Mengisi daya sekitar 10kV dari 3V (dua baterai AA) untuk debit lebih dari 20 msec

Bagaimana saya bisa merancang rangkaian yang dapat diisi daya sekitar 10kV (di suatu tempat antara 5 dan 20kV baik-baik saja) dari dua baterai AA (~ 3V)?

Saya akan menggambar sekitar 20mA di atas beban resistansi tinggi untuk waktu singkat, sekitar 20 hingga 50 msec. Tidak apa-apa jika dibutuhkan sirkuit beberapa saat untuk mencapai tegangan output 10kV, untuk tidak menarik terlalu banyak arus dari baterai saat mengisi sirkuit.

Saat pemakaian, arus keluaran akan dibatasi hingga maksimum 20mA.

Bagaimana saya bisa merancang rangkaian yang dapat diisi daya sekitar 10kV (di suatu tempat antara 5 dan 20kV baik-baik saja) dari dua baterai AA (~ 3V)?

Kesulitan dalam pertanyaan ini adalah memahami beberapa persyaratan sehingga saya akan mengatasinya terlebih dahulu karena tanpa jawaban dapat diperdebatkan bahwa ini dapat dijawab dengan benar.

Pertama, apakah beban akan diterapkan setelah tutup output dibebankan ke tegangan yang diperlukan? Jika beban hadir sepanjang waktu selama "proses pengisian" maka daya yang dibutuhkan jauh lebih banyak daripada yang diantisipasi oleh beberapa jawaban dan komentar. Saya tidak berpikir solusi dapat dicapai jika beban selalu terhubung jadi saya berasumsi tidak.

OP juga mengatakan "arus keluaran akan dibatasi hingga maksimum 20mA". Apakah ini persyaratan solusi atau sesuatu yang berada di luar pertanyaan ini? Ini membutuhkan jawaban tetapi untuk sekarang saya berasumsi itu tidak diperlukan dalam solusi.

Proposal - Diperlukan transformator yang meningkatkan pasokan 3V (nominal) hingga sekitar 800Vp-p. Dengan MOSFET saluran primer dan dua saluran N, tegangan pp primer efektif sekitar 12V (minus sedikit kerugian) harus dapat dicapai. Karenanya sekunder akan memiliki antara 70 dan 80 kali putaran primer: -

Saya pikir ini masuk akal yang bisa dilakukan dan pada frekuensi switching yang layak hingga 1MHz. Dari pengalaman saya tidak percaya transformator dengan lebih dari 100: 1 langkah praktis - terlalu lossy.

MOSFET tidak akan menjadi barang umum. Saya pikir mereka harus menjadi sesuatu seperti nilai 60V dan memiliki on-resistance di dekat area 10 mili-ohm. Kapasitansi drain yang rendah juga merupakan persyaratan. Lebih detail nanti ketika saya memikirkannya dan mensimulasikannya.

Mengemudi MOSFET juga rumit. Kemungkinan mereka harus digerakkan dengan tegangan gerbang 10 atau 12V dan ini berarti bahwa konverter boost kecil diperlukan untuk memberi daya pada rangkaian kontrol sakelar dari 3V. Ini bukan masalah besar. Saya memang mempertimbangkan memiliki booster memberikan kekuatan untuk utama transformator tetapi ini adalah sumber ketidakefisienan yang signifikan dan saya percaya rasio belokan yang lebih tinggi pada transformator adalah ide terbaik.

Ada detail dalam pengontrol sakelar yang perlu disetrika seperti memiliki itu melakukan soft start secara bertahap untuk membangun tegangan o / p mencegah baterai dari "runtuh" ​​di bawah "tekanan".

Tahap akhir akan beberapa (kurang dari 10) pengganda cockcroft walton dan saya pikir dioda yang digunakan akan membutuhkan seleksi yang cermat. Lebih detail nanti - Saya punya satu di pikiran tapi saya meninggalkan catatan saya di tempat kerja dan ingatan saya mengecewakan saya!

Maaf saya belum mendapatkan rincian lengkapnya tetapi tentu saja pertanyaannya adalah "bagaimana saya bisa mendesain sirkuit" yang berarti bagaimana OP dapat mendesain sirkuit.

