Зарядка цепи до 10 кВ от 3 В (две батареи типа АА) для разряда более 20 мс


9

Как я могу спроектировать схему, которая может быть заряжена до 10 кВ (где-то между 5 и 20 кВ в порядке) от двух батареек типа АА (~ 3 В)?

Я собираюсь нарисовать около 20 мА при нагрузке с высоким сопротивлением в течение короткого промежутка времени, около 20-50 мсек. Это нормально, если цепи требуется некоторое время для достижения выходного напряжения 10 кВ, чтобы не потреблять слишком большой ток от батареи во время зарядки цепи.

При разряде выходной ток будет ограничен максимум 20 мА.


1
Вы имеете в виду миллиамперы (т.е. 200 Вт) или микроамперы (больше как 0,2 Вт)?
Дейв Твид,

1
(а) Это потенциально смертельная комбинация напряжение / ток. (б) Это также 400 Вт, не значит, много энергии. (c) Я бы начал с различных проектов DIY tesla или spark: rmcybernetics.com/projects/DIY_Devices/homemade_tesla_coil.htm
pjc50

1
Сколько падения напряжения вы можете терпеть во время цикла разряда? Это определит размер конденсатора, который вам нужен. Затем вы можете выяснить, сколько времени потребуется для зарядки пары АА. Даже после зарядки потребуется несколько минут между дихаржами для восстановления - и это предполагает 1А разряда от батарей, что очень много.
Дейв Твид,

6
@LeonHeller: 200 Вт * 50 мс = 10 Дж. Пара АА должна быть в состоянии сделать это 100 раз.
Дейв Твид,

1
@bjarkef, я дал тебе повод отменить это, потому что у этого будет решение. Но просто перечитав вопрос (без комментариев), вы, вероятно, должны отредактировать его, включив в него плату, и время цикла не имеет большого значения. Он читает немного так, как будто вы ожидаете, что он выдаст 20 мА при 10 кВ, что даже в течение короткого времени было бы невозможно без крышки.
PeterJ

Ответы:


11

Как я могу спроектировать схему, которая может быть заряжена до 10 кВ (где-то между 5 и 20 кВ в порядке) от двух батареек типа АА (~ 3 В)?

Трудность в этом вопросе является понимание некоторых требований, поэтому я буду решать этот первый, потому что без ответа это спорно, что это можно ответить правильно.

Во-первых, будет ли нагрузка приложена после того, как выходная крышка зарядится до требуемого напряжения? Если нагрузка присутствует все время во время «процесса зарядки», тогда требуемая мощность намного больше, чем ожидают некоторые ответы и комментарии. Я не думаю, что решение достижимо, если нагрузка всегда подключена, поэтому я предполагаю, что это не так.

ОП также говорит, что «выходной ток будет ограничен максимум 20 мА». Это требование решения или что-то, что является внешним по отношению к этому вопросу? Это требует ответа, но сейчас я предполагаю, что это не требуется в решении.

Предложение - Потребуется трансформатор, который увеличит напряжение питания 3 В (номинальное) до примерно 800 В / с. С разделенными первичными и двумя N-канальными МОП-транзисторами должно быть достижимо эффективное первичное напряжение на пп около 12 В (за вычетом потерь). Вторичное поэтому будет иметь в 70-80 раз больше оборотов основного:

введите описание изображения здесь

Я думаю, что это разумно выполнимо и на приличной частоте переключения до 1 МГц. По своему опыту я не верю, что трансформатор с степпингом более 100: 1 - это практично - слишком много потерь.

МОП-транзисторы не будут обычным делом. Я думаю, что они должны быть чем-то вроде 60 В и иметь сопротивление на уровне, близком к 10 мОм. Низкая емкость стока также является обязательным требованием. Более подробно позже, когда я подумаю об этом и смоделирую это.

Вождение МОП-транзисторов также сложно. Вполне вероятно, что им нужно будет управлять напряжением на затворе 10 или 12 В, а это означает, что для питания цепи управления переключателем от 3 В потребуется небольшой повышающий преобразователь. Это не большая проблема. Я действительно думал о том, чтобы усилитель подавал питание на первичную обмотку трансформатора, но это является значительным источником неэффективности, и я считаю, что лучшим вариантом является более высокое соотношение оборотов на трансформаторе.

