Segurança da cascata Villard

Ultimamente, meu filho adolescente vem construindo multiplicadores Cockcroft-Walton em seu tempo livre, e estou potencialmente um pouco preocupado caso ele se eletrocute. Seu circuito é alimentado por 4 células AA em série (6V) e, a julgar pelo centelhador, ele conseguiu chegar a 6kV usando um oscilador e transformador, seguido pela cascata Cockcroft-Walton. Como ele está construindo isso em uma tábua de pão simples, não há isolamento entre ele e partes do circuito, e ele já me disse que sofreu alguns choques.

Sou físico e trabalha em uma universidade. Pesquisei os regulamentos sobre eletrodomésticos na Europa e acho que deve ser bom (usamos os mesmos regulamentos para avaliar as demos dos geradores Van der Graaf). A capacitância total do circuito em cascata termina em torno de 1nF, portanto, a 6000V a carga total deve ser de 6uC, que eu acredito que deve ser segura (EN-60335-1), mas como não sou engenheiro, não posso dizer com certeza .

Minha pergunta é: devo parar meu filho de construí-los? Eu sempre incentivei a criatividade e seu amor pela eletrônica, mas não quero que ele se machuque ou coisa pior.

Ficar chocado é bom. Soltar solda em roupas e pele é bom. Afiar os dedos em bordas afiadas de metal é bom. Os seres humanos sobrevivem explorando. Os humanos aprendem com a dor. Caso contrário, estaremos encolhidos nos pântanos.

Quando criança, senti 117 VAC formigar pelos dedos dos pés, dos velhos transformadores de potência. Aprendi a sentar em cadeiras de madeira e a não tocar os dedos dos pés no chão de concreto.

Mais tarde, enquanto "calibrava" um osciloscópio, empurrei a parte traseira da luneta contra a bancada do laboratório de metal, encostando o soquete do tubo da luneta EICO na bancada e depois me inclinei para a frente com barriga contra a parte frontal do banco através da camisa e toquei meu peito novamente através da camisa no chassi da luneta enquanto eu chegava ao redor para ajustar um potenciômetro de "foco". 3.000 volts no peito. Eu fiquei sentado, atordoado, por alguns minutos.

Mas eu tinha mais algumas lições sobre alta tensão ainda a aprender.

Deixe seu filho ver alguns vídeos de morte em alta tensão.

Ensine a ele o truque "mantenha uma mão no bolso" em torno da alta tensão.

EDIT: Então há alta corrente; O professor da faculdade contou a um amigo que perdeu o dedo anelar esquerdo, porque o anel de casamento terminou em um caminho de alta corrente , deixando o anel vermelho, matando a pele, os músculos, os tendões e os ossos.

Eu também tive ICs de driver de porta MOSFET explodindo na parte superior do pacote, durante o evento "snapback bipolar", quando os capacitores de armazenamento de 1.000 μF dentro de um enorme suprimento de laboratório da HP precisaram descarregar sua energia nos 2 mm × 4 mm silício do motorista do portão. Nenhum de nós três, pairando muito perto, foi atingido. Mas depois disso, eu sempre colocava uma folha de papel no topo do circuito, para interceptar mais despejos de energia do CI. Energia? 1/2 * C * V ^ 2 = 0,5 * 1.000uf assumido (não abriu o suprimento da HP) * 20v * 20v = 200 milliJoules, o que explica por que a tampa plástica DIP foi explodida. E perdi nossos 6 olhos (embora eu usasse óculos).

