙G并未被击穿，故而断路。所有的电 容C并联在电源两侧。对于每一个电容C而言，如果充满电，其两端的电势差为+HV。当在 +丽的电压作用下第一级放电球隙8击穿后，如图2， @两点相当于导线连接，@处的电势 瞬时变化和①相同，即从0变为+HV ;③与②的电势差为+HV，故而③处电势变为+2HV ;紧接 着第二个放电球隙g击穿， 处电势由0变为+2HV,⑤处变为+3丽 依此类推，经过n次升 压，在放电终端，电压升高为+nHV。从而在很短的时间内实现了电压的倍增。而且，因为图 中电阻M2的阻值很大，为MQ级，可以起到很好的隔离作用，使相邻各点之间的电势不会在 短时间内相互影响。 1.将元件箱E内的电容和放电球G按照图三电路连接方式所示插在脉冲高压发生 器回路实验板M的带金属边缘小孔M3上，回路的级数不限；放电导线一头夹在放电球竖直 杆G2上，另一头悬空。 2.用两根导线将负载接线柱和冲击电压发生器回路连接起来，注意正负极对应。 接地的接线柱上引出一根导线，引出端也悬空，并与放电导线的悬空端相距n至2n厘米(n 为冲击电压回路的级数)；调节输出端接线柱Z5两放电极之间的距离至足够大。 3.K2拨向K2b，插上电源插头。 4. Kl拨向Kla，观察整个电路放电球隙和放电终端(FD)的放电情况。如果没有电 弧出现，关闭Kl，按实验一第4步的方法调节实验仪器。 5.重复3，4直到出现闪电脉冲。 6.观察放电时指南针的指针变化。 实验五特斯拉线圈放电， 在实验一的基础上，将负载接线柱作为点火球隙，自行设计试验准备器材，可以制
作完成小功率的特斯拉线圈，进行放电实验。由于电源功率小，所以危险性大大减少。 扩展实验示例 1.将K1拨向2，可以在主电路的中断处连接继电器或其它控制设备，这样就可以
自行设计电子开关控制电路的通断。 2.设计电路，检测闪电脉冲。 3.对闪电脉冲出现的次数进行计数。 4.将以上三者结合，设计脉冲计数控制电路。
权利要求一种高压电学实验箱，包括有输出端接线柱扩展端口(4)，其特征在于，还设置有交直流转换电路(3)，用于选择升压控制电路(2)所产生的高电压是以直流状态输出还是交流状态输出；升压控制电路(2)，用于将从电源(1)得到的幅值为24V直流电变换为8000V～10000V交流电。
2. 根据权利要求l所述的高压电学实验箱，其特征在于，所述的交直流转换电路(3)包 括有与升压控制电路(2)相连的单刀双掷开关K2，与K2b相连的高压硅堆Dl，其中，所述的 单刀双掷开关K2c端与升压控制电路(2)中行输出变压器F的输出引脚F4相连，所述的单 刀双掷开关K2a端与输出端HV直接相连，所述的高压硅堆Dl的正极连接单刀双掷开关K2b 端，负极接输出端HV。
3. 根据权利要求l所述的高压电学实验箱，其特征在于，所述的升压控制电路(2)包括 有单刀双掷开关K1、控制功能扩展接线端子B、大功率晶体管Q1、限流电阻R1和行输出变压 器F，其中，所述的大功率晶体管Q1的发射极接直流电源(1)的"-"端，集电极连接行输出 变压器F输入端的F3脚，基极通过电阻Rl连接行输出变压器F的Fl脚；行输出变压器F 的F4脚为输出端，连接K2c端，行输出变压器F的F5脚接地，所述的单刀双掷开关Klc端 与电源(1)的"+ "相接，Kla端与控制功能扩展接线端子B的一端相接，另一端与交直流转 换电路(3)中行输出变压器F2引脚相接，Klb端直接与F2引脚相接。
4. 根据权利要求1所述的高压电学实验箱，其特征在于，所述的输出端接线柱扩展端 口 (4)包括有高压输出负载扩展板(Z)，脉冲高压发生器回路实验板(M)。
5. 根据权利要求1或权利要求4所述的高压电学实验箱，其特征在于，所述的输出端接 线柱扩展端口 (4)包括有滑道(Z10)，绝缘板固定孔(Z9)，绝缘底板(Z8)、调节螺母(Z7)， 移动式负载接线柱(Z5)，金属杆支架(Zl)，伸縮金属杆(Z4)、其中可以通过调节螺母(Z7) 使移动式负载接线柱(Z5)在绝缘底板(Z8)的滑道(Z10)中滑动，以改变放电间距，移动式 负载接线柱(Z5)中的一个与交直流转换选择电路(3)的HV相接，另一个与升压控制电路 (2)中行输出变压器F5脚相接，金属杆支架(Zl)的Z5a端与移动式负载接线柱(Z5)的B 端相接，伸縮金属杆(Z4)的A端与金属杆支架(Zl)的A端，可以进一步延伸电弧的轨迹。
6. 根据权利要求1或权利要求4所述的高压电学实验箱，其特征在于，所述的输出端接 线柱扩展端口 (4)包括有绝缘底板(Ml)、固定电阻(M2)，带金属边缘小孔(M3)，绝缘板固定 孔(M4)，高压电容(C)和放电球(G)，放电球(G)的G2端插入带金属边缘小孔(M3)，高压电 容(C)的一个C1'引脚插入放电球(G)的G2端，电路完成后，每两个放电球(G)为一组，它 们的Gl端可以组成一个放电球隙，电容在电路中是以并联的形式存在。
专利摘要本实用新型涉及一种高压电学实验箱，主要包括有电源，升压控制电路，交直流转换电路，输出端接线柱扩展端口。其中电源采用降压整流方式将交流220伏市电变换为直流24伏，以供后端升压使用，升压控制电路采用开关方式控制功率器件，使直流24伏电压逆变为交流并升压至10000伏，交直流转换开关可以实现对交流高压的整流，输出直流高压，输出端接线柱扩展端口可以展现高压放电现象，通过接线柱可以观察交流高压放电，直流高压放电等现象，在扩展端口上接入相应的电阻电容器件，可以实现人造闪电实验。该实验箱成本低，功能强，实验丰富，使用方法简单，而且相对安全，适合推广使用。
文档编号H02M7/02GK201465384SQ20092009655
公开日2010年5月12日 申请日期2009年4月28日 优先权日2009年4月28日
发明者牟奎霖, 高圣伟 申请人:天津工业大学