В контроллере переключателя есть детали, которые необходимо устранить, например, чтобы он выполнял постепенный плавный пуск, чтобы создать напряжение o / p, предотвращающее «коллапс» батарей под «давлением».

Заключительными этапами будут несколько (менее 10) множителей Кокрофта Уолтона, и я думаю, что используемые диоды потребуют тщательного выбора. Более подробно позже - я имею в виду один, но я оставил свои записи на работе, и моя память подводит меня!

Извините, я еще не получил полную информацию, но, конечно, вопрос в том, «как я могу спроектировать схему», то есть как ОП может спроектировать схему.

Дополнения по понедельникам Вот основная схема, которую я придумал - она ​​генерирует чуть более 6 кВ, и я решил в конце концов перейти на полевые транзисторы с номинальным напряжением 40 В, потому что я ограничил обратную эдс с помощью стабилитронов 18 В: введите описание изображения здесь

Вот выход после применения батареи. Нижний дисплей показывает напряжение и ток FET, снятые с аккумулятора через 0,1 Ом последовательно: -

введите описание изображения здесь

Чтобы преодолеть внутреннее сопротивление батареи, я использовал индуктивность 1 мГн и конденсатор 5 мкФ, чтобы он служил усилителем напряжения при включении питания. Лучшим способом сделать это, вероятно, было бы зарядить конденсатор приличного размера (1000 мкФ) до 5 В в течение допустимого периода времени и позволить ему действовать как импульс для достижения выхода + 6 кВ, а затем вернуться к 3-вольтовой батарее для накопления энергии в нем. сохранить выход на 6 кВ. В качестве альтернативы, поскольку OP требует только 20 мс периода высокого напряжения на выходе, 1000 мкФ может быть достаточно, чтобы поддерживать разумную стабильность в течение этого периода и, если не увеличиваться, до 10000 мкФ.

Не показан повышающий преобразователь, который питает генератор 1 МГц. Есть несколько устройств от линейной технологии, которые будут выполнять эту функцию. 12В необходимо для вождения ворот.

Мелкий шрифт Вторичная обмотка трансформатора нуждается в осторожности при намотке, чтобы поддерживать емкость ниже примерно 10 пФ. Я не буду вдаваться в подробности, но достаточно сказать, что выходная цепь основана на вторичном резонансе, и поэтому для оптимизации выходного напряжения следует использовать триммерный колпачок 20 пФ, который не вызывает чрезмерного резонанса и приводит к большой неэффективности передачи мощности.

Имейте в виду, что это может легко убить вас, если вы не позаботитесь. Имейте в виду.


Какой понедельник? :-)
Аниндо Гош

@AnindoGhosh ты спешишь чувак LOL
Энди ака

Нет, только то, что я провел слишком много лет в корпоративном управлении, всегда хотел
закрепить

2
@AnindoGhosh это тяжелый крест, который ты должен вынести;) ... В этот понедельник, конечно (надеюсь) - я провел слишком много лет, натягивая шерсть на глаза менеджера, чтобы понять, что ты не можешь быть инженером BS!
Энди ака

1
@ pjc50 Во-первых, когда один фет размыкается, другой тянет другую сторону первичной обмотки вниз до 0 В, и это сразу же вынуждает 6 В на сток высвобождающего мосфета. Во-вторых, никогда не будет 100% связи, что означает скачок и для поддержания высокой эффективности и скорости переключения, я не хочу использовать амортизаторы. Я считаю, что будет сложная фоновая ЭДС, которая может легко достичь пиков 30В, поэтому я немного осторожен, возможно, с 60В, НО 40В слишком близко для комфорта, и есть более 60В устройств, чем 50В.
Энди ака

5

Традиционный способ получить это для низких уровней заряда известен как конденсаторная диодная мостовая схема AKA умножитель напряжения. Вы использовали бы батареи, чтобы генерировать сигнал переменного тока, который затем подается в конец этой схемы умножителя.

