Carga de un circuito a alrededor de 10 kV desde 3 V (dos baterías AA) para descarga durante 20 ms

¿Cómo puedo diseñar un circuito que se pueda cargar a alrededor de 10 kV (entre 5 y 20 kV está bien) con dos baterías AA (~ 3 V)?

La dificultad en esta pregunta es comprender algunos de los requisitos, por lo que abordaré esto primero porque, sin respuestas, es discutible que esto pueda responderse correctamente.

En primer lugar, ¿se aplicará la carga una vez que el límite de salida esté cargado al voltaje requerido? Si la carga está presente todo el tiempo durante el "proceso de carga", entonces la potencia requerida es mucho más de lo que anticipan algunas de las respuestas y comentarios. No creo que se pueda lograr una solución si la carga siempre está conectada, así que supongo que no lo está.

El OP también dice que "la corriente de salida estará limitada a un máximo de 20 mA". ¿Es este un requisito de la solución o algo que es externo a esta pregunta? Esto necesita una respuesta, pero por ahora supongo que no es necesario en la solución.

Propuesta : se necesitará un transformador que aumente el suministro de 3 V (nominal) a probablemente alrededor de 800 Vp-p. Con un MOSFET primario dividido y dos de canal N, se debería lograr un voltaje pp primario efectivo de aproximadamente 12 V (menos un poco de pérdida). El secundario tendrá por tanto entre 70 y 80 veces las vueltas del primario: -

Creo que esto es razonablemente factible y con una frecuencia de conmutación decente de hasta 1MHz. Por experiencia, no creo que un transformador con un aumento de más de 100: 1 sea práctico, simplemente con demasiada pérdida.

Los MOSFET no van a ser elementos comunes. Creo que deberán tener una clasificación de 60 V y una resistencia de encendido cercana al área de 10 miliohmios. La capacitancia de drenaje baja también es un requisito. Más detalles más adelante mientras lo pienso y lo simulo.

Conducir los MOSFET también es complicado. Es probable que deban manejarse con voltajes de compuerta de 10 o 12 V y esto significa que se necesitará un pequeño convertidor elevador para alimentar el circuito de control del interruptor desde los 3 V. Este no es un gran problema. Consideré que el amplificador proporcionara la energía al transformador primario, pero esta es una fuente importante de ineficiencia y creo que una relación de transformación más alta en el transformador es la mejor idea.

Hay detalles en el controlador de interruptores que necesitan ser resueltos, como hacer que realice un arranque suave gradual para acumular el voltaje de salida y evitar que las baterías se "colapsen" bajo la "presión".

Las etapas finales serían varios (menos de 10) multiplicadores de cockcroft walton y creo que los diodos utilizados necesitarán una selección cuidadosa. Más detalles más adelante: tengo uno en mente, ¡pero dejé mis notas en el trabajo y mi memoria me está fallando!

Lo siento, todavía no tengo los detalles completos, pero, por supuesto, la pregunta es "¿cómo puedo diseñar un circuito?", Es decir, cómo puede el OP diseñar el circuito.

Adiciones de los lunes Aquí está el circuito básico que se me ocurrió: genera un poco más de 6 kV y al final decidí optar por FET de 40 V porque limité la fem posterior con zeners de 18 V: -

Aquí está la salida después de aplicar la batería. La pantalla inferior es el voltaje de drenaje FET y la corriente tomada de la batería a través de 0.1ohms en serie:-

Para superar la resistencia inherente de la batería, utilicé un inductor de 1 mH y un condensador de 5 uF para actuar como un refuerzo de voltaje durante el encendido. La mejor manera de hacer esto probablemente sería cargar un capacitor de tamaño decente (1000uF) hasta 5V durante un período de tiempo permitido y dejar que actúe como impulso para lograr una salida de +6kV, luego regresar a la batería de 3V para inyectarle energía. para mantener la salida a 6kV. Alternativamente, como el OP solo quiere un período de 20 ms de alto voltaje en la salida, los 1000 uF pueden ser suficientes para mantener las cosas razonablemente estables durante ese período y, si no, aumentar a 10,000 uF.

No se muestra el convertidor elevador que alimenta el oscilador de 1 MHz. Existen varios dispositivos de tecnología Lineal que realizarían esta función. Se necesitan 12V para accionar las puertas.

Letra pequeña El secundario del transformador necesita cuidado en el devanado para mantener la capacitancia por debajo de 10 pF. No voy a entrar en esto, pero basta con decir que el circuito de salida se basa en la resonancia secundaria y, por lo tanto, se debe usar un límite de ajuste de 20pF para optimizar el voltaje de salida sin resonar en exceso y causar grandes ineficiencias en la transferencia de energía.

Tenga en cuenta que esto podría matarlo fácilmente si no tiene cuidado. Ten cuidado.

La forma tradicional de obtener esto para niveles de carga bajos se conoce como circuito de puente de diodo de condensador, también conocido como multiplicador de voltaje. Usaría las baterías para generar una forma de onda de CA que luego alimenta al final de este circuito multiplicador.

Cuanto mayor sea el voltaje de CA, menos etapas necesitará para llegar a 10KV.

Sin embargo, tenga cuidado, este circuito puede almacenar carga en las tapas inferiores. También la absorción dieléctrica puede levantar su cabeza y puede encontrar carga a través de las tapas que pensó que estaban descargadas.

Quiere 20 ma en 20 ms => 400 uC de carga. ($Q=I*t$) si bombea a 12KV y baja a 10 KV durante la descarga, tiene un cambio de 2KV.

para suministrar esa carga necesitas:

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

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

entonces, en la imagen de arriba (5 caps), necesitaría caps de 1uF, cada uno capaz de sostener 2KV y una forma de onda de CA de 2KV. Como presupuesto de primer orden. Con suerte, esto te dará suficiente para hacer tus propios cálculos (y con suerte no te suicidarás)

Incluso encontré una versión dentro de nuestro laboratorio de circuitos de herramientas esquemáticas favorito.

[circuitlab]mh9d8k[/circuitlab]

¿Qué tan crítico es su voltaje y duración?

Lo que está describiendo es MUY similar a un circuito de encendido de bobina/puntos comunes del motor de un automóvil. La batería del automóvil suministra corriente al primario de un transformador feroz (la bobina de encendido). Los puntos de interrupción encienden y apagan periódicamente la corriente, cuanto más pronunciada sea la subida y bajada, mejor. El colapso del campo magnético induce un voltaje REALMENTE alto en el secundario, que pasa a través del distribuidor (esencialmente un interruptor giratorio accionado por motor) a la bujía (espacio de chispa).

Estoy pensando en un multiplicador de voltaje basado en diodos de varias etapas (impulsado por una onda cuadrada/oscilador) que podría cargar un condensador (grande). Use algo como un JFET para descargar el capacitor a través del lado primario de un transformador elevador, algo gradualmente, con un corte brusco para colapsar el secundario a alto voltaje en el retroceso.

Creo que así es como funciona la bobina de encendido de un automóvil.

No sé cuánto duraría la descarga, pero el tiempo de descarga podría extenderse con un condensador, ajustado para la carga adjunta. (Si la caída exponencial del voltaje está bien).