techusguИзвестия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологииProceedings of the Southwest State University. Series: Engineering and Technology2223-1528Юго-Западный государственный университет10.21869/2223-1528-2026-16-1-127-140techusgu-375Research ArticleФИЗИКАPHYSICSРазработка установки электрогидродинамического распыления конденсированных сред: схемотехническая реализация высоковольтного источника напряженияDevelopment of the condensed matter electrohydrodynamic spraying unit:schematic implementation of a high-voltage voltage sourcehttps://orcid.org/0000-0001-5635-8149ЖакинА. И.ZhakinA. I.

Жакин Анатолий Иванович - доктор физико-математических наук, профессор кафедры нанотехнологий, микроэлектроники, общей и прикладной физики.

Ул. 50 лет Октября, д. 94, Курск 305040

Anatoly I. Zhakin - Doctor of Sciences (Physics and Mathematics), Professor of the Department of Nanotechnology, Microelectronics, General and Applied Physics – Southwest.

50 Let Oktyabrya Str., 94, Kursk 305040

zhakin@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0001-5400-0431ЛесныхВ. Н.LesnykhV. N.

Лесных Василий Николаевич – аспирант.

Ул. 50 лет Октября, д. 94, Курск 305040

Vasily N. Lesnykh - Postgraduate Student.

50 Let Oktyabrya Str., 94, Kursk 305040

liesnykh.00@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0406-4242БеловП. А.BelovP. A.

Белов Павел Анатольевич - кандидат физико-математических наук, доцент, доцент кафедры физики и нанотехнологий. Researcher ID: G-3227-2013

Ул. Радищева, д. 33, Курск 305000

Pavel A. Belov - Candidate of Sciences (Physics and Mathematics), Associate Professor, Associate Professor of the Department of Physics and Nanotechnology.

33 Radishcheva Str., Kursk 305000

beliy2010@rambler.ruЮго-Западный государственный университетРоссияSouthwest State UniversityRussian FederationКурский государственный университетРоссияKursk State UniversityRussian Federation202614042026161127140Copyright © Жакин А.И., Лесных В.Н., Белов П.А., 20262026Жакин А.И., Лесных В.Н., Белов П.А.Zhakin A.I., Lesnykh V.N., Belov P.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://techusgu.elpub.ru/jour/article/view/375

Целью исследования в данной работе является разработка высоковольтного источника напряжения, силовая часть которого будет толерантна к резким скачкам тока, связанным с пробоем диэлектрической жидкости для ЭГД-экструдера. Необходимость разработки высоковольтного источника напряжения возникла из-за специфики его использования, так как конечной целью является изготовление установки электрогидродинамического распыления конденсированных сред.

Материалы

Материалы. Для проектирования и исследования режимов работы высоковольтного источника напряжения были использованы методы моделирования электронных схем и проектирования печатных плат в программах Multisim и Altium Designer с последующей разработкой Android-приложения для управления высоковольтным источником питания. Корпус устройства разработан в программе AutoCAD.

Результаты

Результаты. Схемотехническая структура высоковольтного источника напряжения с цифровым управлением разработана на базе микроконтроллера ATmega328. Реализовано поузловое разбиение устройства, включающее силовую и управляющую части, а также коммуникационные и защитные блоки. Выполнена схема управляющей части высоковольтного источника, способная обеспечивать стабилизированное питание микроконтроллера и периферии, отображение информации о температуре, управление и отражение состояния на ЖК-дисплее, а также связь с внешними устройствами для мониторинга и настройки. При помощи специализированной программы моделирования Multisim подтверждена работоспособность схемы: выходное напряжение соответствует расчётному и демонстрирует стабильную работу устройства. Трассировка и 3D-моделирование печатной платы выполнено с помощью комплексной системы автоматизированного проектирования радиоэлектронных средств Altium Designer, в соответствии с конструктивными и схемотехническими особенностями разрабатываемого устройства.

Заключение

Заключение. Разработана и смоделирована схема высоковольтного источника напряжения. Проведены экспериментальные исследования разработанного источника высокого напряжения для верификации его характеристик, особенно устойчивости к токовым скачкам и стабильности выходного напряжения.

The objective of this study is to develop a high-voltage power supply with a power section capable of withstanding sharp current surges associated with dielectric fluid breakdown in an EHD extruder. The need to develop a high-voltage voltage source arose due to the specifics of its use. Since the final goal is to manufacture an electrohydrodynamic spraying unit for condensed matter, at this stage of research, a schematic implementation of a voltage source is presented.

Methods

Methods. Electronic circuit modeling and printed circuit board design in Multisim and Altium Designer were used to design and study the operating modes of the high-voltage power supply. An Android application for controlling the highvoltage power supply was subsequently developed. The device enclosure was designed in AutoCAD.

