利用废旧CRT元件自制高压发生器：从行输出变压器到科克罗夫特-沃尔顿倍压电路

1. 项目概述：从“电子垃圾”到高压实验平台

手头有几台老旧的苏联产CRT电视，一直舍不得扔，总觉得那些沉甸甸的、布满灰尘的电路板和变压器里藏着“宝贝”。作为一名老电子爱好者，我始终相信，真正的创造力往往源于对现有资源的重新解构，而非一味地购买新模块。这次，我们就来“盘活”这些上世纪七八十年代的电子遗产，用它们最核心的部件——行输出变压器（俗称“高压包”）和高压倍增器模块，打造一个能输出数千伏直流高压的实验装置。

这个高压发生器，本质上是一个基于自激振荡原理的开关电源，配合经典的科克罗夫特-沃尔顿（Cockcroft-Walton）电压倍增电路。它的核心价值在于，将废旧电视中原本用于驱动显像管阳极的高压部分，改造成一个独立、可控的高压源。你可以用它来做许多有趣的实验，比如驱动小型特斯拉线圈的初级、产生静电吸附或排斥现象、演示低气压下的气体放电（如荧光灯管点亮）、甚至是进行一些基础的静电喷涂原理验证。当然，我必须把安全警告放在最前面：这玩意儿输出的是数千伏高压！尽管电流被设计得很小（微安级），但被电击的滋味绝对不好受，足以让你“记忆深刻”。因此，这个项目仅适合那些具备基本电路知识、了解高压危险性、并严格遵守安全规程的实践者。

整个制作过程，是对模拟电路基础、电磁学原理和动手能力的一次综合考验。我们将从识别零件、绕制变压器开始，到焊接电路、调试测试，最终封装成一个可用的设备。下面，我就把自己从“拆机”到“点亮”的全过程，以及背后每一步的“为什么”和踩过的“坑”，毫无保留地分享出来。

2. 核心零件识别与原理剖析

在动手之前，我们必须先搞清楚手里的“宝藏”到底是什么，以及它们为何能胜任这项工作。盲目操作不仅可能失败，更可能损坏这些如今已难以寻觅的老零件。

2.1 心脏部件：苏联TVS系列行输出变压器

行输出变压器（Flyback Transformer），在CRT电视里负责为显像管提供阳极高压（通常15-30kV）、聚焦极电压和加速极电压。我们需要的，是其中一种特定型号：苏联产的TVS系列非调整式行输出变压器。

如何识别它？

1. 外观：通常是一个黑色的塑料壳体，上面有多个引脚，体积较大。最关键的特征是，它没有那两个用于调节聚焦和加速电压的旋钮（俗称“高压帽”或调节钮）。带有旋钮的型号，其高压输出已经是直流（内部有整流二极管），不适合我们用作交流升压源。
2. 型号：零件上常标有“ТВС-XXX”字样（如ТВС-110Л2）。记住“ТВС”这个前缀。
3. 内部结构：我们需要用到的是它的磁芯和高压绕组。其高压绕组一端接地（接显像管石墨层），另一端输出高压。在我们的改造中，这个高压绕组将成为我们自激振荡电路的次级。

为什么必须是“非调整式”？因为调整式变压器内部已经将高频交流高压整流成了直流，而我们自激振荡电路需要的是纯净的交流高压，以便后续的倍压整流电路工作。非调整式变压器输出的正是未经整流的交流高压，完美符合要求。

2.2 压力倍增器：УН9/27高压倍增模块

这是苏联电视中与TVS变压器配套使用的高压整流倍增模块。它的内部就是一个多级的科克罗夫特-沃尔顿倍压电路，通常由多个高压电容和二极管封装在一个环氧树脂块里。

它的作用是什么？变压器输出的交流高压峰值可能达到几千伏，但经过这个模块的倍压整流后，可以得到更高的稳定直流电压（例如，8级倍压可将峰值电压理论上提升8倍）。УН9/27是一个通用型号，能承受较高的反向电压。如果你找不到完全一样的，任何从苏联/东欧CRT电视上拆下的、外观类似（长方体，有多个引脚）的高压倍增块都可以尝试，但需要根据引脚定义自行测试。