Tambahan Senin Berikut ini adalah rangkaian dasar yang saya buat - ini menghasilkan sedikit lebih dari 6kV dan saya memutuskan untuk mendapatkan FET dengan nilai 40V pada akhirnya karena saya membatasi emf belakang dengan zeners 18V: -

Berikut ini adalah output setelah menerapkan baterai. Layar yang lebih rendah adalah tegangan drain FET dan arus yang diambil dari baterai melalui 0.1ohms secara seri: -

Untuk mengatasi resistensi bawaan baterai, saya menggunakan induktor 1mH dan kapasitor 5uF untuk bertindak sebagai penguat tegangan selama penyalaan. Cara terbaik untuk melakukan ini mungkin akan mengisi kapasitor ukuran yang layak (1000uF) hingga 5V selama periode waktu yang diizinkan dan membiarkannya bertindak sebagai dorongan untuk mencapai output + 6kV, kemudian kembali ke baterai 3V untuk mengalirkan energi ke dalamnya untuk menjaga output pada 6kV. Atau, karena OP hanya menginginkan periode 20ms tegangan tinggi pada output, 1000uF mungkin cukup untuk menjaga hal-hal yang cukup stabil untuk periode itu dan jika tidak meningkat menjadi 10.000uF.

Tidak ditampilkan adalah boost converter yang mendukung osilator 1MHz. Ada beberapa perangkat dari teknologi Linear yang akan melakukan fungsi ini. 12V diperlukan untuk menggerakkan gerbang.

Cetak Kecil Sekunder transformator perlu perawatan dalam belitan untuk menjaga kapasitansi di bawah sekitar 10pF. Saya tidak akan membahas hal ini tetapi cukup untuk mengatakan, rangkaian output bergantung pada resonansi sekunder dan karenanya penutup pemangkas 20pF harus digunakan untuk mengoptimalkan tegangan output tanpa terlalu beresonansi dan menyebabkan inefisiensi besar dalam transfer daya.

Ingatlah bahwa ini dapat dengan mudah membunuh Anda jika Anda tidak berhati-hati. Diperingatkan.

Cara tradisional untuk mendapatkan ini untuk tingkat pengisian rendah dikenal sebagai rangkaian kapasitor dioda jembatan AKA pengganda tegangan. Anda akan menggunakan baterai untuk menghasilkan bentuk gelombang AC yang kemudian Anda masukkan ke akhir rangkaian pengali ini.

Semakin tinggi tegangan AC, semakin sedikit tahapan yang Anda butuhkan untuk mencapai 10KV.

Namun berhati-hatilah, sirkuit ini dapat menyimpan muatan di tutup bawah. Selain itu penyerapan dielektrik dapat memundurkan kepala dan Anda dapat menemukan muatan melintasi tutup yang telah Anda keluarkan.

Anda ingin 20mA dalam 20 ms => 400 uC of Charge. ($Q=I*t$) jika Anda memompa ke 12KV dan turun ke 10 KV selama debit Anda memiliki perubahan 2KV.

untuk memasok biaya yang Anda butuhkan:

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

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

jadi pada gambar di atas (5 caps) Anda membutuhkan 1uF caps masing-masing mampu 2KV menopang dan bentuk gelombang 2KV AC. Sebagai taksiran urutan pertama. Semoga ini memberi Anda cukup untuk melakukan perhitungan Anda sendiri (dan mudah-mudahan tidak bunuh diri)

Saya bahkan menemukan versi di dalam circuitlab alat skematik favorit kami.

[circuitlab] mh9d8k [/ circuitlab]

Seberapa penting tegangan dan durasi Anda?

Apa yang Anda gambarkan adalah SANGAT mirip dengan rangkaian pengapian titik / koil umum dari mesin mobil. Aki mobil memasok arus ke primer transformator ganas (koil penyalaan). Breaker points secara berkala menghidupkan dan mematikan hard saat ini, semakin tajam naik dan turun semakin baik. Kolaps medan magnet menginduksi tegangan tinggi BENAR-BENAR di sekunder, yang melewati distributor (pada dasarnya saklar putar yang digerakkan motor) ke busi (celah celah).

Saya sedang berpikir pengali tegangan berbasis dioda multi-stage (didorong oleh gelombang persegi / osilator) yang dapat mengisi kapasitor (besar). Gunakan sesuatu seperti JFET untuk membuang kapasitor melalui sisi utama transformator step-up - agak bertahap, dengan cut-off tajam untuk menutup tegangan sekunder ke tinggi pada kick-back.

Saya pikir ini adalah semacam cara koil pengapian mobil bekerja.

Saya tidak tahu berapa lama debit akan - tetapi waktu debit dapat diperpanjang dengan kapasitor, disetel untuk beban yang terpasang. (Jika peluruhan eksponensial dari tegangan tidak apa-apa).