Construcción de un generador de alta tensión casero con un Flyback de TV

El último proyecto de este tipo que construí fue un altavoz de plasma con el que con muy pocos elementos obtuve unos resultados muy interesantes, pero claro, me quedé con ganas de algo más, así que nuevamente investigué que más se puede hacer con un flyback de televisión y casualmente me volvió a aparecer esta misma página web kaizerpowerelectronics.dk en el que se muestra de forma clara cómo construir un convertidor resonante de tipo ZVS.

Vista del montaje

Bueno, antes de todo como la seguridad es lo primero, tengo que decir que si el anterior proyecto (altavoz de plasma) era peligroso, este lo es aún más ya que las tensiones generadas son mayores, y lo que es más importante, la intensidad con la que se trabajará también lo es, por lo tanto, si se produce una descarga accidental hace que el riesgo de generar lesiones por electrocución y quemaduras tanto internas como externas sea mayor debido a que la temperatura y el calor que se establece entorno al arco es muy elevado, así que antes de empezar, recomiendo leer este artículo sobre las NORMAS DE SEGURIDAD en alta tensión. 

COMPONENTES NECESARIOS:

*Dos transistores MOSFET IRFP250N. 

Circuito del generador de alta tensión

*Dos diodos Zener 1N5349B. 

*Dos diodos rápidos MUR1560. 

*Dos resistencias de 470 ohmios y 5 W. 

*Dos resistencias 10 K. 

*Varios condensadores cuya capacidad total sea aproximadamente de 0,66 microfaradios, mínimo 250 voltios. 

*Una inductancia toroidal (anillo) de 170 microhenrios. 

*Disipador de calor. 

*Pasta térmica. 

En cuanto a los componentes he de decir que tanto los diodos rápidos como los diodos Zener no tienen por que ser los que se especifican arriba ya que el circuito original solo se indica que los primeros diodos tienes que se rápidos y que los Zener soporten por lo menos 12 voltios y en base a esto se puede eligir cualquier modelo que cumpla estas especificaciones, sin embargo, también quiero añadir que estos dos últimos componentes por lo menos donde vivo me fue imposible conseguirlos ya que en las tiendas de electrónica o me decían que nunca los habían tenido o me daban simplemente largas, a así que no tuve más remedio que comprarlos por Internet, los MOSFET los conseguí en eBay, y los diodos y el resto de componentes los compré en futurlec.com que como se puede pagar mediante Paypal la compra fue muy cómoda y en cosa de dos semanas ya tenía todo en casa. 

CONSTRUCCIÓN DEL CIRCUITO

Esquema de montaje

Ahora que ya tenemos los componentes, lo primero es montar el circuito, se puede hacer soldando los componentes directamente entre ellos o hacer lo mismo que construí para el anterior proyecto, una base de cartón a modo de circuito “impreso” y construir las pistas con alambre de cobre que también queda con una acabado elegante, pero eso a gusto de cada uno. 

MOSFET montado en el disipador

El siguiente paso es montar los MOSFET en su correspondiente disipador, yo los saqué en su día de un viejo televisor, sin embargo puede servir un trozo de aluminio o metal, y aquí una cosa importante, ambos transistores tienen que estar eléctricamente aislados así que he utilizando dos disipadores por separado aunque también se pueden montar ambos transistores sobre un mismo disipador pero interponiendo entre estos y el disipador una alfombrilla térmica la cual transmite el calor pero no la electricidad. 

En el primer caso hay que usar pasta térmica, si se usa estas alfombrillas ya no es necesario. 

Ventilación forzada

Después habrá que construir la inductancia ya que como en la mayor parte de estas cosas no se suelen encontrar a medida en las tiendas de electrónica, así que para hacerlo habrá que buscar un núcleo de ferrita con forma de anillo (toroidal), este se puede encontrar por ejemplo en las fuentes de alimentación conmutadas como las de los ordenadores, cuando ya lo tengamos habrá que dar unas 14 vueltas, vuelta arriba, vuelta abajo, y el cable a utilizar tendrá que soportar como poco 10 amperios. 