2.3 动力核心：КТ829晶体管与驱动电路

КТ829是一颗苏联产的大功率NPN晶体管，特点是高耐压（Vceo可达300V以上）和大电流，常用于当时的电视行输出级。在我们的电路中，它将扮演自激振荡器的开关管角色。

自激振荡原理简述：我们利用变压器的初级绕组和反馈绕组构成一个正反馈环路。当接通电源瞬间，晶体管微微导通，电流流过初级绕组，在反馈绕组上感应出一个电压。这个电压的极性被设计成进一步加强晶体管的导通，形成雪崩过程，晶体管迅速饱和。随后，由于磁芯饱和或电流变化率改变，反馈绕组电压极性反转，迫使晶体管截止。晶体管截止后，初级绕组储存的能量释放（产生高压脉冲），同时电路状态复位，准备开始下一个周期。如此周而复始，产生高频振荡（通常在几十kHz范围）。

КД226二极管和3kΩ电阻的作用：

• КД226二极管：这是一个快速恢复二极管，连接在晶体管基极和反馈绕组之间，用于引导反馈电流，并防止反向电压击穿晶体管BE结。
• 3kΩ电阻：连接在电源和晶体管基极之间，提供初始的偏置电流，帮助电路更容易起振。它的阻值影响了电路的起振性能和最终的工作频率、电流。

3. 材料准备与安全准则

3.1 材料清单与替代方案

除了上述核心古董零件，我们还需要一些通用材料：

1. 电源：2节18650锂电池（3.7V每节）及电池座。强烈建议从单节电池开始测试！
2. 绕线材料：直径约0.5-0.8mm的漆包线，用于绕制变压器初级和反馈绕组。可以从废旧电脑电源、节能灯电感或旧变压器上拆得。
3. 电路板与导线：万用板或洞洞板，足够粗的导线用于连接电池和初级回路。
4. 散热片：为КТ829晶体管准备一个小型散热片，工作时它会发热。
5. 绝缘材料：热缩管、高压硅胶线、环氧树脂或绝缘胶带。高压部分的绝缘是重中之重！
6. 放电工具：一个接有长绝缘柄的螺丝刀或专用放电棒。
7. 测量工具（可选但极力推荐）：数字万用表（有电容测量档）、高压探头（如果条件允许）。对于高压输出，更安全的验证方式是观察其电弧能力，而非直接测量。

如果找不到苏联零件怎么办？

• 变压器：可以尝试使用其他品牌CRT电视的非调整式行输出变压器。你需要找出其高压绕组、初级绕组（通常阻值很小，1欧姆以下）和可能的反馈绕组（如果有）。这需要一些探索和测试。
• 晶体管：可以用类似参数的现代晶体管替代，如BUT11A、MJE13009等。需要查阅数据手册，确保Vceo足够高（>300V），电流足够大（>5A）。
• 高压倍增模块：可以自己用高压电容（如1nF 2kV）和高压二极管（如FR107，但耐压可能不足，理想是专用的高压整流二极管如CL04-12）在洞洞板上搭建一个科克罗夫特-沃尔顿电路。但这会大大增加制作难度和体积，且绝缘要求极高。

3.2 绝对安全准则

在触碰任何零件之前，请将这些准则刻在脑子里：

警告：本装置产生的电压足以致命或造成严重伤害！所有操作必须在断电并充分放电后进行。

1. 一人操作，无人打扰：工作环境保持整洁、干燥，避免他人尤其是儿童和宠物靠近。
2. 断电放电原则：任何焊接、接线、调整前，必须断开电源。对于高压部分，即使断电后，倍压电路中的电容也可能储存大量电荷，必须使用放电工具将其彻底短路放电，并等待数分钟后再操作。养成“动手前先放电”的肌肉记忆。
3. 绝缘是第一生命线：所有高压连接点（特别是倍压模块的输入输出端、变压器高压端）必须使用热缩管或绝缘胶带严密包裹，并确保导线之间、导线与底板之间有足够的安全距离（厘米级）。绝对禁止裸露任何高压金属部分。
4. 远离身体：通电测试时，身体任何部位远离高压区域至少30厘米。使用绝缘工具进行操作。
5. 循序渐进测试：永远从最低电压（单节电池）开始测试，确认电路工作正常（听是否有高频啸叫声，晶体管是否微热），再考虑增加电压或连接高压负载。
6. 接地与泄放：在高压输出端并联一个或多个大阻值电阻（例如10-100MΩ），可以在断电后为电容提供放电通路，减少“电击”风险。但工作时它会分流极小电流。

