¿Cómo crear pulsos que tengan una longitud de 10 ns y una amplitud de 15kV / 80A?

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Estoy buscando una manera fácil de crear pulsos cortos de alto voltaje. Estos tendrían una duración de 10-100 ns, una amplitud de 10-30 kV (la carga es compleja pero aproximadamente similar a una carga resistiva de 200 ohmios). La fuente puede parecerse a una fuente de corriente o de voltaje durante el pulso. La carga debería (idealmente) cortocircuitarse fuera del pulso.

Es fácil encontrar generadores de alto voltaje ajustables a (por ejemplo) 30-50 kV CC, por lo que el lado de alto voltaje es relativamente fácil. Pero no tengo idea de cómo encender (y especialmente) de 30 kV en nanosegundos. Chispa disparada?

EDIT Me sorprende que nadie haya mencionado MOSFET apilados (¿o IGBT?) como una posible solución. Después de realizar una búsqueda, encontré algunas referencias como esta: MOSFET de potencia de apilamiento para uso en instrumentación de alta velocidad . No tengo ninguna experiencia con este enfoque, pero el estado sólido parece mucho más controlable.

    
pregunta Alex I

5 respuestas

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Sus requisitos de pulsos cortos, de longitud variable, alto voltaje y alta corriente son difíciles de lograr simultáneamente. No hace falta decir que, para impulsos de alta velocidad, alto voltaje y alta corriente, es imperativo minimizar absolutamente cualquier inductancia o capacitancia parásita en el circuito de conmutación, las conexiones o la carga.

El cascode MOSFET te llevará a, supongo, 50 ns de pulsos y 5 kV a 200 ohmios sin demasiada dificultad. Hay un límite en la cantidad de MOSFET que se pueden apilar razonablemente y aún así tener un buen rendimiento de conmutación y de intercambio de tensión, por lo que los MOSFET tendrán que ser sobre especificados y los tiempos de subida no serán mucho mejores que los 10 ns. El código de caja tampoco se puede apagar rápidamente, por lo que si desea pulsos cuadrados con tiempos de caída bien controlados, probablemente tendrá que usar un diseño push-pull, aunque los P-MOSFET son más lentos de conmutar y difíciles de encontrar con altos voltajes de ruptura. También es posible un accionamiento de compuerta acoplado por transformador, lo que podría reducir los tiempos de apagado de los N-MOSFET o permitir diseños de medio puente H, pero el diseño y la construcción de los transformadores no es fácil. Consulte aquí para ver un ejemplo que logra un rendimiento algo peor del que le interesa, o < a href="http://www.lepo.joinville.udesc.br/_publicacoes/arquivo369.pdf"> here para una discusión sobre el enfoque propuesto en el artículo que vincula y por qué es difícil aplicar en práctica.

Behlke fabrica muchos productos de este tipo general, y aunque algunos de ellos pueden satisfacer sus otros requisitos, ninguno puede lograr pulsos más cortos que alrededor de 50-100ns. La resistencia de estado también es una fracción significativa de su impedancia de carga, y obviamente empeora a medida que más MOSFET se colocan en serie o los dispositivos de mayor voltaje que uno elige.

Un generador de Marx es bueno para impulsos de alto voltaje, alta corriente y aumento rápido, pero la duración del pulso no es fácilmente controlable, y como con todos los dispositivos basados en chispas, la fluctuación de fase podría ser bastante grande a menos que se haga un esfuerzo especial para minimizarlo.

Su única opción seria puede ser algo así como una línea de transmisión Blumlein u otro multiplicador de pulso basado en la línea de transmisión. Aquí hay una página que lo describe, y here y aquí son dos artículos Describiendo generadores de Blumlein multiplicadores de voltaje. Las desventajas son que variar la duración del pulso requiere cambiar la longitud física de la línea de transmisión, y la impedancia de la línea de transmisión debe coincidir con la carga. Dispararlo es un problema en sí mismo, aunque una posibilidad es una chispa activada por láser. De todos modos, estos dispositivos son grandes, pero especialmente una línea de transmisión de 200 ohmios capaz de transportar grandes corrientes y producir anchos de pulso de hasta 100 ns será bastante voluminosa. Posiblemente podría usar líneas de transmisión de 50 ohmios y un transformador de línea de transmisión 4: 1, pero lograr un buen acoplamiento de banda ancha mientras mantiene la inductancia de fuga y la capacitancia entre devanados no es fácil. Una empresa que fabrica dispositivos como este es Barth Electronics .

Si puede relajar el requisito de anchos de pulso variables, puede investigar los controladores de células comerciales de Pockels u otros dispositivos electrónicos similares, que se basan en generadores de Marx de estado sólido. Estos a menudo se limitan a proporcionar pulsos negativos de 5 a 6 kV, porque esto es lo que requieren las células de Pockel y, por lo general, no tienen tiempos de caída rápidos; sin embargo, hay excepciones.

Una de las excepciones que merece una mención especial son las creadas por FID GmbH . Esta empresa fabrica varios productos similares a los que necesita, como FDS 20-10NKN5 . Se basan en un dispositivo especial en modo avalancha, el dinistor de ionización rápida , Eso parece ser casi único para esta compañía, pero que tiene algunas capacidades muy impresionantes. Puede producir un pulso de 10 kV con un tiempo de subida de 20 ps, o un pulso de 1MV (!) Con un tiempo de subida de 1 ns. No tengo conocimiento de ninguna otra tecnología que se acerque a este nivel de rendimiento.

    
respondido por el Oleksandr R.
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Puedes buscar el generador de Marx. Pero esto es algo enorme, tuve la posibilidad de verlo en el trabajo en las pruebas de transformadores. Es un dispositivo con interrupciones de chispa y circuitos RC, similar al circuito de doblador de voltaje con RC y diodos. Las brechas de la chispa tienen una función de conmutar los condensadores cargados paralelamente al circuito de la serie RC. La primera brecha sparg tiene una aguja que se dispara de forma remota, luego los voltajes se están sumando y creando un efecto dominó en otras brechas de chispa. He visto circuitos RC sintonizados para hacer pulsos de 8/50.

    
respondido por el Marko Buršič
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Tal pulso es realmente similar a una chispa, aunque en la chispa la duración es más como microsegundos. Recomendaría buscar el circuito de encendido de descarga del condensador.

También creo que "explotar" es un poco de pánico en ese caso. La energía total mencionada aquí no es realmente nada para un solo pulso.

Por cierto, debe haber un elemento piezoeléctrico con un voltaje por pulso similar. Lo veo todo el tiempo en los encendedores :)

    
respondido por el Gregory Kornblum
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Un resonador helicoidal de cuarto de onda AKA Tesla Coil con una chispa podría producir resultados como este a un precio bastante económico. Simplemente construya un amplificador de clase D para impulsar una onda cuadrada con un ciclo de trabajo del 50% en la base de una bobina resonante y cuando se acumula suficiente carga en la bobina que arquea, este arco es típicamente de 20 a 100 kV a 100 amperios para bobinas pequeñas (6 en x 24 en largo). El período del arco suele estar en el rango de us o ms según el diseño y la carga capacitiva en la bobina ...

    
respondido por el MadHatter
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Puede encontrar algo de inspiración en HV quemado de cables unidades.

Utilizan de forma segura pulsos de alto voltaje para quemar los puentes conductores en cables de alta tensión con aislamiento de autocuración.

    
respondido por el KalleMP

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