Charge un circuit à environ 10 kV à partir de 3 V (deux piles AA) pour une décharge de plus de 20 ms

Comment puis-je concevoir un circuit qui peut être chargé à environ 10 kV (quelque part entre 5 et 20 kV, c'est bien) à partir de deux piles AA (~ 3 V)?

Je vais dessiner environ 20 mA sur une charge à haute résistance pendant un court laps de temps, environ 20 à 50 ms. Il est acceptable que le circuit prenne un certain temps pour atteindre la tension de sortie de 10 kV, afin de ne pas tirer trop de courant de la batterie pendant la charge du circuit.

Lors de la décharge, le courant de sortie sera limité à un maximum de 20mA.

Comment puis-je concevoir un circuit qui peut être chargé à environ 10 kV (quelque part entre 5 et 20 kV, c'est bien) à partir de deux piles AA (~ 3 V)?

La difficulté dans cette question est de comprendre certaines des exigences, donc je vais y répondre en premier car sans réponses, il est discutable que cela puisse être répondu correctement.

Premièrement, la charge sera-t-elle appliquée une fois que le capuchon de sortie sera chargé à la tension requise? Si la charge est présente tout le temps pendant le "processus de charge", alors la puissance requise est bien supérieure à ce que certaines réponses et commentaires anticipent. Je ne pense pas qu'une solution soit réalisable si la charge est toujours connectée, donc je suppose que ce n'est pas le cas.

L'OP indique également que "le courant de sortie sera limité à un maximum de 20mA". Est-ce une exigence de la solution ou quelque chose qui est externe à cette question? Cela nécessite une réponse, mais pour l'instant je suppose que ce n'est pas nécessaire dans la solution.

Proposition - Un transformateur va être nécessaire pour augmenter l'alimentation 3V (nominale) à environ 800Vp-p. Avec un MOSFET primaire divisé et deux canaux N, une tension pp primaire efficace d'environ 12 V (moins un peu de perte) devrait être atteignable. Le secondaire aura donc entre 70 et 80 fois les tours du primaire: -

Je pense que c'est raisonnablement faisable et à une fréquence de commutation décente allant jusqu'à 1 MHz. D'après mon expérience, je ne crois pas qu'un transformateur avec plus de 100: 1 stepup soit pratique - tout simplement trop avec perte.

Les MOSFET ne seront pas des éléments courants. Je pense qu'ils devront être quelque chose comme 60V et avoir une résistance à la descente proche de la zone de 10 milli-ohms. Une faible capacité de drain est également une exigence. Plus de détails plus tard en y réfléchissant et en le simulant.

La conduite des MOSFET est également délicate. Il est probable qu'ils devront être alimentés par des tensions de grille de 10 ou 12 V, ce qui signifie qu'un petit convertisseur élévateur sera nécessaire pour alimenter le circuit de commande du commutateur à partir du 3 V. Ce n'est pas un gros problème. J'ai envisagé que le booster fournisse l'alimentation au primaire du transformateur, mais c'est une source importante d'inefficacité et je pense qu'un meilleur rapport de tours sur le transformateur est la meilleure idée.

Il y a des détails dans le contrôleur de commutateur qui doivent être aplanis, comme le faire effectuer un démarrage progressif progressif pour augmenter la tension de fonctionnement empêchant les batteries de "s'effondrer" sous la "pression".

Les étapes finales seraient plusieurs (moins de 10) multiplicateurs de cockcroft walton et je pense que les diodes utilisées devront être soigneusement sélectionnées. Plus de détails plus tard - j'en ai un en tête mais j'ai laissé mes notes au travail et ma mémoire me laisse tomber!

Désolé, je n'ai pas encore tous les détails, mais bien sûr, la question est "comment puis-je concevoir un circuit", ce qui signifie comment l'OP peut-il concevoir le circuit.

