Sicurezza della cascata Villard

Di recente, mio ​​figlio adolescente sta costruendo moltiplicatori Cockcroft-Walton nel suo tempo libero, e sono potenzialmente un po 'preoccupato nel caso in cui si fulminasse da solo. Il suo circuito è alimentato da 4 celle AA in serie (6V) e, a giudicare dallo spinterometro, è riuscito a raggiungere i 6kV usando un oscillatore e un trasformatore seguito dalla cascata Cockcroft-Walton. Dal momento che lo sta costruendo su una semplice breadboard non c'è isolamento tra lui e parti del circuito, e mi ha già detto che ha avuto alcuni shock.

Sono un fisico che lavora in un'università, quindi ho cercato le norme relative agli elettrodomestici in Europa e penso che dovrebbe essere ok (usiamo le stesse normative per valutare le dimostrazioni del generatore di Van der Graaf). La capacità totale del circuito in cascata termina a circa 1nF, quindi a 6000 V la carica totale dovrebbe essere di 6uC che credo dovrebbe essere sicura (EN-60335-1) ma poiché non sono un ingegnere non posso dirlo con certezza .

La mia domanda è: dovrei impedire a mio figlio di costruirli? Ho sempre incoraggiato la creatività e il suo amore per l'elettronica, ma non voglio che rimanga ferito o peggio.

Essere scioccati è buono. Far cadere la saldatura su vestiti e pelle è buono. Frantumare le dita su bordi di metallo affilati è buono. Gli umani sopravvivono esplorando. Gli umani imparano dal dolore. Altrimenti saremo rannicchiati nelle paludi.

Da bambino, ho sentito 117 VAC formicolare attraverso le dita dei piedi, dai vecchi trasformatori di potenza. Ho imparato a sedermi su sedie di legno e non toccare le dita del piede sul pavimento di cemento.

Più tardi, mentre "calibravo" un oscilloscopio, ho spinto la parte posteriore del cannocchiale contro il banco da laboratorio in metallo, toccando la presa del tubo del telescopio EICO sul banco, e poi mi sono sporto in avanti con la pancia contro la parte anteriore del banco attraverso la mia camicia, e toccai di nuovo il petto attraverso la maglietta verso il telaio dell'oscilloscopio mentre allungavo la mano per regolare un potenziometro "a fuoco". 3.000 volt sul petto. Mi sono seduto, sbalordito, per un paio di minuti.

Ma avevo ancora qualche lezione da imparare sull'alta tensione.

Fai vedere a tuo figlio alcuni video di morte ad alta tensione.

Insegnagli il trucco "tieni una mano in tasca" per l'alta tensione.

EDIT: Quindi c'è alta corrente; il prof del college ha raccontato del compagno che ha perso l'anulare sinistro, perché l'anello nuziale è finito in un percorso ad alta corrente , rendendo l'anello rosso, uccidendo la pelle, il muscolo, i tendini e l'osso.

Ho anche avuto circuiti integrati del gate driver MOSFET che hanno scaricato la parte superiore del pacchetto, durante l'evento "snapback bipolare" quando i condensatori di memorizzazione da 1.000 μF all'interno di un enorme alimentatore da laboratorio HP avevano la necessità di scaricare la loro energia in 2 mm × 4 mm silicio del gate driver. Nessuno di noi tre, in bilico abbastanza vicino, fu colpito. Ma dopo ciò, ho sempre posizionato un foglio di carta in cima al circuito, per intercettare altre discariche di energia IC. Energia? 1/2 * C * V ^ 2 = 0,5 * 1,000uf assunto (non ha aperto la fornitura HP) * 20v * 20v = 200 milliJoules che spiega perché la parte superiore in plastica DIP è stata spazzata via. E mancavano i nostri 6 occhi (anche se indossavo gli occhiali).

