¿Cómo controlar la sobretensión en alta tensión?

Supongamos que estamos usando un multiplicador de voltaje para cargar un capacitor de alto voltaje ( C Bigen el diagrama). Si excede significativamente el voltaje del capacitor, lo destruirá.

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Ahora suponga que estamos hablando de algo en el rango de 4kV y el capacitor tiene una ESR muy baja (10 mili Ω). ¿Cuáles son buenos métodos para proteger el condensador de sobretensiones?

Una idea que tuve fue poner un recortador Zener en la entrada de CA y luego construir el multiplicador para que no exceda el voltaje de diseño sabiendo el límite de voltaje de entrada.

Pero, por supuesto, hay todo tipo de "cosas" emocionantes que suceden en el C Biglado del circuito que podrían provocar picos de retroalimentación. Debido a la baja ESR del gran capacitor, supongo que no hay forma de usar diodos para protegerlo desviando los picos de voltaje. Entonces, si nos importa, ¿la única otra protección será a través de FET, presumiblemente regulada por divisores de voltaje de resistencia?

¿Ha mirado "tubos de descarga de gas" como littelfuse.com/products/gas-discharge-tubes.aspx
@scorpdaddy - Sí, ¡es casi seguro que es la mejor respuesta! Me había olvidado de esos componentes. Publique como respuesta para que pueda aceptarlo.
El multiplicador de voltaje solo multiplicará el pico de voltaje de la red por el número de etapas. No se multiplica más allá de eso. Califique C1 para ese voltaje y todo estaría bien hasta donde puedo ver. ¿Cuál es el problema?
@transistor: supongo que el único problema en el lado del suministro es la falta de confianza en el suministro de energía. Supongo que tendría que ser más que un problema transitorio para quemar el condensador principal, pero nunca sé cuánto confiar en estos amplificadores de CC-CA de alta frecuencia baratos. Y luego, como dije, hay "cosas" en el costado C Bigque podrían crear picos en algo que ya tiene un gran voltaje. Lo anotaré en el diagrama.
@feetwet: para una abrazadera basada en diodo TVS, lo que importa es la resistencia interna de una fuente de picos, no la ESR del capacitor. Eso es porque el voltaje a través del capacitor nunca cambia instantáneamente. No así para un tubo de descarga de gas; si se inicia la descarga, la corriente a través del tubo estará limitada solo por la ESR y el capacitor se descargará casi por completo.
@dmitryvm - Eso justifica un poco de elaboración en una respuesta. Sé que el voltaje del capacitor tiene una constante de tiempo. Pero supongo que si uno aplica un voltaje muy por encima de la clasificación del capacitor, se destruirá a medida que la "sobretensión" rompa su dieléctrico. Si es así, el objetivo es evitar que el capacitor "vea" un voltaje excesivo. Pero con una ESR baja, supongo que el capacitor siempre sería el camino más atractivo para la corriente. Entiendo que la solución GDT es conectarla como una "derivación" paralela para drenar el exceso de voltaje alrededor del capacitor, no a través de él.

Respuestas (2)

Un espacio de chispa es un interruptor activado por voltaje crudo. Está abierto hasta que el campo E se acumula hasta el punto crítico donde saltan las cargas (una chispa). Eso ioniza aún más el aire, lo que lo hace más conductivo, etc.

Por lo tanto, estas cosas exhiben histéresis . No está claro si eso es deseable en su caso o no. En otras palabras, un espacio de chispa no se disparará hasta cierto nivel de voltaje, pero una vez disparado, no dejará de conducir hasta un voltaje mucho más bajo.

Puede hacer sus propios espacios de chispas con bastante facilidad, pero no serán muy precisos ya que el voltaje de ruptura del aire depende de la presión y la humedad, que generalmente no puede controlar. Hay dispositivos llamados tubos de descarga de gas , que son muy parecidos a las vías de chispas en un entorno controlado, por lo que son posibles especificaciones más estrictas.

En este escenario, con un GDT paralelo al Big cap, suponiendo que el multiplicador de voltaje fuera la fuente del sobrevoltaje, ¿presumiblemente el GDT conduciría hasta que hubiera drenado el multiplicador? O más bien, ¿corta efectivamente el multiplicador hasta que el voltaje del multiplicador cae significativamente? Es mejor que freír un capacitor. A menos que se fríe algo en el multiplicador. Si la fuente de alimentación está protegida contra sobrecorriente (p. ej., por fusible o disyuntor), ¿existe algún riesgo de dañar la cascada del multiplicador?
@feet: como dije, un espacio de chispa exhibe histéresis, lo que significa que se disparará en un nivel, pero seguirá conduciendo hasta que el voltaje llegue a un nivel significativamente más bajo.

Esta no es la respuesta completa a la pregunta. Intentaré aclarar el papel de ESR en el circuito, ya que hay una idea errónea al respecto en la redacción de la pregunta.

