Carregar um circuito em torno de 10kV a partir de 3V (duas pilhas AA) para descarga acima de 20mseg

Como posso projetar um circuito que possa ser carregado em torno de 10kV (entre 5 e 20kV é bom) a partir de duas baterias AA (~ 3V)?

Vou extrair cerca de 20mA em uma carga de alta resistência por um curto período de tempo, em torno de 20 a 50mseg. Tudo bem se o circuito demorar um pouco para atingir a tensão de saída de 10kV, para não extrair muita corrente da bateria durante o carregamento do circuito.

Ao descarregar, a corrente de saída será limitada no máximo a 20mA.

Como posso projetar um circuito que possa ser carregado em torno de 10kV (entre 5 e 20kV é bom) a partir de duas baterias AA (~ 3V)?

A dificuldade nesta questão é entender alguns dos requisitos, por isso abordarei isso primeiro porque, sem respostas, é discutível que isso possa ser respondido corretamente.

Em primeiro lugar, a carga será aplicada depois que a tampa de saída for carregada na tensão necessária? Se a carga estiver presente o tempo todo durante o "processo de carregamento", a energia necessária será muito mais do que algumas das respostas e comentários antecipam. Eu não acho que uma solução seja viável se a carga estiver sempre conectada, por isso suponho que não.

O OP também diz que "a corrente de saída será limitada no máximo a 20 mA". Isso é um requisito da solução ou algo externo a esta pergunta? Isso precisa de uma resposta, mas por enquanto estou assumindo que não é necessário na solução.

Proposta - Será necessário um transformador que intensifique a alimentação de 3V (nominal) para provavelmente cerca de 800Vp-p. Com um MOSFETs primário e dois canais N divididos, uma tensão pp primária efetiva de cerca de 12V (menos um pouco de perda) deve ser atingida. O secundário terá, portanto, entre 70 e 80 vezes as voltas do primário:

Eu acho que isso é razoável e com uma frequência de comutação decente de até 1 MHz. Por experiência, não acredito que um transformador com mais de 100: 1 passo a passo seja prático - com muita perda.

Os MOSFETs não serão itens comuns. Eu acho que eles precisarão ter uma classificação de 60V e uma resistência abaixo da área de 10 mili-ohm. Baixa capacitância de dreno também é um requisito. Mais detalhes depois, enquanto penso e simulo.

Dirigir os MOSFETs também é complicado. É provável que eles precisem ser acionados com tensões de porta de 10 ou 12V e isso significa que um pequeno conversor de impulso será necessário para alimentar o circuito de controle do switch a partir de 3V. Este não é um grande problema. Eu considerei que o booster fornecesse energia ao primário do transformador, mas essa é uma fonte significativa de ineficiência e acredito que uma maior taxa de voltas no transformador seja a melhor idéia.

Há detalhes no controlador do comutador que precisam ser resolvidos, como se fosse um arranque suave gradual para aumentar a tensão o / p, impedindo que as baterias "colapsassem" sob a "pressão".

Os estágios finais seriam vários (menos de 10) multiplicadores cockcroft walton e acho que os diodos usados ​​precisarão de uma seleção cuidadosa. Mais detalhes depois - tenho um em mente, mas deixei minhas anotações no trabalho e minha memória está me decepcionando!

Desculpe, ainda não tenho todos os detalhes, mas é claro que a pergunta é "como posso projetar um circuito", ou seja, como o OP pode projetar o circuito.

Adições às segundas-feiras Aqui está o circuito básico que eu criei - ele gera um pouco mais de 6kV e decidi optar por FETs com classificação de 40V no final, porque limitei a fem de volta com zeners de 18V: -

Aqui está a saída após a aplicação da bateria. O display inferior é a tensão e a corrente de dreno do FET obtidas da bateria através de 0,1ohms em série: -

Para superar a resistência inerente à bateria, usei um indutor de 1mH e um capacitor de 5uF para atuar como um impulsionador de tensão durante a inicialização. A melhor maneira de fazer isso seria provavelmente carregar um capacitor de tamanho decente (1000uF) até 5V por um período de tempo permitido e deixá-lo agir como um impulso para obter uma saída de + 6kV, depois retornar à bateria de 3V para economizar energia. para manter a saída em 6kV. Como alternativa, como o OP deseja apenas um período de 20ms de alta tensão na saída, o 1000uF pode ser suficiente para manter as coisas razoavelmente estáveis ​​durante esse período e, se não for, aumentar para 10.000uF.

Não é mostrado o conversor de impulso que alimenta o oscilador de 1 MHz. Existem vários dispositivos da tecnologia Linear que executariam essa função. É necessário 12V para dirigir os portões.

Impressão pequena O secundário do transformador precisa de cuidados no enrolamento para manter a capacitância abaixo de 10pF. Não vou entrar nisso, mas basta dizer que o circuito de saída depende de ressonância secundária e, portanto, uma tampa de corte de 20pF deve ser usada para otimizar a tensão de saída sem ressonar demais e causar grandes ineficiências na transferência de energia.

Lembre-se de que isso poderia matá-lo facilmente se você não tomar cuidado. Esteja avisado.

A maneira tradicional de obter isso para baixos níveis de carga é conhecida como multiplicador de tensão AKA do circuito de ponte de diodo do capacitor. Você usaria as baterias para gerar uma forma de onda CA, que será alimentada no final deste circuito multiplicador.

Quanto maior a tensão CA, menos estágios você precisa para chegar a 10KV.

Tenha cuidado, porém, este circuito pode armazenar carga nas tampas inferiores. Além disso, a absorção dielétrica pode elevar sua cabeça e você pode encontrar carga nas tampas que foram descarregadas.

Você quer 20ma em 20 ms => 400 uC de carga. ($Q=I*t$) se você bombear para 12KV e cair para 10KV durante a descarga, você terá uma mudança de 2KV.

para fornecer essa cobrança, você precisa:

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

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

portanto, na imagem acima (5 caps), você precisará de 1uF caps, cada um capaz de sustentar 2KV e uma forma de onda CA de 2KV. Como estimativa de primeira ordem. Espero que isso lhe dê o suficiente para fazer seus próprios cálculos (e espero que não se mate)

Até encontrei uma versão dentro do nosso laboratório de circuitos esquemático favorito.

[circuitlab] mh9d8k [/ circuitlab]

Quão crítica é a sua voltagem e duração?

O que você está descrevendo é MUITO semelhante a um circuito comum de pontos / ignição de bobina de um motor de carro. A bateria do carro fornece corrente ao primário de um transformador feroz (a bobina de ignição). Os pontos do disjuntor ativam e desativam a corrente periodicamente, quanto mais nítida a subida e descida, melhor. O colapso do campo magnético induz REALMENTE uma alta voltagem no secundário, que passa pelo distribuidor (essencialmente um interruptor rotativo acionado por motor) até a vela (centelha).

Estou pensando em um multiplicador de tensão baseado em diodo de várias etapas (acionado por um oscilador / onda quadrada) que poderia carregar um capacitor (grande). Use algo como um JFET para descarregar o capacitor através do lado primário de um transformador de expansão - um pouco gradualmente, com um corte agudo para reduzir a secundária à alta tensão no kick-back.

Eu acho que é assim que funciona a bobina de ignição de um carro.

Não sei quanto tempo a descarga seria - mas o tempo de descarga poderia ser estendido com um capacitor, ajustado para a carga acoplada. (Se o decaimento exponencial da tensão estiver bom).