Salida de alta tensión

Bobina primaria

Por último habrá que arrollar la bobina primaria sobre el flyback, en principio cualquier modelo funcionará bien (preferiblemente de TV a color), solo hace falta que su núcleo de ferrita esté al descubierto, y en cuanto al número de vueltas habrá que dar 5 y 5, es decir, 10 en total y en el medio de estas habrá que sacar una toma media, y que todas ellas que estén en el mismo sentido, después habrá que buscar los terminales de la salida de alta tensión del flyback, para ello con un polímetro en posición de medir resistencia se toma un terminal de este y se pone en contacto con el cable que se dirige hacia la ventosa que va al tubo de imagen y ahora con el otro terminal se va probando uno a uno los pines de la base del mismo hasta encontrar la que menos resistencia tenga, entonces ese será el segundo terminal, ahora una vez localizado la salida de alta tensión a ambos extremos se suelda un par de cables con alambre pelado al final de estos, ya que si el arco se establece junto al flyback el calor literalmente lo derretiría por dentro al igual que si usamos solo cable sin quitar el aislante ya que este se quemaría (ya sabrás porqué en el vídeo)

Condesadores que forman parte del circuito tanque

Un apunte más, en cuanto a la elección de los condensadores una buena idea es usar varios acoplándolos en serie-paralelo para reducir al calor que en ellos se pudiera generar ya que al tener que trabajar con altas frecuencias estos están sometidos a mucho estrés lo que puede hacer que duren poco, así que usando varios en vez de uno solo con la capacidad exacta nos ahorrá problemas. 

Para hacer los cálculos de cómo hallar la capacidad total del conjunto de condensadores se usan las siguientes fórmulas. 

Fórmulas para la asociación de condensadores

A la hora de ponerlo en marcha habrá que tener una serie de consideraciones previas, la primera es que el consumo de este circuito es considerable y me quedo corto, ya que aplicándole una tensión de 12 voltios la intensidad llega fácilmente a los 5 amperios, con 24 voltios la intensidad se triplica llegando a los 15 amperios, y teniendo en cuenta que este circuito se puede alimentar con una tensión de hasta 40 voltios, la intensidad puede llegar a los 35 amperios de pico, aunque no recomiendo forzarlo tanto ya que con toda seguridad nuestro flyback se achicharraría, por no decir lo que ocurriría con los MOSFET, así que habrá que disponer de una fuente de alimentación muy potente, no tanto como para llegar a los 35 amperios pero si a 12 A mínimo y una tensión que ronde los 15-24 voltios si se quiere hacer un poco de espectáculo, o como es mi caso un simple transformador que nos de esa potencia y un puente rectificador que también soporte dicha intensidad, si no se dispone de esto mejor ni te plantees su construcción porque simplemente no funcionará o peor aún, nos carguemos la fuente. 

FABRICACIÓN DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN PARA EL GENERADOR

Si dispones de una fuente de alimentación que de esa potencia de salida, perfecto, si solo dispones de un transformador sin nada más como es mi caso (yo lo conseguí de un viejo cuadro de mando de un ascensor) y quieres construirte una fuente de corriente continua para este proyecto, con el siguiente esquema lo tendrás fácil.

Esquema fuente de alimentacion (puente de Graetz + condensador)

Puente rectificador montado sobre un dispador

Por último antes de ponerlo en marcha lo mejor es ir probando de menos a más tensión empezando por 15 voltios y de ahí en adelante, yo solo he probado hasta 24 voltios ya que me pareció suficiente para la experiencia y por otro lado no quería cargarme ningún componente ya que no los he conseguido a la vuelta de la esquina.

Disclaimer: Este experimento trabaja con altas tensiones por lo que una manipulación incorrecta puede entrañar riesgos que deriven en lesiones personales o materiales, y que en cualquier caso, si decides construirlo será bajo tu propia responsabilidad. -tp-

Construcción paso a paso un altavoz de plasma casero con muy pocos componentes

El montaje que se presenta a continuación es un circuito que no requiere más que unos mínimos conocimientos sobre electrónica y sobre todo muy pocos componentes, por lo que el resultado es un interesante y fácil circuito de llevar a término por poco dinero y además con muy buenos resultados si tenemos en cuenta lo simple que es.

Lo primero de todo decir que se está trabajando con ALTA TENSIÓN y que por lo tanto ni que decir tiene que cuando está en marcha NO se debe ni TOCARLO DIRECTAMENTE ni acercarte a él con objetos metálicos a no ser que posean un aislamiento adecuado para la tensión con la que se esté trabajando, ya que de lo contrario, de producirse una descarga al ser corrientes de alta tensión y alta frecuencia el resultado en casos extremos puede ser letal, de todas formas si nunca has tratado con este tipo de tensiones antes de empezar a siquiera plantearte comenzar a construir este u otros experimentos similares recomiendo LEER EL SIGUIENTE ARTÍCULO acerca de las NORMAS BÁSICAS DE SEGURIDAD.

COMPONENTES QUE SE NECESITAN:

*Un Circuito integrado NE555N (al principio probé con un LM555CN pero la calidad del sonido era más baja y necesitaba más intensidad para funcionar).

