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

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.

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:

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:

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

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.

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.

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. ($Q=I*t$) 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:

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

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

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]

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).

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).