Как можно улучшить множитель напряжения?

18

Я работаю над блоком питания Nixie, но я бы хотел его улучшить.

У меня есть 4x9V батареи в серии для общего количества 36V для переключения между множителями.
(TTL) 555 таймер работает только с нестабильной первой 9В батареи для создания 8,5-иш вольт квадратные волны, 10 кГц (или любую частоту , которую вы хотите, я думаю), ок. 50% пошлина
Выход 555 управляет затвором N-канального полевого транзистора BS170 .
МОП - транзистор сток подключается к 36В через резистор примерно 1.2kΩ. Это сопротивление должно быть как можно ниже, чтобы протолкнуть ток в:
6-ступенчатый множитель Кокрофта-Уолтона , который дает хороший выход ~ 220 В постоянного тока без нагрузки. К сожалению, он падает примерно до 155 В постоянного тока при нагрузке резистором 47 кОм, включенным последовательно с лампой.

Что мне нравится в этой схеме:

Это работает ™
Он может быть построен из очень общих частей, которые я, вероятно, буду иметь под рукой, например:
Не требует никаких индукторов.
Он не требует специализированных микросхем, таких как повышающие преобразователи.
Для каждой ступени требуются только конденсаторы и диоды с номинальным напряжением, а не полный Шебанг.
Вылетает Мультисим.

Что мне не нравится в этой схеме:

Выходное напряжение падает до ~ 155 В пост. Тока при нагрузке всего ~ 600 мкА.
Я слишком глуп, чтобы думать о лучшем способе переключения 36В через множитель:
В то время как выходной сигнал таймера 555 высокий, я теряю более 1 Вт на резисторе стока только для управления множителем.
Входное напряжение умножителя сдерживается резистором стока.

Как я могу:

сделать улучшения, которые могут позволить получить ~ 10 мА при падении выходного напряжения менее 40 В?

Я пытался:

Замена раздела драйвера MOSFET чем-то вроде этого:

схематический

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Я выпил довольно много транзисторов, пробуя этот инвертор. Как показано, затворы инвертора тянут до 36 В резистором 10 кОм. Возможно ли, что время зарядки затвора разрушило транзисторы?

РЕДАКТИРОВАТЬ: я только что понял, что максимальные номинальные значения напряжения затвор-источник на обоих полевых транзисторах инвертора составляет ± 20 В. Это объясняет, почему они жареные. Хм, может, вместо одного 10 кОм, я мог бы сделать делитель напряжения для управления каждым затвором отдельно?

читая статью в Википедии о методах улучшения:

По этим причинам умножители непрерывного действия с большим числом ступеней используются только там, где требуется относительно низкий выходной ток. Эти эффекты могут быть частично компенсированы путем увеличения емкости на нижних ступенях, увеличения частоты входной мощности и использования источника питания переменного тока с прямоугольной или треугольной формой волны.

изучение других популярных конструкций блоков питания Nixie, таких как эти .

Я подозреваю, что более эффективное переключение 36В через множитель будет иметь большое значение для повышения производительности.

РЕДАКТИРОВАТЬ / РЕЗЮМЕ: Более эффективное переключение 36 В на множителе имело большое значение для повышения производительности. Как предположили несколько человек, что-то под названием «push-pull» было быстрым решением. КМОП-инвертор с раздельными заслонками делает зарядный насос гораздо более эффективным:

Напряжение питания теперь составляет ~ 216 В при нагрузке двумя лампами, что является огромным улучшением:

— янки
источник

Вы, вероятно, замыкаете два FET-ов в вашей конфигурации push / pull. Будет момент, когда оба устройства будут включены и произойдет выстрел.

— Уэсли Ли

@WesleyLee Я думаю, что я управляю затвором при напряжениях, превышающих их абсолютный максимальный рейтинг в два раза, но я думаю, что вы правы, даже если бы он справился с этими напряжениями. Как я уже говорил в OP, 10k & Omega; Резистор может заряжать затворы слишком медленно, вызывая слишком сильный пробой.