4. 变压器改造与绕制详解

这是整个项目中最需要耐心和技巧的环节。原变压器的初级绕组不适合我们的低压驱动，需要拆除重绕。

4.1 拆除旧绕组（如需要）

有些TVS变压器的初级绕组是独立线圈，可以小心拆下而不伤及内部高压绕组。如果它是直接绕在磁芯骨架上的，并且被环氧树脂封固，那么操作就要非常小心。

我的方法是：

1. 用放大镜仔细观察绕组结构，找到初级绕组的线头。
2. 使用锋利的刀片或烙铁（配合吸锡器）小心地切断并移除初级绕组的引脚连接。
3. 如果绕组被固化，切勿暴力撬动！可以尝试用热风枪在较低温度下（如150°C）均匀加热变压器局部，使环氧树脂略微软化，再用镊子慢慢将漆包线挑出。此过程有损坏内部高压绕组的风险，需极其谨慎。如果无法无损拆除，可以考虑保留原初级绕组不用，直接在磁芯空余位置或外层绕制我们的新绕组，但要注意绝缘。

4.2 绕制新绕组

我们将在磁芯上绕制两个绕组：主初级绕组（Primary）和反馈绕组（Feedback）。它们之间的相位关系至关重要，决定了电路能否起振。

绕制步骤：

1. 准备磁芯与骨架：确保磁芯结合面干净。如果使用原骨架，清理出绕线区域。
2. 确定绕向与起始端：规定一个方向为“绕制方向”，并标记好每个绕组的“起始端”（Start）和“结束端”（End）。所有绕组沿同一方向绕制。
3. 绕制初级绕组（15匝）：
   • 用较粗的漆包线（如0.6mm）开始绕制。在骨架上先绕一层绝缘胶带。
   • 紧密、整齐地绕制15匝。绕完后，用胶带固定线尾，并做好“P_Start”和“P_End”的标记。
4. 绕制反馈绕组（10匝）：
   • 在初级绕组上再包一层绝缘胶带。
   • 使用相同或稍细的漆包线，沿同一绕制方向，紧密绕制10匝。
   • 绕完后，做好“F_Start”和“F_End”的标记。
5. 连接抽头：将初级绕组的结束端（P_End）与反馈绕组的起始端（F_Start）连接起来。这个连接点，就是我们电路图中接到电源正极（通过3kΩ电阻）和晶体管集电极的那个点。这个连接是电路能否振荡的关键！
6. 最终绝缘：在所有绕组外再紧密包裹数层绝缘胶带，确保漆包线无任何裸露点。

为什么是15T+10T？这个匝数比是基于КТ829的特性、电源电压（3.7-7.4V）和期望的振荡频率估算出来的。更少的初级匝数可能需要更大的驱动电流，更多的匝数则可能使振荡频率过低或不易起振。15:10的匝数比提供了一个较强的反馈，有助于在低压下可靠起振。在实际调试中，如果不起振，可以尝试微调反馈绕组的匝数（例如改为8匝或12匝）。

绕制心得：

• 紧密平整：每一匝都尽量紧贴前一匝，绕得越平整，产生的寄生参数越小，效率越高。
• 记录相位：一定要用万用表的通断档或电阻档，确认并记录下每个绕组的头尾。画一张草图是明智的选择。
• 绝缘测试：绕制完成后，用万用表高阻档（如20MΩ）测量初级绕组、反馈绕组与变压器铁芯（或高压绕组引出端）之间的电阻，应为无穷大。任何非无穷大的读数都意味着绝缘失败，必须返工。