Results

Results. The circuit design of the digitally controlled high-voltage power supply was developed using an ATmega328 microcontroller. A node-by-node breakdown of the device was implemented, including the power and control sections, as well as the communication and protection units. A control section circuit diagram for the high-voltage power supply was developed, capable of providing stabilized power to the microcontroller and peripherals, displaying temperature information, controlling and displaying status on an LCD screen, and communicating with external devices for monitoring and configuration. Using the specialized Multisim simulation program, the circuit's operability was confirmed: the output voltage matches the calculated value and demonstrates stable operation. The printed circuit board (PCB) layout and 3D modeling were performed using the Altium Designer integrated CAD system, in accordance with the design and circuitry features of the device being developed.

Conclusions

Conclusions. A high-voltage power supply circuit was developed and simulated. Experimental studies of the developed high-voltage power supply were conducted to verify its characteristics, particularly its immunity to current surges and output voltage stability.

высоковольтный источник напряженияЭГД-экструдермикроконтроллерhigh-voltage power supplyEHD extrudermicrocontrollerReferencesОрел Е. А. Совершенствование высоковольтного источника вторичного питания, работающего на импульсную нагрузку // Материаловедение. Энергетика. 2020. Т. 26, № 2. С. 31-40. https://doi.org/10.18721/JEST.26203.Orel E.A. Improvement of a high-voltage secondary power supply operating on an impulse load. Materialovedenie. Energetika = Materials science. Energy. 2020;26(2):31-40. (In Russ.) https://doi.org/10.18721/JEST.26203.Угловский А. С., Семеренко Ю. С. Разработка высоковольтного источника питания // Вестник АПК Верхневолжья. 2024. Т. 68, № 4. С. 100-109. https://doi.org/10.35694/YARCX.2024.68.4.015.Uglovskii A.S., Semerenko Yu.S. Development of a high-voltage power supply. Vestnik APK Verkhnevolzh'ya = Bulletin of the Agro-industrial complex of the Upper Volga region. 2024;68(4):100-109. (In Russ.) https://doi.org/10.35694/YARCX.2024.68.4.015.Development of high-power density interleaved DC/DC converter with SiC devices / T. Kitamura, M. Yamada, S. Harada, M. Koyama // Electrical Engineering in Japan. 2016. Vol. 196. P. 22-29. https://doi.org/10.1002/eej.22748.Kitamura T., Yamada M., Harada S., Koyama M. Development of high-power density inter-leaved DC/DC converter with SiC devices. Electrical Engineering in Japan. 2016;196:22-29. https://doi.org/10.1002/eej.22748.Butler S. Enabling a powerful decade of changes [Flyback] // IEEE Power Electronics Magazine. 2019. Vol. 6. P. 18-26. https://doi.org/10.1109/MPEL.2018.2886103.Butler S. Enabling a powerful decade of changes [Flyback]. IEEE Power Electronics Magazine. 2019;6:18-26. https://doi.org/10.1109/MPEL.2018.2886103.A modified step-Up DC-DC flyback converter with active snubber for improved / C. Pesce, J. Riedemann, R. Pena, W. Jara, C. Maury, R. Villalobos // Energies. 2019. Vol. 12. P. 1-17. https://doi.org/10.3390/en12112066.Pesce C., Riedemann J., Pena R., Jara W., Maury C., Villalobos R. A modified step-Up DC-DC flyback converter with active snubber for improved. Energies. 2019;12:1-17. https://doi.org/10.3390/en12112066.Ravi V., Lakshminarasamma N. Steady state voltage gain of flyback converters for high voltage low power applications // 2016 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES). Trivandrum, Iudia: IEEE, 2016. P. 1-6. https://doi.org/10.1109/PEDES.2016.7914508.Ravi V., Lakshminarasamma N. Steady state voltage gain of flyback converters for high voltage low power applications. In: 2016 IEEE International Conference on Power Electronics, Drives and Energy Systems (PEDES). Trivandrum, Iudia; IEEE; 2016. P. 1-6. https://doi.org/10.1109/PEDES.2016.7914508.Barsoum N., Stanley G. Design of high voltage low power supply device // Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering. 2015. Vol. 3, no. 1. P. 6-12. https://doi.org/10.13189/ujeee.2015.030102.Barsoum N., Stanley G. Design of high voltage low power supply device. Universal Journal of Electrical and Electronic Engineering. 2015;3(1):6-12. https://doi.org/10.13189/ujeee.2015.030102.DC/DC Conversion systems consisting of multiple converter modules: stability, control, and experimental verifications / W. Chen, X. Ruan, H. Yan, C.K. Tse // IEEE Transactions on Power Electronics. 