*Un Transistor MOSFET IRFP250N.

*Dos potenciómetros de 10 KΩ.

*Una resistencia de 50 Ω (yo usé dos de 100 Ω conectadas en paralelo).

*Un condensador de poliéster de 0,01 µF, 100 V.

*Un condensador de poliéster de 0,1 µF, 100 V (la tensión de ambos condensadores puede ser distinta a la que he usado)

*Un conector jack hembra 3,5 mm (si se va a usar un cable prolongador macho-macho) o un conector macho para enchufar directamente en el mp3.
*Un disipador de calor.

Detalle del núcleo de ferrita.

*Pasta térmica.

*Un convertidor flyback (de una televisión a color de tubo de imágen).

Todos estos componentes se pueden comprar en cualquier tienda de electrónica sin problemas, sin embargo el convertidor flyback puede ser un poco más complicado sobre todo ahora que con todas las televisiones de LCD y LED, los antiguos televisores de tubo (CRT) que son los que usan un flyback ya apenas se encuentran, aunque siempre te puedes pasar por alguna tienda de reparación de electrodomésticos que seguro que tendrán piezas de televisores viejos o por alguna chatarrería.

Detalle de las conexiones

Una vez que se dispone de los componentes el siguiente paso es montarlo todo, se puede hacer directamente en una placa protoboard, o bien en una placa PCB que quedará con un acabado más elegante, sin embargo hay un término medio, se me ocurrió que para montajes poco complicados como este se puede emplear pequeñas placas de cartón superpuestas obteniendo un buen acabado, para ello se toman dos placas de cartón con las dimensiones adecuadas, uniéndolas entre si con cola blanca, después, se hacen pequeñas perforaciones con un objeto puntiagudo como un alfiler en el lugar donde se van a colocar los componentes.

Esquema diseñado por: kaizerpowerelectronics.dk

A continuación se pinchan estos y por último siguiendo el esquema se realizan las correspondientes conexiones. Yo he usado hilo de cobre que he sacado pelando un cable de hilo de teléfono, aunque se puede hacer con cable normal sin quitar el aislante, que por otra parte de este modo se corre menos riesgo de contactos indeseados entre conductores, pero eso a gusto de cada uno.

En segundo lugar hay que montar la bobina primaria sobre el núcleo de ferrita del flyback, para ello he usado cable aislado con una sección de 1,5 mm2 dando 14 espiras, aunque el dato de las espiras no es crítico, ya que depende del tipo de flyback usado, debido a que para obtener los mejores resultados con otro modelo es posible que hubiera que variar el número de espiras, como me ha pasado, así que todo es cuestión de ir probando.

Después montar el MOSFET en un disipador térmico que lo mantenga en un rango de temperatura correcto según sus especificaciones, también se le puede añadir un ventilador, todo ello en función del tamaño del propio disipador y de la tensión de trabajo, y por supuesto colocar pasta térmica entre en propio MOSFET y el disipador para mejorar el paso de calor del uno al otro.

El siguiente paso será buscar cuáles son los terminales de la bobina secundaria del flyback, para ello con un polímetro en posición de medir resistencias se coloca una punta de prueba en la salida de alta tensión, esta se localiza rápido, pues suele ser la que tiene el cable hacia la ventosa o en el caso de no tenerla como el mío es el terminal que casi siempre está en la parte superior, después con la otra punta de prueba se va conectando una a una en los contactos inferiores hasta encontrar el que menor resistencia tenga.

Cuando ya se tenga localizado los terminales del secundario se suelda con cuidado de no mantener demasiado tiempo en contacto la punta del soldador con dichos terminales un alambre de cobre en cada uno, cuanto más largo y grueso sea, mejor, ya que en los terminales del arco se genera mucho calor a altas temperaturas, y si este llega al flyback podría dañarlo internamente, así que usando un alambre largo disiparemos el calor por este, después en los otros dos extremos de los alambres que hemos soldado se enroscan unos alambres de cobre más fino para que el arco tenga mayor facilidad para escapar hacia el otro lado, facilitando el Efecto punta, a su vez, de este modo, estos pequeños alambres se pueden desplazar arriba y abajo sobre el alambre más grueso pudiendo cambiar la separación y adaptarlo para conseguir el mejor resultado.

Filtro para los picos de alta frecuencia

Por último se puede intercalar (no es necesario para que funcione) entre la entrada de sonido del circuito que hemos construido y la toma jack un filtro para eliminar o por lo menos minimizar las corrientes parásitas de alta frecuencia que se generar en nuestro circuito y que pudieran llegar al reproductor de audio, aunque desde que aquí ya digo (el que avisa no es traidor) que mejor no se conecte nada que se le tenga mucho aprecio ya que este filtro no es infalible por lo que en un momento dado el aparato que conectemos como por ejemplo un mp3 podría reproducir su última canción, así que lo mejor será conectar alguna radio vieja, que para hacer el experimento es suficiente.