5. 电路焊接与组装实战

有了绕制好的变压器，我们就可以开始搭建整个电路了。建议先在洞洞板上进行焊接和测试，成功后再考虑制作更美观的成品。

5.1 解读电路图

虽然原文提到了原理图，但这里我根据自己的实践和理解，重新绘制并阐释一下这个自激振荡式高压发生器的核心电路：

（正极）Vcc (+3.7V to +7.4V) | [R1] 3kΩ | +----->[To Flyback Tap (P_End/F_Start)] | [C-E of Q1] KT829 | (GND) Vss

连接关系：

1. 电源正极通过3kΩ电阻（R1）连接到变压器的抽头点（即P_End与F_Start的连接点）。
2. KT829晶体管的集电极（C）也连接到这个抽头点。
3. 晶体管的发射极（E）连接到电源负极（地）。
4. 变压器的初级绕组起始端（P_Start）连接到电源负极（地）。
5. 变压器的反馈绕组结束端（F_End）通过КД226二极管（D1）连接到晶体管的基极（B）。二极管的负极接F_End，正极接基极。
6. 高压倍增模块（УН9/27）的输入端，连接到变压器的高压输出端（原接显像管阳极的那根粗线）。
7. 高压倍增模块的负输出端（通常也是接地端）和变压器铁芯（如果与电路地隔离的话）一起连接到电源负极（地）。注意：有些电视电路的高压地是“悬浮地”，与主板地通过大电阻连接。在我们的制作中，建议将所有地统一接至电源负极。
8. 高压倍增模块的正输出端，就是我们的直流高压输出端。

5.2 焊接操作要点

1. 先低压，后高压：首先在洞洞板上焊接除高压倍增模块以外的所有低压部分电路（晶体管、电阻、二极管、变压器初级/反馈绕组）。确保焊接牢固，无虚焊短路。
2. 晶体管安装：给КТ829装上合适的散热片。即使工作在低压，开关过程中也会有热量产生。
3. 高压部分隔离：高压倍增模块和变压器高压端应物理上远离低压电路。可以使用支架或延长线，让它们“悬浮”在洞洞板之外。
4. 高压线处理：连接高压倍增模块的导线，务必使用专用的高压硅胶线。普通电线的绝缘层在数千伏电压下可能被击穿。所有接头用热缩管严密包裹。
5. 一点接地：将所有需要接地的点（电源负极、晶体管E极、初级P_Start、倍压模块负端）用较粗的导线连接到一个共同的接地点，形成“星型接地”或单点接地，减少噪声。

5.3 初步上电测试（至关重要！）

在连接高压倍增模块和电池之前，我们必须先验证低压振荡电路是否工作。

1. 连接单节电池（3.7V）：暂时不要连接高压倍增模块和变压器的高压输出线。
2. 安全准备：戴好护目镜，身体远离电路板。
3. 通电观察：
   • 听：将耳朵靠近变压器（注意保持安全距离），应该能听到非常微弱的高频“嘶嘶”声或“吱吱”声。这是变压器工作在几十kHz频率下的标志。
   • 摸：快速轻触晶体管散热片，应在几秒后感觉到微温。如果冰冷，可能未起振；如果迅速烫手，立即断电，说明电路有严重问题（可能是短路或相位接反）。
   • 测（可选）：用示波器探头（需注意隔离）测量晶体管集电极或基极，应能看到高频振荡波形。没有示波器的话，前两种方法更常用。
4. 如果不起振：
   • 检查相位：这是最常见的问题。尝试将反馈绕组（F_Start和F_End）的两根线对调。这相当于改变了反馈信号的极性。
   • 检查电源：确保电池电压充足。
   • 检查焊接：仔细检查所有焊点，特别是抽头点和晶体管引脚。
   • 调整反馈：如果对调相位仍无效，可以尝试增加或减少反馈绕组匝数（例如先改为8匝试试）。