— Янки

1

Уэсли прав. Простое ограничение привода ворот не подойдет. Скажем, Vgs (вкл.) Составляет 5 В для каждого, что находится на высокой стороне для всех, кроме самых древних полевых транзисторов. Это оставляет 25 В диапазона на первом сигнале, когда оба полевых транзистора включены. Это много короткого замыкания. Подобные приводные полевые транзисторы с возможностью питания требуют некоторого времени простоя в сигналах привода и могут составлять от нескольких до десятков микросекунд.

— Asmyldof

1

Также имейте в виду, что при выходной мощности свыше 2 ~ 5 мА батареи могут начать значительно сопротивляться требуемым пиковым токам, что также приведет к падению напряжения на выходе, поскольку батареи такого типа, как известно, плохо справляются с приличными токами.

— Асмильдоф

6

Вам необходимо отказаться от Rd от вашей первой схемы и использовать двухтактный выход с низким импедансом, как во второй схеме. Тем не менее, как вы правильно сказали, 36v поджарит ворота 20v VGS FET. Есть несколько фетров с Vgsmax более 20 В, и ни одного, насколько мне известно, с более чем 30 В.

Среди вариантов использовать

a) подходящие регуляторы уровня для управления воротами FET, здесь хорошо подойдут небольшие биполяры
b) трансформатор с управляющим затвором (хотя обычно используется только для приложений
с более высокой мощностью) c) как с двухтактным приводом 18 В от двух батарей, но в двухтактных потяните, как это ...

схематический

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Я проиллюстрировал 4 этапа здесь, расширение на несколько этапов очевидно.

Я не подключил верхний конденсатор. Есть два варианта

а) Стиль Кокрофта Уолтона, где вы ограничены максимальным напряжением. Здесь вы бы подключили C5 к перекрестку D1 / D2. Это допускает низкое напряжение на каждом конденсаторе, но приводит к высокому выходному сопротивлению. Также известный как каскад Виларда, хотя изобретен Грейначером.

b) Стиль заправочного насоса Диксона, что приводит к значительно более низкому выходному сопротивлению. C5 подключается обратно к ведомому концу C2. Это означает, что для C5 требуется более высокое номинальное напряжение, но если вы можете дешево получить крышки с подходящим номинальным напряжением, обычно доступны 250 В или даже 400 В, то эта конфигурация имеет намного более низкое падение напряжения с током.

— Neil_UK
источник

1

Есть еще одно улучшение, которое я использовал в своем дизайне, которое я не проиллюстрировал на схеме. Как и в вашей схеме, я основал множитель с земли, поэтому перенес мой D1 на землю. Если вместо этого эта точка принимается за шину, то вы получаете значение выходного напряжения на целую дополнительную шину бесплатно. Выходной импеданс - Cockroft Walton увеличивается по мере увеличения числа ступеней, моя конфигурация «все заглавные буквы для водителя» увеличивается только линейно с количеством ступеней, что значительно экономит большое количество ступеней.

— Neil_UK

1

На этой странице вы можете использовать двухтактный MOSFET - talkelectronics.com/projects/MOSFET/images/PushPull_12v.gif . Использование версии аудиоусилителя (с «цепью диодов»?) Слишком сложно и отвечает другим требованиям.

— Neil_UK

1

Из Кокрофта-Уолтона сконцентрируйтесь на цепи диодов на мгновение. Теперь подключите нижнюю часть к заземлению (или направляющую для свободной опоры с одной направляющей) и верхнюю часть к выходу. Теперь обратите внимание, что альтернативные узлы работают в противофазе. Теперь отсоедините «ведомый» конец каждого конденсатора и верните их в две группы. Теперь возьмите две группы в противофазу, эта противофаза может быть заземлена и сигнал переменного тока, как в оригинальном cockroft-walton, или это могут быть два сигнала противофазного переменного тока, которые дадут вам вдвое больший размах напряжения для вашей шины ,

— Neil_UK

1

вам не нужно использовать BJT, вы можете использовать FET. Тем не менее, небольшие полевые транзисторы легко взрываются, и во многих случаях BJT легче смещать для таких вещей, как переключатели уровня. Молодец, что нашел имя «множитель Диксона», это именно то, что я имел в виду.