Suponga cero ESR (es decir, un condensador ideal) e intente modelar el circuito de esta manera:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

R z mi norte mi r no es una resistencia "externa". Es la resistencia en serie intrínseca de un diodo Zener no ideal (llamada resistencia diferencial). Cualquier diodo Zener real (TVS) tiene una resistencia diferencial distinta de cero, que se puede modelar como un Zener ideal en serie con una resistencia. La resistencia diferencial no es una constante; depende en gran medida de un punto de funcionamiento (= corriente a través de un diodo).

¿Cuál es el voltaje máximo al que se cargará el capacitor? Para responder a esta pregunta, suponga V s pag i k mi > V C yo a metro pag , dónde V C yo a metro pag es el voltaje de la abrazadera del diodo Zener.

Entonces, en el estado estacionario, la corriente a través del diodo Zener será

I z mi norte mi r = V s pag i k mi − V z mi norte mi r R s pag i k mi + R z mi norte mi r
por la ley de Ohm. Esta es la condición de estado estacionario, lo que significa que el capacitor se ha cargado al voltaje máximo para el V s pag i k mi nivel, y no fluye corriente a través del capacitor.

El voltaje a través del capacitor será

V C a pag = V z mi norte mi r + R z mi norte mi r I z mi norte mi r
sustituyendo I z mi norte mi r obtenemos
V C a pag = V z mi norte mi r + ( V s pag i k mi − V z mi norte mi r ) ⏟ sobretensión R z mi norte mi r R s pag i k mi + R z mi norte mi r

Tu puedes ver que lo que importa es la expresión

R z mi norte mi r R s pag i k mi + R z mi norte mi r
que es la expresión del divisor de tensión.

Si asumimos que la ESR no es cero, no afectará la fórmula, ya que no hay corriente a través del capacitor completamente cargado, lo que significa que no hay caída de voltaje en la ESR.

Como ya mencioné en el comentario, el ESR juega un papel si el tubo de descarga de gas (GDT) se utilizará como dispositivo de protección. Eso es porque la característica IV de un GDT difiere dramáticamente de la característica IV de un diodo Zener. Tan pronto como se alcanza un voltaje de ruptura de GDS, comienza la descarga y el voltaje a través del tubo cae a decenas de voltios (voltaje de arco). Eche un vistazo a https://www.bourns.com/pdfs/bourns_gdt_white_paper.pdf . Por lo tanto, ESR limitará la corriente GDT.

La suposición y la preocupación en la pregunta original es que un pico de voltaje puede atravesar el dieléctrico de la tapa, por lo que no importa cuál sea la carga de la tapa. Pero parece que aquí podría construir un divisor de voltaje para permitir que un Zener de "bajo" voltaje desvíe el voltaje alrededor de un capacitor. Supongamos que tenemos un suministro de 1 kV, un límite nominal de 1 kV y un Zener con una abrazadera de 100 V. Parece que la resistencia Zener disminuye con la corriente, por ejemplo, de 3000 a 300 ohmios . ¿Se puede poner un "divisor R" antes del Zener para que funcione?
El punto de mi respuesta es que un pico no puede cargar el capacitor a un voltaje mucho mayor que el voltaje de la abrazadera Zener, si la resistencia interna de una fuente de pico es mucho mayor que la resistencia de la serie Zener. La ESR no juega ningún papel en absoluto (lo cual no es del todo cierto, pero es una muy buena aproximación). No quise decir que puede usar un diodo Zerner de bajo voltaje con un divisor. ¡De ninguna manera!
@feetwet: para evitar malentendidos: Rzener no es una resistencia externa. Es la resistencia en serie intrínseca del diodo Zener no ideal (llamada resistencia diferencial). Cualquier diodo Zener real (TVS) tiene una resistencia diferencial distinta de cero, que se puede modelar como un Zener ideal en serie con una resistencia.
No estoy seguro de cómo asociar una resistencia con una sobretensión. Supongamos que hemos conectado accidentalmente el circuito a una fuente de alimentación que genera el doble del límite de voltaje de la tapa Vc . Y supongamos que hemos logrado encontrar un Zener con voltaje de abrazadera Vc . En ese caso estamos bien. El problema es que no hay Zeners con voltajes de abrazadera en el rango de kV.
Suponga que la fuente de alimentación de 2 Vc es una fuente de voltaje ideal, es decir, tiene resistencia interna cero (Rspike = 0). Mira la fórmula en mi respuesta. Como puede ver, el voltaje a través del capacitor será de 2 Vc, no de Vc, y el capacitor se destruirá. Es por eso que la resistencia interna de la fuente de picos juega un papel crucial. Es cierto que puede ser difícil o imposible encontrar diodos TVS (o Zener) en el rango de kV. Pero definitivamente es posible usar diodos independientemente de cualquier valor de ESR, si existen tales diodos. Probablemente pueda conectar varios diodos TVS en serie: vishay.ru/docs/88451/stacking.pdf
Me había estado preguntando acerca de los diodos en serie. Pensé que eso no podría funcionar, porque una vez que se excede el voltaje de ruptura (o "voltaje de sujeción") para uno, se excede para todos. Pero supongo que la resistencia diferencial provoca una caída de voltaje en cada uno de la serie ... pero solo mientras fluye la corriente. ¡Me encantaría ver un modelo dinámico claro de cómo se comporta una serie de diodos de este tipo!
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