EDIT: A explosão do driver do portão foi um acaso, porque eu levei a lição a sério e percebi o perigo de energia armazenada em tampas de 1.000 μF. Eu aprendi a provocar o dragão na avaliação do snapback bipolar, permitindo apenas 1.000 pF diretamente no Gate Driver, com resistor de 220 to ao Vdd (variável experimental). Usando 1.000 pF de longo prazo (3 ″ derivações, 6 ″ total ou 100 nanohenry), juntamente com os 1.000 pF externos e o substrato do poço no chip de ~ 1.000 pF, durante eventos de comutação, o silício VDD_GND entraria em colapso e depois se recuperaria 5 ou 10 ou 15 volts acima dos 18 volts classificados. Em algum nível, a rotação do toque (anéis de 100 nH e 500 pF a 22 MHz) induziu carga transitória suficiente no silício que ocorreu o snapback bipolar e o VDD (fornecido por 1, 000 pF) seriam sugados para 16 ou 17 volts, após o que o snapback se extinguiria. Executei esses dispositivos, in / out do snapback a 100 kHz, sem danos, enquanto diagnosticava o caminho da carga transitória e percebia que as regras de layout precisavam ser alteradas. Acaso. Energia? 0,5 * C * V ^ 2 = 0,5 * {protoboard total + tampa de silicone = 2.000pF} * 31,6 volts ^ 2 = 1.000pF * 1.000 (volts ^ 2) = 1microJoule.

Décadas atrás, voltando do almoço, foi instruído a ir ao laboratório e examinar "os destroços" no banco de XXXX. Havia uma placa wirewrap de 6 painéis (30 * 6 = 180 ICs), muitos ICs com seus topos arrancados. Acontece que um fio solto de uma extremidade pendente havia se enrolado, girando e girando sob a borda do banco dianteiro e ** no contato quente da energia de 117VCA. Assim, a gerência queria que todos os engenheiros, técnicos e retrabalhos entendessem o perigo de deixar os fios enrolados em espiral.

Ahhhh Designado à fonte de comutação Tritek de 400 watts por algumas semanas, por algum motivo. Apenas para me dar experiência em comutadores; Eu não era o designer. Repetidamente, os resistores de proteção de enrolamento de 5 watts e 5 ohms de sacrifício --- foram explodidos, seus núcleos cerâmicos foram arrancados do gabinete dissipador de calor e atravessaram a passarela entre os bancos, o fio resistivo atrás de um fio de orientação para um míssil TOW. Aprendemos a não atrapalhar.

Por segurança, e nenhum zumbido nos amplificadores de alto ganho (100dB e 120dB), aprendi a usar as baterias de 9 volts "B" 3 "por 3" por 4 ". A alta rota causava oscilações, quase o tempo todo, até aprender a implementar "baterias locais" com RC LPF nos estágios VDD para LNA. Uma coleção de bonés de 5.000uF que eu tinha.

Parece seguro do que você descreve, desde que ele use apenas baterias e mantenha os capacitores pequenos. Os multiplicadores CW aumentam a tensão, mas reduzem a corrente, de modo que haverá apenas algumas centenas de microamperes no final da saída.

A EN60335-1 sugere que abaixo de 15kV, desde que a carga total de um choque seja inferior a 45 microcolumbs, não deve haver perigo. O circuito do seu filho parece bem abaixo dele como Q = CV. Obviamente, se ele começar a aumentar a tensão, precisará reduzir o tamanho das tampas para se manter seguro. Com 6000V e 1nF, qualquer "choque" parecerá muito com um choque estático de uma maçaneta da porta. É também um tipo similar de produção que os produtores comerciais de gado têm.

Outra propriedade das cascatas CW é que a tensão e a corrente de saída dependem da carga: quanto menor a resistência da carga, menor a corrente, o que as torna realmente ineficientes, mas também podem economizar o seu bacon se você se prender a elas.

Também concordo que ele deva ser supervisionado, acho que quase não é preciso dizer.

Eu acho que a única maneira de 4 baterias AA (ou D etc) serem perigosas em um circuito seria se um circuito como o acima fosse usado para carregar um capacitor enorme. Eu poderia estar errado nisso.

Seguro é um termo relativo, o que é seguro para uma pessoa pode não ser para outra e, como profissional, não posso realmente dizer que ele é 100% seguro. Parece que as energias envolvidas são bastante triviais, mas isso não significa que ele não ligará isso a um transformador de energia daqui a uma hora para obter uma faísca maior. Além disso, mesmo com esses valores, ele pode sobrecarregar um capacitor e causar uma falha violenta. Óculos de segurança seria uma boa idéia para isso e outros projetos.