— Neil_UK

2

в любое время, рад помочь. Это то, что мы использовали для изготовления крошечного множителя Диксона, двух каналов, высоковольтного привода с очень высоким током, простого управления с помощью логики и крошечного. maximintegrated.com/en/products/power/power-switching/… Примите ответ, если он

— показался

2

$R_D$ $\gg 36V$

Но убедитесь, что

$V_{DS,max}$
$I_{D,max}$

— творог
источник

Я ценю решения, в которых используются индукторы, но у меня их нет под рукой. Спасибо за ваш ответ!

— Янки

3

@Yankee: совет: если у вас сломана компактная люминесцентная лампа, вы можете получить хороший индуктор, который идеально подойдет для ваших целей, благодаря электронике, которая спрятана в пластиковой розетке (катушка индуктивности, вероятно, не является сломанной частью); убедитесь, что не разбили стеклянную трубку. Значение индуктивности, вероятно, находится в диапазоне нескольких мГн. Посмотрите на индуктор справа на этом рисунке с пометкой «3.5mH»

— Творог

1

Это потрясающе. Я определенно буду иметь это в виду, если когда-нибудь буду в затруднении. Увы, все огни в моей квартире светодиодные!

— Янки

1

36 В на воротах уничтожат устройства. Вы должны найти правильные схемы управления MOSFET.

$|V_{GSS}| < 20~V$

$R_1$ $3.3 ~k\Omega$

— skvery
источник

Push-pull - это то, с чем я пошел, и это сработало. Прошу прощения, что не выбрал ваш ответ, я пошел с тем, кто помог мне понять, что такое двухтактный, так как я никогда не видел этого до сегодняшнего дня. Спасибо за ответ.

— Янки

@ Янки Я предложил двухтактные с обычными биполярными транзисторами, а не с МОП-транзисторами. (Без проблем :-)

— сквери

Вне ситуаций, связанных с усилителями, почему двухтактное обычно выполняется с BJT, а не с FET? @Neil_UK, немного перефразируя, сказал: «Использование BJT не обязательно, но FET могут потерпеть неудачу неожиданным образом, а BJT может быть проще смещать». Существуют ли другие причины, по которым BJT следует отдавать предпочтение размещать и снимать заряд на воротах полевых транзисторов, а не просто использовать другие полевые транзисторы? Я просто думаю, что это странно, что я буквально не нашел ни одного примера полевых транзисторов, используемых для управления воротами других полевых транзисторов при изучении «двухтактного».

— Янки

0

как множитель напряжения, его выходной ток обратно пропорционален выходному напряжению. Таким образом, чтобы увеличить выходной ток, у вас есть два варианта, не выходя из топологии:

1) увеличить ток привода: 555 может выдавать 200 мА, а ваш bs170 - несколько мА. вы можете попробовать эмиттер-последователь в качестве буфера; или выделенный водитель;

2) увеличьте напряжение привода: запустите все это при максимально возможном напряжении;

если бы я был тобой, я бы сначала попробовал управлять множителем напрямую с 555. если это не обеспечивает достаточного тока, подумайте о другом подходе, таком как повышающий преобразователь.

— dannyf
источник

Вождение множителя непосредственно от 555 было первым, что я попробовал. Проблема была не в выходной мощности 555, а в максимальном выходном напряжении. Мне нужно было слишком много ступеней в множителе и никогда не доходил до 200В. Напряжение фактически начало снижаться примерно после 15-й ступени.

— Янки

0

Какие батареи вы используете? Внутреннее сопротивление батареи 9 В может быть довольно высоким. Я думаю, что обычный щелочной может обеспечить только около 3 ампер из-за этого. 36 В * 3 А / 220 В составляет около 500 мА на выходе без учета каких-либо потерь в цепи. Я думаю, что аккумуляторы могут работать лучше.

— Willem
источник

Это просто батарейки мельницы 9В. Для общих случаев использования это может быть проблемой, но в моем конкретном случае я рисую намного меньше, чем 20 мА от конца множителя.

— Янки