Este filtro no es más que un transformador que suele ser de relación 1:1, es decir, ni eleva ni reduce la señal de sonido que le proporcionemos sino que actuará como separador de circuitos, además ofrecerá una mayor resistencia al paso de las altas frecuencias por se una bobina.

Ahora lo único que queda es ir haciendo pruebas dando más o menos vueltas a la bobina alrededor del núcleo del flyback e ir ajustando los potenciómetros para mejorar la calidad del sonido, aunque antes de conectarlo una cosa muy importante, hacerlo con los potenciómetros en la posición de máxima resistencia he ir reduciendo esta de tal forma que su resistencia nunca baje por debajo de los 8 KΩ, es decir, que solo se mueva un cuarto de vuelta o menos desde la posición de inicio, ya que si se baja esta por debajo de este umbral no se garantiza el buen funcionamiento de integrado 555 destruyéndose en poco tiempo.

¿CÓMO FUNCIONA?

Modulación por ancho de pulso o PWM

Bueno, pero entonces, ¿cómo funciona esto?, bien, el circuito integrado 555 genera una frecuencia que se encuentra entorno a los 40 KHz, dicha frecuencia se aplica al transistor MOSFET haciendo que este deje pasar a través de él esa misma señal pero multiplicando la intensidad, y como este está en serie con la bobina primaria que hemos construido en el flyback también hace que por esta pase esa intensidad a esa frecuencia haciendo a su vez que la bobina secundaria del flyback entre en “resonancia” generando una considerable tensión en dicha bobina llegando fácilmente a los 20 kV entre sus terminales, todo ello en función de la propia tensión de alimentación que apliquemos al circuito oscilador (555) (yo lo puse en marcha con una tensión de 6,5 voltios, aunque se puede llegar a 12), entonces ya hemos conseguido que se establezca un arco voltaico entre los terminales, pero para que este produzca sonido a su vez hay que modularlo con una frecuencia audible para el oído humano ya que este solo es capaz de percibir frecuencias de entre 20 y 20 KHz, (recordemos que usamos una frecuencia de entorno 40 KHz que no podemos oír para establecer el arco entre los electrodos), y para ello se inyecta la señal de audio de nuestro reproductor en el integrado haciendo que este module el ancho del pulso de la señal que se dirige al transistor MOSFET, esto significa que el 555 controlará el tiempo que la tensión estará pasando a través de el propio transistor de forma proporcional a la señal de sonido, esto hace que cambie también de forma proporcional la intensidad que pasa por la bobina primaria, en resumen, si el tiempo de la señal aumenta, lo hace hace también el ancho del pulso, lo que a su vez aumenta la tensión y la intensidad que pasa por la bobina primaria, como resultado el arco eléctrico aumenta de diámetro lo que produce una compresión del aire que tiene a su alrededor, pero si este ancho de pulso es menor se produce el efecto contrario, si esto se produce de forma consecuente con la señal de sonido, el arco se contraerá y expandirá al son de la música al igual que el movimiento de vaivén del un altavoz común y corriente.

Ese conjunto de compresiones es lo que nosotros percibimos como sonido.

Bueno, ya solo me queda decir una vez más que tengas cuidado ya que se está trabajando con alta tensión que, aunque su intensidad sea baja la descarga podría producir quemaduras debido a la temperatura a la que está el arco eléctrico, y vuelvo a repetir, que esto no es un juguete, así que antes de ponerlo en marcha comprueba que todo está en su sitio y que no hay posibilidad de que se puedan producir contactos involuntarios e indirectos a través de algún objeto metálico pudiendo llegar hasta a ti u a otro aparato eléctrico a través de estos, cuando hayas hecho esto y estés seguro de que todo es correcto entonces ¡vuelve a comprobarlo de nuevo! porque en lo que se refiere a seguridad ninguna comprobación sobra.

Para finalizar aquí pongo unas cuantas fotografías más del montaje y un vídeo con los resultados.

Conector jack hembra

Detalle de los pines de conexión

Agradecimientos a kaizerpowerelectronics.dk por diseñar el esquema eléctrico de este circuito.

Disclaimer: Este experimento trabaja con altas tensiones por lo que una manipulación incorrecta puede entrañar riesgos que deriven en lesiones personales o materiales, y que en cualquier caso, si decides construirlo será bajo tu propia responsabilidad. -tp-