Trabalhar com eletricidade sempre tem riscos associados. Eles podem ser de eletrocussão, explosão, queimaduras, iniciar um incêndio, exposição a produtos químicos e alguns outros. Isso só vem com a natureza do trabalho.

Você deveria detê-lo? Bem, você pode tentar, mas talvez seja melhor instruí-lo adequadamente sobre os riscos e as medidas de segurança que ele deve tomar para limitar sua vulnerabilidade a algo dando errado. Essas medidas devem incluir uma restrição estrita de que "não brincamos com eletricidade quando ninguém mais está por perto!" .

Existem várias diretrizes simples e complexas on-line.

Talvez passe algum tempo com ele enquanto ele está experimentando. Você pode gostar, e tenho certeza que seu filho apreciaria.

ADIÇÃO: Como mãe, porém, eu tomaria medidas para garantir que o local onde o rapaz está trabalhando esteja devidamente equipado. As ferramentas, equipamentos, tomadas de força interrompidas, iluminação e ventilação corretas são importantes.

PERIGO! O batimento cardíaco da descarga cap é determinado pela energia, não pelos coulombs.

Veja o pdf: IEEE 2009: sistema de classificação de risco elétrico

Em geral, é ruim deixar seus capacitores atingirem a faixa de 10 joules e acima. Isso é para descargas no peito, é claro. Perigo cardíaco significativo começa com as descargas de 20 joules. Abaixo de 10joules, o principal problema são as contrações musculares, fatiadas por objetos pontiagudos, etc.

0,001uF e 6KV fornece 36 milijoules. Muito seguro, se um pouco doloroso.

Ainda assim, os efeitos cardíacos dependem da densidade de energia, não apenas de joules. Se você apunhalasse um capacitor de terminal agudo em sua caixa torácica, a energia fornecida ao sistema de marcapasso seria de magnitude superior a do que se os mesmos terminais de capacitor fossem tocados com as duas mãos.

Ao trabalhar com sistemas de descarga com tampa, use apenas uma mão. Dessa forma, as descargas acidentais não atravessarão seu peito. Ou melhor ainda, permaneça sempre com muito medo e paranóico de que você cometerá um erro e receberá um zap ruim. Algum respeito sério (se não puro terror) vai longe no incentivo à pesquisa adequada de antemão, e evita o desenvolvimento de comportamentos de risco ignorantes ao lidar com capacitores de kilovolt.

Houve algumas dicas sobre "alimentá-lo com uma bateria, ponto final". Há uma boa razão para não fazer isso com experimentos em que alguns quilovolts são gerados, mesmo que seja usada uma fonte de alimentação conectada à rede normalmente segura, e ela não foi realmente mencionada aqui.

Altas tensões em uma quantidade (corrente máxima sustentada, energia armazenada) que normalmente não poderia causar muitos danos permanentes a você ainda traz pelo menos estes riscos:

• ele pode quebrar o isolamento primário-secundário em até uma fonte de alimentação robusta - na pior das hipóteses permanentemente, para coisas que não deveriam estar diretamente conectadas à rede agora . Mesmo uma fonte de alimentação construída perfeitamente de acordo com os padrões de segurança provavelmente apresentará uma falha no isolamento se você conseguir colocar mais de aproximadamente 3-4kV contra a terra em qualquer um de seus terminais por engano.

• Os ataques de alta tensão são muito fáceis. Se você conseguir atingir um arco contra qualquer coisa que possua alimentação elétrica (pode ser um conector imperfeitamente isolado perto da sua instalação, como uma tampa de cabo não sendo inserida em um soquete por todo o caminho ou algo exposto através de um orifício de ventilação em uma fonte de alimentação). caso de suprimento ...), esse arco agora é um condutor perfeitamente capaz de conduzir qualquer coisa conectada a ele (se você tiver sorte, o arco dura apenas até que haja uma passagem zero pela rede elétrica CA).