只有确认低压部分正常振荡后，才能进行下一步！

6. 高压集成测试与性能优化

当低压振荡电路欢快地“嘶嘶”作响时，我们就可以接入最终的高压部分了。

6.1 连接高压倍增模块

1. 断电放电：确保电路完全断电。
2. 连接：使用高压硅胶线，将变压器的高压输出端连接到УН9/27模块的输入端。确认模块的接地端与电路地连接可靠。
3. 安装泄放电阻：在高压输出端与地之间，焊接一个或多个串联的10MΩ以上高压电阻（如2个50MΩ电阻串联）。这能在断电后缓慢释放电容电荷，增加安全性。注意：这些电阻在工作时会消耗极微小的功率，但对输出高压的“空载”电压影响不大。
4. 营造安全测试环境：将高压输出线末端剥开一小段，使其指向空旷、绝缘的地方（比如朝向空中）。确保输出线与其他物体保持至少10厘米距离。

6.2 首次高压上电测试

1. 再次使用单节电池。
2. 远程通电：可以采用开关控制，或者将电池最后一根线留作“电源开关”，在身体远离的情况下连接。
3. 观察现象：
   • 听：振荡声可能会因为负载加重而音调略有变化。
   • 闻：警惕任何焦糊味。
   • 看：在黑暗环境中，仔细观察高压输出线末端。你可能能看到微弱的蓝色电晕放电，或者听到轻微的“滋滋”放电声。这是正常的！这表明高压已经产生。
4. 电弧测试：用一根接地的导线（例如带绝缘柄的螺丝刀），慢慢靠近高压输出端。当距离足够近时（几毫米到一厘米），应该会产生明亮的紫色电弧，并伴有响亮的“啪”声。这个距离可以用来粗略估计电压：在空气中，击穿1毫米大约需要3kV电压。如果你的电弧能在5毫米距离产生，那么输出电压可能在15kV左右。

6.3 提升电压与性能评估

1. 并联第二节电池：在单节电池测试完全正常后，可以并联上第二节18650电池，将电源电压提升至7.4V。
2. 观察变化：振荡声通常会变得更响亮、音调更高。电弧的长度和亮度会显著增加。此时功率和危险性都大幅提升，务必更加小心！
3. 测量与评估（定性为主）：对于这种高压小电流装置，直接用万用表测量是危险且不准确的。我们主要通过以下方式评估：
   • 电弧长度：在干燥空气中，稳定的最大拉弧长度。
   • 驱动能力：尝试点亮一个微型氖泡、驱动一个很小的静电马达，或者让荧光灯管靠近高压线时微弱发光。这能直观感受其输出能力。
   • 晶体管温升：连续工作1-2分钟后，触摸散热片温度。温热是正常的，烫手则说明晶体管功耗过大，可能需要优化绕组或增加散热。

我的实测数据（供参考）：

• 电源：2节并联18650（约7.4V）
• 初级电流：约800mA - 1.2A（视负载情况）
• 电弧长度：在干燥天气下，最大可达8-10mm。
• 推算空载电压：根据电弧长度，估计在20-30kV范围。
• 晶体管温度：加装一个小型散热片后，连续工作5分钟，温度约50-60°C。