введите описание изображения здесь

Чем выше напряжение переменного тока, тем меньше ступеней нужно достичь до 10 кВ.

Будьте осторожны, эта схема может хранить заряд в нижних крышках. Также диэлектрическое поглощение может поднять его голову, и вы можете найти заряд через колпачки, которые вы хотя бы разряжали.

Вы хотите 20 мА за 20 мс => 400 мкК заряда. (Qзнак равноя*T) если вы нагнетаете напряжение до 12 кВ и падаете до 10 кВ во время разряда, у вас есть изменение на 2 кВ.

чтобы поставить этот заряд вам нужно:

Qзнак равноС*Взнак равноС*ΔВ

Сзнак равноQΔВзнак равно0.2UF

так что на рисунке выше (5 пробок) вам понадобятся пробирки 1 мкФ, каждая из которых способна выдержать 2 кВ и форма сигнала переменного тока 2 кВ. В качестве оценки первого порядка. Надеюсь, этого достаточно, чтобы сделать свои собственные расчеты (и, надеюсь, не убить себя)

Я даже нашел версию внутри нашего любимого схематического инструмента CircuLab.

[Circuitlab] mh9d8k [/ circuitlab]


4
Этот тип множителя заправочного насоса не подходит в этом случае из-за очень большого коэффициента увеличения. Эта схема требует одного каскада на множитель с идеальными диодами. Рисунок 1.5 В теряется в диодах, падающих на ступень, поэтому каждая ступень добавляет только 1.5 В. Вам нужно более 3300 ступеней, чтобы добраться до 5 кВ.
Олин Латроп

1
@OlinLathrop вам придется прочитать немного более внимательно. возбуждение в моем простом примере составляет 2 кВ.
заполнитель

3
Но тогда как это поможет? Он спрашивает, как сделать 5-10 кВ от 3 В, и ваш ответ - начать с 2 кВ. Если бы он знал, как сделать 2 кВ, он, вероятно, мог бы сделать 5 кВ.
Олин Латроп

@OlinLathrop 1 кВ до 2 кВ очень просто с очень маленьким трансформатором, 10 кВ не так много. Что касается того, как это помогает, падение напряжения на диоде на 1,5 В не имеет значения. Но есть компромиссы, он может легко использовать 1 кВ и удвоить уровни.
заполнитель

5
Я до сих пор считаю, что это не ответ, если только вы не покажете, как получить эти 2 кВ для начала.
Олин Латроп

3

Насколько критичны ваше напряжение и продолжительность?

То, что вы описываете, ОЧЕНЬ похоже на общую схему зажигания катушки от автомобильного двигателя. Автомобильная батарея подает ток на первичку свирепого трансформатора (катушку зажигания). Точки прерывания периодически включают и выключают ток, чем резче подъем и падение, тем лучше. Снижение магнитного поля индуцирует ДЕЙСТВИТЕЛЬНО высокое напряжение во вторичной обмотке, которая проходит через распределитель (по существу, поворотный переключатель с приводом от двигателя) к свече зажигания (искровой разрядник).


4
« Свирепый трансформер » заставил меня смеяться! Не просто агрессивно, а?
Аниндо Гош

0

Я имею в виду многоступенчатый диодный умножитель напряжения (управляемый прямоугольной волной / осциллятором), который мог бы заряжать (большой) конденсатор. Используйте что-то вроде JFET, чтобы сбросить конденсатор через первичную сторону повышающего трансформатора - несколько постепенно, с резким обрывом, чтобы разрушить вторичное и высокое напряжение на обратном отдаче.

Я думаю, что это своего рода катушка зажигания автомобиля.

Я не знаю, как долго будет длиться разрядка - но время разрядки можно увеличить с помощью конденсатора, настроенного на присоединенную нагрузку. (Если экспоненциальный спад напряжения в порядке).

Используя наш сайт, вы подтверждаете, что прочитали и поняли нашу Политику в отношении файлов cookie и Политику конфиденциальности.
Licensed under cc by-sa 3.0 with attribution required.