Les ajouts du lundi Voici le circuit de base que j'ai trouvé - il génère un peu plus de 6 kV et j'ai finalement opté pour des FET de 40 V parce que j'ai limité la FEM arrière avec des zeners 18 V: -

Voici la sortie après application de la batterie. L'affichage inférieur est la tension de drain FET et le courant pris de la batterie à 0,1 ohms en série: -

Pour surmonter la résistance inhérente de la batterie, j'ai utilisé une inductance de 1 mH et un condensateur de 5 uF pour agir comme un amplificateur de tension pendant la mise sous tension. La meilleure façon de le faire serait probablement de charger un condensateur de taille décente (1000 uF) jusqu'à 5 V sur une période de temps autorisée et de le laisser agir comme un boost pour atteindre une sortie de + 6 kV, puis de revenir à la batterie 3 V pour y faire couler de l'énergie. pour garder la sortie à 6kV. Alternativement, comme l'OP ne veut qu'une période de haute tension de 20 ms à la sortie, le 1000 uF peut suffire à maintenir les choses raisonnablement stables pendant cette période et sinon augmenter à 10 000 uF.

Le convertisseur boost qui alimente l'oscillateur 1 MHz n'est pas illustré. Il existe plusieurs appareils de la technologie linéaire qui rempliraient cette fonction. 12V est nécessaire pour conduire les portes.

Petits caractères Le secondaire du transformateur a besoin de soins dans l'enroulement pour maintenir la capacité en dessous d'environ 10pF. Je ne vais pas entrer dans les détails mais il suffit de dire que le circuit de sortie repose sur une résonance secondaire et donc un capuchon de trimmer de 20pF devrait être utilisé pour optimiser la tension de sortie sans la résonner de manière excessive et provoquer de grandes inefficacités dans le transfert de puissance.

Gardez à l'esprit que cela pourrait facilement vous tuer si vous n'y prenez pas garde. Être averti.

La manière traditionnelle d'obtenir cela pour de faibles niveaux de charge est connue sous le nom de multiplicateur de tension AKA de circuit de pont de diode de condensateur. Vous utiliseriez les piles pour générer une forme d'onde CA que vous introduirez ensuite à l'extrémité de ce circuit multiplicateur.

Plus la tension alternative est élevée, moins vous avez besoin d'étages pour atteindre 10KV.

Attention cependant, ce circuit peut stocker la charge dans les bouchons inférieurs. L'absorption diélectrique peut également élever sa tête et vous pouvez trouver une charge à travers les bouchons que vous avez bien déchargés.

Vous voulez 20 mA en 20 ms => 400 uC de charge. ($Q=I*t$) si vous pompez à 12KV et descendez à 10 KV pendant la décharge, vous avez un changement de 2KV.

pour fournir la charge dont vous avez besoin:

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

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

donc dans l'image ci-dessus (5 caps), vous auriez besoin de 1uF caps chacun capable de soutenir 2KV et une forme d'onde AC 2KV. Comme estimation de première commande. J'espère que cela vous donne suffisamment pour faire vos propres calculs (et, espérons-le, ne pas vous tuer)

J'ai même trouvé une version à l'intérieur de notre circuitlab d'outil schématique préféré.

[circuitlab] mh9d8k [/ circuitlab]

À quel point votre tension et votre durée sont-elles critiques?

Ce que vous décrivez est TRÈS similaire à un circuit d'allumage à points / bobine commun d'un moteur de voiture. La batterie de la voiture fournit du courant au primaire d'un transformateur féroce (la bobine d'allumage). Des points de rupture activent et désactivent périodiquement le courant, plus la montée et la chute sont marquées, mieux c'est. L'effondrement du champ magnétique induit une VRAIMENT haute tension dans le secondaire, qui passe par le distributeur (essentiellement un interrupteur rotatif motorisé) jusqu'à la bougie (éclateur).

Je pense à un multiplicateur de tension à diodes à plusieurs étages (piloté par un oscillateur / onde carrée) qui pourrait charger un (grand) condensateur. Utilisez quelque chose comme un JFET pour vider le condensateur à travers le côté primaire d'un transformateur élévateur - quelque peu progressivement, avec une coupure nette pour réduire le secondaire à la haute tension sur le rebond.

Je pense que c'est en quelque sorte comment fonctionne la bobine d'allumage d'une voiture.

Je ne sais pas combien de temps la décharge serait - mais le temps de décharge pourrait être prolongé avec un condensateur, réglé pour la charge attachée. (Si la décroissance exponentielle de la tension est correcte).