2009. Vol. 6, no. 24. P. 1463-1474. https://doi.org/10.1109/TPEL.2009.2012406.Chen W., Ruan X., Yan H., Tse C.K. DC/DC Conversion systems consisting of multiple converter modules: stability, control, and experimental verifications. IEEE Transactions on Power Electronics. 2009;6(24):1463-1474. https://doi.org/10.1109/TPEL.2009.2012406.Design improvements for primary-side-regulated high-power flyback converters in continuous-conduction-mode / B. Keogh, B. Long, J. Leisten // 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). Charlotte, USA: IEEE, 2015. P. 492-497. https://doi.org/10.1109/APEC.2015.7104395.Keogh B., Long B., Leisten J. Design improvements for primary-side-regulated high-power flyback converters in continuous-conduction-mode. 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC). Charlotte, USA: IEEE; 2015. P. 492-497. https://doi.org/10.1109/APEC.2015.7104395.Ravi V., Lakshminarasamma N. Modeling, analysis and implementation of high voltage low power flyback converter feeding resistive loads // IEEE Transactions on Industry Applications. 2018. Vol. 5, no. 54. P. 4682-4695. https://doi.org/10.1109/TIA.2018.2838547.Ravi V., Lakshminarasamma N. Modeling, analysis and implementation of high voltage low power flyback converter feeding resistive loads. IEEE Transactions on Industry Applications. 2018;5(54):46824695. https://doi.org/10.1109/TIA.2018.2838547.Hyeok-Jin Y. High-voltage input and low-voltage output power supply for modular multilevel converter // 2016 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC Asia-Pacific). Busan, South Korea: IEEE, 2016. P. 157-162. https://doi.org/10.1109/ITEC-AP.2016.7512940.Hyeok-Jin Y. High-voltage input and low-voltage output power supply for modular multilevel converter. In: 2016 IEEE Transportation Electrification Conference and Expo, Asia-Pacific (ITEC AsiaPacific). Busan, South Korea: IEEE, 2016. P. 157-162. https://doi.org/10.1109/ITEC-AP.2016.7512940.Davari P., Zare F., Ghosh A. Parallel and series configurations of flyback converter for pulsed power applications // 2012 7th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA). Singapore: IEEE, 2012. P. 1517-1522. https://doi.org/10.1109/ICIEA.2012.6360964.Davari P., Zare F., Ghosh A. Parallel and series configurations of flyback converter for pulsed power applications. In: 2012 7th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications (ICIEA). Singapore: IEEE; 2012. P. 1517-1522. https://doi.org/10.1109/ICIEA.2012.6360964.Zelnik R., Prazenica M. Multiple output flyback converter design // Transactions on electrical engineering. 2019. Vol. 8, no. (3). P. 32-39. https://doi.org/10.14311/TEE.2019.3.03.Zelnik R., Prazenica M. Multiple output flyback converter design. Transactions on electrical engineering. 2019;8(3):32-39. https://doi.org/10.14311/TEE.2019.3.03.Leuenberger D., Biela J. Accurate and computationally efficient modeling of flyback transformer parasitics and their influence on converter losses // 17th European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'15 ECCE-Europe). Geneva, Switzezland: IEEE; 2015. P. 1-10. https://doi.org/10.1109/EPE.2015.7309194.Leuenberger D., Biela J. Accurate and computationally efficient modeling of flyback transformer parasitics and their influence on converter losses. In: 17th European conference on power electronics and applications (EPE'15 ECCE-Europe). Geneva, Switzezland: IEEE; 2015. P. 1-10. https://doi.org/10.1109/EPE.2015.7309194.Bielskis E., Baskys A., Sapurov M. Impact of transformer design on flyback converter voltage spikes // Elektronika ir elektrotechnika. 2016. Vol. 22, no. 5. P. 58-61. https://doi.org/10.5755/j01.eie.22.5.16345.Bielskis E., Baskys A., Sapurov M. Impact of transformer design on flyback converter voltage spikes. Elektronika ir elektrotechnika. 2016;22(5):58-61. https://doi.org/10.5755/j01.eie.22.5.16345.Bielskis E., Šapurov M., Platakis A. Investigation of flyback transformer flux leakage reduction ways // Mokslas – Lietuvos ateitis. 2017. Vol. 9, no. 3. P. 312-317. https://doi.org/10.3846/mla.2017.1037.Bielskis E., Šapurov M., Platakis A. Investigation of flyback transformer flux leakage re-duction ways. Mokslas – Lietuvos ateitis. 2017;9(3):312-317. https://doi.org/10.3846/mla.2017.1037.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.