EDIT: Il blow-top-off del gate driver è stato serendipity, perché ho preso a cuore la lezione e ho realizzato il pericolo di energia immagazzinata in tappi da 1.000 μF. Ho imparato come stuzzicare il drago nel valutare lo snap-bipolare, consentendo solo 1.000 pF proprio attraverso il Gate Driver, con una resistenza da 220 Ω al (variabile sperimentalmente) Vdd. Utilizzando un 1.000 pF a piombo lungo (3 ″ conduttori, 6 ″ totali o 100 nanohenry) insieme ai 1.000 pF esterni e al substrato di pozzo su chip di ~ 1.000 pF, durante gli eventi di commutazione il silicio VDD_GND collasserebbe e quindi rimbalzerebbe 5 o 10 o 15 volt sopra i 18 volt nominali. Ad un certo livello, la scrittura del ringing (100 nH e 500 pF ring a 22 MHz) ha indotto una carica transitoria sufficiente nel silicio che si è verificato lo snapback bipolare e il VDD (fornito da 1, 000 pF) verrebbero risucchiati fino a 16 o 17 volt, dopodiché lo snapback si autoestinguerebbe. Ho eseguito questi dispositivi, dentro / fuori dallo snapback a 100 kHz, senza danni, mentre ho diagnosticato il percorso di carica transitoria e ho realizzato che le regole di layout necessarie erano modificate. Colpo di fortuna. Energia? 0,5 * C * V ^ 2 = 0,5 * {protoboard totale + tappo in silicone = 2.000pF} * 31.6volts ^ 2 = 1.000pF * 1,000 (volt ^ 2) = 1microJoule.

Dieci anni fa, di ritorno da pranzo, gli fu detto di andare in laboratorio ed esaminare "i detriti" sulla panca del XXXX. C'era una scheda wirewrap da 6 pannelli (30 * 6 = 180 IC), molti circuiti integrati con le loro parti superiori espulse. Si scopre che un filo sospeso a un'estremità era arricciato sopra e intorno e sotto il bordo del banco anteriore e ** INTO * il contatto caldo dell'alimentazione 117VAC. Pertanto, la direzione voleva che tutti gli ingegneri, i tecnici e le persone di rielaborazioni comprendessero il pericolo che i fili avvolgenti elastici lasciati appesi.

Ahhhh Assegnato all'alimentazione di commutazione Tritek da 400 watt per un paio di settimane, per qualche motivo. Solo per darmi esperienza nei commutatori; Non ero il designer. Ripetutamente, i resistori di protezione a filo avvolto da 5 watt sacrificali da 5 watt --- erano esplosi, i loro nuclei di ceramica sono stati fatti esplodere dalla custodia termorestringibile e attraverso la passerella tra le panchine, il filo resistivo che si trascinava dietro come filo di guida per un missile TOW. Abbiamo imparato a non ostacolarci.

Per sicurezza e senza ronzii negli amplificatori highgain (100dB e 120dB), ho imparato a usare le batterie 9Volt "B" 3 "da 3" da 4 ". L'alto Rout ha causato oscillazioni, quasi sempre, fino a quando ho imparato a implementare "batterie locali" con RC LPF nelle fasi da VDD a LNA. Avevo una collezione di 5.000 uF di cappucci.

Sembra al sicuro da ciò che descrivi, purché usi solo batterie e mantenga piccoli i condensatori. I moltiplicatori CW aumentano la tensione ma riducono la corrente in modo che ci siano solo poche centinaia di microampere all'estremità dell'uscita.

EN60335-1 suggerisce che sotto i 15kV fintanto che la carica totale di uno shock è inferiore a 45 microcolcolli non dovrebbe esserci pericolo. Il circuito di tuo figlio sembra essere molto al di sotto di questo come Q = CV. Ovviamente se inizia ad andare a tensioni sempre più alte dovrà ridurre le dimensioni dei tappi per rimanere al sicuro. Con 6000V e 1nF qualsiasi "shock" sembrerà molto simile a uno shock statico da una maniglia della porta. È anche un tipo simile di produzione che hanno i pungoli commerciali.

Un'altra proprietà delle cascate CW è che la tensione e la corrente di uscita dipendono dal carico: minore è la resistenza del carico, minore è la corrente, il che le rende davvero inefficienti ma può salvare anche la pancetta se si dovesse attaccarsi ad essa.

Concordo anche sul fatto che dovrebbe essere supervisionato, penso che sia quasi ovvio.

Penso che l'unico modo per 4 batterie AA (o D ecc.) Essere pericolose in un circuito sarebbe se un circuito come quello sopra fosse usato per caricare un enorme condensatore. Potrei sbagliarmi su questo però.

Sicuro è un termine relativo, ciò che è sicuro per una persona potrebbe non esserlo per un'altra, e come professionista non posso davvero dirti che è sicuro al 100%. Sembra che le energie coinvolte siano abbastanza banali, ma ciò non significa che non lo collegherà a un trasformatore di potenza tra un'ora per ottenere una scintilla più grande. Inoltre, anche con questi valori, potrebbe sovraccaricare un condensatore e causare un guasto piuttosto violento. Gli occhiali di sicurezza sarebbero una buona idea per questo e altri progetti.

