Carica di un circuito a circa 10kV da 3V (due batterie AA) per una scarica di oltre 20msec

Come posso progettare un circuito che può essere caricato a circa 10kV (da qualche parte tra 5 e 20kV va bene) da due batterie AA (~ 3V)?

Disegnerò circa 20 mA su un carico ad alta resistenza per un breve periodo di tempo, tra 20 e 50 msec. Va bene se il circuito impiega un po 'di tempo per raggiungere la tensione di uscita di 10 kV, in modo da non assorbire troppa corrente dalla batteria durante la ricarica del circuito.

Durante la scarica, la corrente di uscita sarà limitata a un massimo di 20 mA.

Come posso progettare un circuito che può essere caricato a circa 10kV (da qualche parte tra 5 e 20kV va bene) da due batterie AA (~ 3V)?

La difficoltà in questa domanda è capire alcuni dei requisiti, quindi mi occuperò prima di tutto perché senza risposte è discutibile che si possa rispondere correttamente.

In primo luogo, il carico verrà applicato una volta che il cappuccio di uscita viene caricato alla tensione richiesta? Se il carico è sempre presente durante il "processo di ricarica", la potenza richiesta è molto più di quanto anticipano alcune delle risposte e dei commenti. Non penso che una soluzione sia raggiungibile se il carico è sempre collegato, quindi presumo che non lo sia.

L'OP dice anche "la corrente di uscita sarà limitata a un massimo di 20mA". È questo un requisito della soluzione o qualcosa che è esterno a questa domanda? Questo ha bisogno di una risposta, ma per ora presumo che non sia richiesto nella soluzione.

Proposta - Sarà necessario un trasformatore che aumenti l'alimentazione 3V (nominale) a circa 800Vp-p. Con un MOSFET primario diviso e due canali N, dovrebbe essere possibile ottenere una tensione pp primaria effettiva di circa 12V (meno un po 'di perdita). Il secondario avrà quindi tra 70 e 80 volte i turni del primario: -

Penso che questo sia ragionevole fattibile e con una frequenza di commutazione decente fino a 1MHz. Per esperienza, non credo che un trasformatore con un stepup superiore a circa 100: 1 sia pratico, troppo smarrito.

I MOSFET non saranno oggetti comuni. Penso che dovranno essere qualcosa di simile a 60 V e avere una resistenza all'accensione vicino all'area di 10 milli-ohm. È inoltre richiesta una bassa capacità di drenaggio. Maggiori dettagli più tardi mentre ci penso e lo simulo.

Anche guidare i MOSFET è complicato. È probabile che debbano essere pilotati con tensioni di gate di 10 o 12V e questo significa che sarà necessario un piccolo convertitore di boost per alimentare il circuito di controllo dell'interruttore da 3V. Questo non è un grosso problema. Ho preso in considerazione l'idea che il booster fornisse la potenza al primario del trasformatore, ma questa è una fonte significativa di inefficienza e credo che un miglior rapporto di virate sul trasformatore sia la migliore idea.

Ci sono dettagli nel controller dell'interruttore che devono essere appianati come se avesse eseguito un graduale avvio graduale per aumentare la tensione di alimentazione evitando che le batterie si "collassino" sotto la "pressione".

Le fasi finali sarebbero diversi (meno di 10) moltiplicatori walton di Cockcroft e penso che i diodi utilizzati avranno bisogno di un'attenta selezione. Più dettagli in seguito - Ne ho uno in mente ma ho lasciato gli appunti al lavoro e la memoria mi sta deludendo!

Mi dispiace non ho ancora i dettagli completi, ma ovviamente la domanda è "come posso progettare un circuito" che significa come può l'OP progettare il circuito.