7. 常见问题、故障排查与进阶技巧

即使按照步骤操作，你也可能会遇到一些问题。下面是我在制作和调试过程中遇到的一些典型情况及其解决方法。

7.1 故障排查速查表

现象	可能原因	排查步骤与解决方案
完全无声，晶体管不热	1. 电源未接通或电压不足。 2. 反馈绕组相位接反。 3. 晶体管损坏或引脚接错。 4. 变压器抽头连接错误或断路。	1. 检查电池电压和连接。 2.首先尝试对调反馈绕组两根线。 3. 用万用表二极管档检查晶体管BE、BC结是否正常。 4. 检查变压器三个抽头（P_Start, Tap, F_End）之间的连通性。
有轻微“嗒嗒”声，晶体管迅速发烫	1. 变压器初级绕组短路（匝间或对磁芯）。 2. 晶体管处于线性放大区而非开关状态，功耗巨大。 3. 反馈过强或过弱。	1. 测量初级绕组电阻，应只有零点几欧姆，但不能为零。检查绝缘。 2. 确保反馈相位正确。尝试增大基极电阻（如从3kΩ增至4.7kΩ）。 3. 微调反馈绕组匝数（±2匝）。
有高频声，但无高压输出或电弧微弱	1. 高压倍增模块损坏或内部开路。 2. 变压器高压绕组内部断路。 3. 高压线绝缘击穿，对地漏电。 4. 电路振荡频率不合适。	1. 在黑暗中将高压端慢慢靠近地线，看是否有微弱电晕。若无，断开倍压模块，直接测试变压器高压端对地拉弧（距离很短，小心）。 2. 检查变压器高压绕组通断。 3. 检查所有高压连接点的绝缘，特别是尖锐点。 4. 调整初级或反馈绕组匝数，改变振荡频率。
工作一段时间后停止	1. 电池电量耗尽。 2. 晶体管过热保护（如果晶体管有该功能）或热击穿。 3. 磁芯饱和发热导致参数变化。	1. 检查电池电压。 2. 加强晶体管散热。 3. 让电路冷却后再试。如果总是发生，可能是磁芯或绕组设计处于临界状态，需重新计算优化。
高压端对周围物体无故放电	1. 环境湿度过大。 2. 高压端有毛刺或尖锐点。 3. 绝缘距离不足。	1. 在干燥环境下使用。 2. 将高压输出线末端做成光滑的圆球状（如焊个锡球）。 3. 增加高压部分与周围导体、地线的距离。

7.2 进阶优化与玩法

1. 增加简单控制：
   • 在电源回路中串联一个电位器（如10Ω 5W），可以调节输入电压，从而在一定范围内调节输出电压。
   • 警告：不要用普通的LM317等线性稳压模块，开关电路的尖峰脉冲会将其击穿。PWM调制是更好的方式，但电路更复杂。
2. 改善输出特性：
   • 在高压输出端并联一个小容量高压电容（如100pF 10kV），可以增加放电时的能量，使电弧更粗、更响亮。但注意这会增加短路时的电流，对晶体管压力更大。
   • 尝试不同的倍压模块或自制的倍压级数。更多级数能获得更高电压，但输出电流能力会下降，内阻增大。
3. 安全封装：
   • 将整个电路（除高压输出端子外）装入一个绝缘良好的塑料盒中。盒子开孔用热熔胶密封，防止灰尘潮气进入。
   • 高压输出端使用专业的高压端子（如香蕉插座）连接，避免裸露。
4. 创意应用拓展：
   • 静电实验：使铝箔球悬浮，驱动简易的静电马达。
   • 低气压放电：配合一个密封罐和抽气装置（如手动泵），可以观察在不同气压下的放电现象，非常迷人。
   • 负离子发生器：将高压输出接到一个针状电极阵列上，可以产生负离子（注意可能产生臭氧）。

8. 最终装配与永恒的安全提醒

经过测试和优化，你的高压发生器已经可以稳定工作了。最后一步是给它一个安全的“家”。

找一个尺寸合适的塑料盒（避免金属盒），在侧面为晶体管散热片开好通风孔。将电路板用尼龙柱固定在内。电源开关、充电接口（如果使用可充电电池）安装在侧面。高压输出端可以使用一个绝缘性能极好的高压插座（例如从废旧微波炉变压器上拆的）引出。

在盒子上贴上醒目的高压危险标志。永远记住，这是一个严肃的实验仪器，不是玩具。

最后，让我再强调一遍安全，这比任何技术细节都重要：

• 每次使用前后，养成用放电棒给高压端接地的习惯。
• 永远假设电容是带电的。
• 工作时，一只手放口袋，减少电流流过心脏路径的风险。
• 向他人演示时，确保他们理解危险性并保持安全距离。
• 保存好电路图和安全须知，如果将来你不玩它了，请妥善处理或交给懂得其危险性的人。

制作这样一个装置的过程，其意义远超得到一个能拉弧的玩具。它是对一个逝去电子时代零件的致敬，是对模拟电路原理的深刻重温，更是一次对耐心、细致和安全意识的严格训练。当你听到那高频的嘶鸣，看到那抹跃动的紫色电弧时，你会感受到最原始的电子魅力和动手创造的快乐。祝你好运，安全第一，享受制作！