Carga de un circuito a aproximadamente 10kV desde 3V (dos baterías AA) para una descarga de más de 20 ms

¿Cómo puedo diseñar un circuito que pueda cargarse a alrededor de 10kV (en algún lugar entre 5 y 20kV está bien) con dos baterías AA (~ 3V)?

La dificultad en esta pregunta es comprender algunos de los requisitos, así que abordaré esto primero porque, sin respuestas, es discutible que esto se pueda responder correctamente.

En primer lugar, ¿se aplicará la carga una vez que la tapa de salida se cargue a la tensión requerida? Si la carga está presente todo el tiempo durante el "proceso de carga", entonces la potencia requerida es mucho más de lo que anticipan algunas de las respuestas y comentarios. No creo que se pueda lograr una solución si la carga está siempre conectada, así que supongo que no.

El OP también dice "la corriente de salida se limitará a un máximo de 20 mA". ¿Es este un requisito de la solución o algo que es externo a esta pregunta? Esto necesita una respuesta, pero por ahora supongo que no es necesario en la solución.

Propuesta : se necesitará un transformador que aumente el suministro de 3V (nominal) a aproximadamente 800Vp-p. Con un MOSFET primario dividido y dos canales N, se puede lograr un voltaje p-p primario efectivo de aproximadamente 12 V (menos un poco de pérdida). Por lo tanto, la secundaria tendrá entre 70 y 80 veces los giros de la primaria: -

Creoqueesrazonablehacerloyconunafrecuenciadeconmutacióndecentedehasta1MHz.Porexperiencia,nocreoqueuntransformadorconmásdeaproximadamente100:1seapráctico,simplementeconmuchapérdida.

LosMOSFETnovanaserelementoscomunes.Creoquedeberántenerunaclasificaciónde60Vytenerunaresistenciaderesistenciacercanaaláreade10mili-ohmios.Labajacapacitanciadedrenajetambiénesunrequisito.Másdetallesmásadelantecuandolopiensoylosimulo.

ConducirlosMOSFETtambiénescomplicado.Esprobablequedebanseraccionadosconvoltajesdecompuertade10o12V,yestosignificaquesenecesitaráunpequeñoconvertidordeimpulsoparaalimentarelcircuitodecontroldelinterruptordesdelos3V.EstonoesungranproblemaConsideréqueelrefuerzoproporcionaralapotenciaaltransformadorprimario,peroestaesunafuenteimportantedeineficienciaycreoquelamejorideaesunarelacióndevueltasmásaltaeneltransformador.

Hayundetalleenelcontroladordelinterruptorquedebesolucionarse,porejemplo,hacerquerealiceunarranquesuavegradualparaaumentarelvoltajedeO/P,loqueevitaquelasbateríasse"colapsen" bajo la "presión".

Las etapas finales serían varios (menos de 10) multiplicadores de cockcroft walton y creo que los diodos utilizados necesitarán una selección cuidadosa. Más detalles más adelante. Tengo uno en mente, pero dejé mis notas en el trabajo y mi memoria me está fallando.

Lo siento, aún no tengo los detalles completos, pero la pregunta es "cómo puedo diseñar un circuito", es decir, cómo puede el OP diseñar el circuito.

Adiciones de los lunes Aquí está el circuito básico que se me ocurrió: genera un poco más de 6 kV y decidí optar por FET de 40 V al final porque limité la parte trasera de la emf con zeners de 18 V:

Aquíestálasalidadespuésdeaplicarlabatería.LapantallainferioreselvoltajededrenajedelFETylacorrientetomadadelabateríaatravésde0.1ohmsenserie:-

Para superar la resistencia inherente de la batería, utilicé un inductor de 1 mH y un condensador de 5uF para actuar como un aumento de tensión durante el encendido. La mejor manera de hacer esto sería cargar un capacitor de tamaño decente (1000uF) hasta 5V durante un período de tiempo permitido y dejar que actúe como el impulso para lograr una salida de + 6kV, y luego regresar a la batería de 3V para obtener energía. Para mantener la salida a 6kV. Alternativamente, como el OP solo quiere un período de alto voltaje de 20ms en la salida, el 1000uF puede ser suficiente para mantener las cosas razonablemente estables durante ese período y, si no, aumentar a 10,000uF.

No se muestra el convertidor boost que alimenta el oscilador de 1MHz. Hay varios dispositivos de la tecnología Linear que realizarían esta función. Se necesitan 12V para conducir las puertas.

Letra pequeña El secundario del transformador necesita cuidado en el bobinado para mantener la capacitancia por debajo de unos 10pF. No voy a entrar en esto, pero basta con decir que el circuito de salida se basa en la resonancia secundaria y, por lo tanto, se debe usar una tapa de ajuste de 20pF para optimizar el voltaje de salida sin sobre resonarlo y causando grandes ineficiencias en la transferencia de potencia. p>

Ten en cuenta que esto podría matarte fácilmente si no te cuidas. Tenga cuidado.

La forma tradicional de obtener esto para niveles de carga bajos se conoce como un circuito de diodo de condensador AKA multiplicador de voltaje. Usaría las baterías para generar una forma de onda de CA que luego alimenta al final de este circuito multiplicador.

Cuanto más alto sea el voltaje de CA, menos etapas necesitará para alcanzar 10KV.

Sin embargo, tenga cuidado, este circuito puede almacenar carga en las tapas inferiores. Además, la absorción dieléctrica puede hacer retroceder su cabeza y se puede encontrar una carga en las tapas que, a pesar de ser descargada,

Quieres 20ma en 20 ms = > 400 uC de carga. (\ $ Q = I * t \ $) Si bombea a 12KV y baja a 10 KV durante la descarga, tendrá un cambio de 2KV.

para proporcionar el cargo que necesita:

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

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

Por lo tanto, en la imagen de arriba (5 casquillos), necesitaría capuchones de 1uF, cada uno capaz de sostener 2KV y una forma de onda de 2KV CA. Como estimación de primer orden. Esperemos que esto te ofrezca lo suficiente para hacer tus propios cálculos (y espero que no te mates)

Incluso encontré una versión dentro de nuestra herramienta esquemática favorita circuitlab.

[circuitlab] mh9d8k [/ circuitlab]

¿Qué tan importante es su voltaje y duración?

Lo que estás describiendo es MUY similar a un circuito de encendido de puntos / bobina común de un motor de automóvil. La batería del automóvil suministra corriente al primario de un transformador feroz (la bobina de encendido). Los puntos de interruptores activan y desactivan la corriente con fuerza, cuanto más nítida sea la subida y la caída, mejor. El colapso del campo magnético induce un voltaje REALMENTE alto en el secundario, que atraviesa el distribuidor (esencialmente un interruptor giratorio motorizado) hasta la bujía (chispa).

Estoy pensando en un multiplicador de voltaje basado en diodos de múltiples etapas (impulsado por una onda cuadrada / oscilador) que podría cargar un capacitor (grande). Use algo como un JFET para descargar el condensador a través del lado primario de un transformador elevador, de forma algo gradual, con un corte brusco para colapsar el secundario a alto voltaje en el retroceso.

Creo que esta es la forma en que funciona la bobina de encendido de un automóvil.

No sé cuánto tiempo duraría la descarga, pero el tiempo de descarga podría extenderse con un condensador, sintonizado para la carga adjunta. (Si la caída exponencial de la tensión está bien).