Lavorare con l'elettricità comporta sempre dei rischi. Possono derivare da folgorazione, esplosione, ustioni, incendi, esposizione chimica e pochi altri. Questo viene solo con la natura del lavoro.

Dovresti fermarlo? Bene, potresti provare, ma potresti essere meglio averlo adeguatamente istruito sui rischi e sulle misure di sicurezza che dovrebbe prendere per limitare la sua vulnerabilità a qualcosa che non va. Tali misure dovrebbero includere una rigorosa restrizione secondo cui "Non giochiamo con l'elettricità quando non c'è nessun altro!" .

Ci sono una serie di linee guida semplici e complesse on-line.

Forse passare un po 'di tempo con lui mentre sta sperimentando. Potrebbe piacerti e sono sicuro che tuo figlio lo apprezzerebbe.

AGGIUNTA: Come genitore, prenderei delle misure per assicurarmi che dove lavora il ragazzo sia adeguatamente attrezzato. Gli strumenti giusti, le attrezzature, le prese di corrente interrotte da guasti a terra, l'illuminazione, la ventilazione sono tutti importanti.

PERICOLO! Il cuore spezzato della scarica del tappo è determinato dall'energia, non dalle coulomb.

Consulta il pdf: IEEE 2009: sistema di classificazione dei pericoli elettrici

In generale, è male lasciare che i condensatori entrino nella gamma di 10 joule e oltre. Questo è per gli scarichi sul petto, ovviamente. Significativo pericolo cardiaco inizia alle scariche di 20joule. Al di sotto di 10joule, il problema principale sono le contrazioni muscolari, che vengono tagliate sbattendo oggetti appuntiti ecc.

0,001 uF e 6 KV danno 36 millijoule. Abbastanza sicuro, anche se un po 'doloroso.

Tuttavia, gli effetti cardiaci dipendono dalla densità di energia, non solo dai joule. Se hai pugnalato un condensatore a terminale tagliente nella cassa toracica, l'energia erogata al sistema di pacemaking sarebbe dell'ordine di grandezza superiore rispetto a quando gli stessi terminali del condensatore fossero toccati con due mani.

Quando si lavora con i sistemi di scarico del tappo, utilizzare solo una mano. In questo modo gli scarichi accidentali non ti attraverseranno il petto. O meglio ancora, rimani sempre molto impaurito e paranoico che commetterai un errore e riceverai uno zap cattivo. Un certo rispetto serio (se non puro terrore) va ben oltre nel favorire preventivamente un'adeguata ricerca e nell'evitare lo sviluppo di comportamenti a rischio ignoranti quando si hanno a che fare con condensatori di kilovolt.

Ci sono stati alcuni suggerimenti su "alimentarlo da una batteria, punto". Vi è una buona ragione per non farlo con esperimenti in cui vengono generati alcuni kilovolt anche se viene utilizzato un alimentatore collegato alla rete normalmente sicuro, e non è stato davvero menzionato qui.

Alte tensioni in una quantità (massima corrente sostenuta, energia accumulata) che normalmente non potrebbero farti molti danni permanenti portano ancora almeno questi pericoli:

• può rompere l'isolamento da primario a secondario anche in un robusto alimentatore - nel peggiore dei casi in modo permanente, quindi le cose che non dovrebbero essere direttamente collegate alla rete ora lo sono . Anche un alimentatore costruito perfettamente secondo gli standard di sicurezza potrebbe avere un guasto di isolamento se si riesce a mettere per errore più di circa 3-4kV a terra in uno dei suoi terminali

• L'alta tensione colpisce gli archi molto facilmente. Se riesci a colpire un arco contro qualcosa che ha la corrente in tensione su di esso (potrebbe essere un connettore isolato in modo imperfetto vicino alla tua configurazione, come un cappuccio del cavo che non viene inserito completamente in una presa o qualcosa esposto attraverso un foro di ventilazione in una presa di corrente) caso di fornitura ...), questo arco è ora un conduttore perfettamente in grado di condurre qualsiasi cosa ad esso collegata (se sei fortunato, l'arco dura solo fino a quando non vi è un passaggio zero dalla rete CA.).