Aggiunte al lunedì Ecco il circuito di base che mi è venuto in mente: genera un po 'più di 6kV e alla fine ho deciso di optare per FET con rating da 40 V perché ho limitato l'emf posteriore con zen da 18 V: -

Ecco l'output dopo aver applicato la batteria. Il display inferiore indica la tensione di drain del FET e la corrente prelevata dalla batteria fino a 0,1 ohm in serie: -

Per superare la resistenza intrinseca della batteria ho usato un induttore da 1mH e un condensatore da 5uF per fungere da booster di tensione durante l'accensione. Il modo migliore per farlo sarebbe probabilmente quello di caricare un condensatore di dimensioni decenti (1000uF) fino a 5 V in un periodo di tempo ammissibile e lasciarlo agire come boost per ottenere un'uscita + 6kV, quindi tornare alla batteria da 3 V per far penetrare energia in esso per mantenere l'uscita a 6kV. In alternativa, poiché l'OP vuole solo un periodo di 20ms di alta tensione in uscita, il 1000uF può essere sufficiente per mantenere le cose ragionevolmente stabili per quel periodo e se non aumentare a 10.000uF.

Non mostrato è il convertitore boost che alimenta l'oscillatore 1MHz. Esistono diversi dispositivi della tecnologia lineare che eseguono questa funzione. 12V è necessario per guidare i cancelli.

Stampa piccola Il secondario del trasformatore necessita di attenzione nell'avvolgimento per mantenere la capacità al di sotto di circa 10 pF. Non ho intenzione di entrare in questo, ma basti dire che il circuito di uscita si basa sulla risonanza secondaria e quindi un cappuccio del trimmer di 20pF dovrebbe essere usato per ottimizzare la tensione di uscita senza risuonare eccessivamente e causare grandi inefficienze nel trasferimento di potenza.

Tieni presente che questo potrebbe facilmente ucciderti se non ti prendi cura di te. Essere avvisati

Il modo tradizionale di ottenere questo per bassi livelli di carica è noto come un moltiplicatore di tensione AKA del circuito a ponte a diodi condensatore. Utilizzereste le batterie per generare una forma d'onda CA che poi alimenterete alla fine di questo circuito moltiplicatore.

Maggiore è la tensione CA, minore è il numero di stadi necessari per arrivare a 10KV.

Attenzione però, questo circuito può immagazzinare la carica nei tappi inferiori. Anche l'assorbimento dielettrico può sollevare la sua testa e puoi trovare carica tra i tappi che però hai scaricato.

Volete 20ma in 20 ms => 400 uC di carica. ( ) se si pompa a 12KV e si scende a 10 KV durante la scarica, si cambia 2KV.$Q=I*t$

per fornire tale addebito è necessario:

$Q = C*V = C* \Delta V$

$C = \frac{Q}{\Delta V} = 0.2 uF$

quindi nella foto sopra (5 tappi) avresti bisogno di tappi 1uF ciascuno in grado di sostenere 2KV e una forma d'onda CA 2KV. Come stima del primo ordine. Spero che questo ti dia abbastanza per fare i tuoi calcoli (e speriamo di non ucciderti)

Ho anche trovato una versione all'interno del nostro circuito preferito per gli strumenti schematici.

[Circuitlab] mh9d8k [/ circuitlab]

Quanto sono critici la tua tensione e durata?

Quello che stai descrivendo è MOLTO simile a un comune circuito di accensione punti / bobina di un motore di un'auto. La batteria dell'auto fornisce corrente al primario di un trasformatore feroce (la bobina di accensione). I punti di interruzione periodicamente attivano e disattivano la corrente, più acuta è la salita e la caduta, meglio è. Il collasso del campo magnetico induce una tensione VERAMENTE alta nel secondario, che passa attraverso il distributore (essenzialmente un interruttore rotante motorizzato) alla candela (spark gap).

Sto pensando a un moltiplicatore di tensione basato su diodi a più fasi (pilotato da un'onda quadra / oscillatore) che potrebbe caricare un (grande) condensatore. Usa qualcosa come un JFET per scaricare il condensatore attraverso il lato primario di un trasformatore step-up - un po 'gradualmente, con un taglio netto per far crollare il secondario ad alta tensione sul contraccolpo.

Penso che questo sia un po 'come funziona la bobina di accensione di un'auto.

Non so quanto tempo sarebbe la scarica, ma il tempo di scarica potrebbe essere esteso con un condensatore, ottimizzato per il carico attaccato. (Se il decadimento esponenziale della tensione è corretto).