Wie kann ein Spannungsvervielfacher verbessert werden?

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Ich arbeite an einem Nixie-Netzteil, möchte es aber verbessern.

  • Ich habe 4x9V-Batterien in Serie, sodass insgesamt 36V über einen Multiplikator geschaltet werden können.
  • Ein (TTL) 555-Timer läuft nur mit der ersten 9-V-Batterie stabil und erzeugt eine 8,5-ish-Volt-Rechteckwelle mit 10 kHz (oder einer von Ihnen gewünschten Frequenz). 50% Pflicht.
  • Der 555-Ausgang steuert das Gate eines N-Kanal-BS170-MOSFET an .
  • Der MOSFET- Drain ist über einen Widerstand von ca. 1,2 kΩ mit bis zu 36 V verbunden. Dieser Widerstand muss so gering wie möglich sein, um den Strom in folgende Bereiche zu leiten:
  • ein 6- stufiger Cockcroft-Walton-Multiplikator , der ohne Last einen schönen ~ 220VDC-Ausgang erzeugt. Leider sinkt sie auf ungefähr 155 VDC, wenn sie von einem 47 kΩ-Widerstand in Reihe mit der Röhre geladen wird.

Schema

IN-14 betrieben von 36V Multiplikator

Was ich an dieser Strecke mag:

  • Es funktioniert ™
  • Es kann aus sehr üblichen Teilen gebaut werden, die ich wahrscheinlich zur Hand habe, zB:
  • Es werden keine Induktivitäten benötigt.
  • Es sind keine speziellen ICs wie Hochsetzsteller erforderlich.
  • Es werden nur Kondensatoren und Dioden mit Nennspannungen benötigt, um jede Stufe zu bewältigen, nicht die volle Leistung.
  • Es stürzt ab Multisim.

Dinge, die ich an dieser Strecke nicht mag:

  • Die Ausgangsspannung sinkt bei einer Last von nur ~ 600μA auf ~ 155VDC.
  • Ich bin zu dumm, um mir einen besseren Weg zu überlegen, um 36 V über den Multiplikator zu schalten:
  • Während der 555-Timer-Ausgang hoch ist, verbrauche ich mehr als 1 W über den Drain-Widerstand, nur um den Multiplikator anzusteuern.
  • Die Eingangsspannung des Multiplizierers wird durch den Drain-Widerstand behindert.

Wie kann ich:

  • Verbesserungen vornehmen, die es ermöglichen, ~ 10mA mit weniger als 40V Leistungsabfall zu beziehen?

Ich habe versucht:

  • Ersetzen des MOSFET-Treiberabschnitts durch Folgendes:

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab

Ich habe einige Transistoren angeröstet, die diesen Inverter probiert haben. Wie gezeigt, werden die Gates des Wechselrichters vom 10kΩ-Widerstand auf 36V hochgezogen. Ist es möglich, dass die Gate-Ladezeit die Transistoren zerstört?

EDIT: Ich habe gerade festgestellt, dass die maximale Gate-Source-Spannung für beide Inverter-FETs ± 20 V beträgt. Das würde erklären, warum sie gebraten haben. Hmm, vielleicht könnte ich statt eines einzelnen 10kΩ einen Spannungsteiler bauen, um jedes Gate separat anzusteuern?

Aus diesen Gründen werden CW-Multiplizierer mit einer großen Anzahl von Stufen nur dort verwendet, wo ein relativ geringer Ausgangsstrom benötigt wird. Diese Effekte können teilweise kompensiert werden, indem die Kapazität in den unteren Stufen erhöht wird, die Frequenz der Eingangsleistung erhöht wird und eine Wechselstromquelle mit einer quadratischen oder dreieckigen Wellenform verwendet wird.

  • Studium anderer populärer Nixie-Netzteile wie dieser .

Ich vermute, dass ein effizienteres Schalten der 36 V über den Multiplikator einen großen Beitrag zur Verbesserung der Leistung leisten würde.

BEARBEITEN / ZUSAMMENFASSUNG: Das effizientere Umschalten der 36-V-Spannung über den Multiplikator trug wesentlich zur Verbesserung der Leistung bei. Wie mehrere Leute angedeutet haben, war etwas, das "Push-Pull" genannt wird, hier eine schnelle Lösung. Ein CMOS-Inverter mit separat angesteuerten Gattern macht die Ladungspumpe viel effektiver:

555 36V effektiver per Push-Pull schalten

Die Versorgung liegt jetzt bei ~ 216VDC, wenn mit zwei Röhren geladen wird, eine enorme Verbesserung:

Viel größere Lasten werden unterstützt

switching charge-pump multiplier nixie Yankee
quelle
Wahrscheinlich haben Sie die beiden FETs in Ihrer Push / Pull-Konfiguration kurzgeschlossen. Es wird einen Moment geben, in dem beide Geräte eingeschaltet sind und ein Durchschuss erfolgt.
Wesley Lee
@WesleyLee Ich denke, es ist so, dass ich die Gates mit Spannungen ansteuere, die über das Doppelte ihrer absoluten Maximalbewertung hinausgehen, aber ich denke, Sie haben Recht, auch wenn es mit diesen Spannungen umgehen könnte. Wie ich schon im OP sagte, der 10k & Omega; Der Widerstand lädt die Tore möglicherweise zu langsam auf und verursacht zu viel Durchschuss.
Yankee
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Wesley hat recht. Nur die Gate-Ansteuerung zu begrenzen, reicht nicht aus. Nehmen wir an, die Vgs (on) betragen jeweils 5 V, was für alle außer den ältesten FETs ganz oben liegt. Dadurch verbleiben beim ersten Signal, bei dem beide FETs eingeschaltet sind, 25 V Reichweite . Das ist viel Kurzschluss. Das Ansteuern derartiger FETs mit einer Leistungsfähigkeit erfordert eine gewisse Totzeit in den Ansteuersignalen und kann einige bis Dutzend Mikrosekunden dauern.
Asmyldof
1
Beachten Sie auch, dass die Batterien oberhalb von 2 ~ 5 mA anfangen können, den erforderlichen Spitzenströmen erheblich zu widerstehen, was auch weiterhin zu einem Abfall des Ausgangs führt, da diese Batterietypen bekanntermaßen schlecht mit anständigen Strömen umgehen können.
Asmyldof

Antworten:

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Sie müssen Rd aus Ihrem ersten Schaltplan entfernen und einen niederohmigen Gegentaktausgang wie in Ihrem zweiten Schaltplan verwenden. Wie Sie jedoch richtig sagen, wird 36V die Tore von 20V-VGS-FETs anstoßen. Es gibt nur wenige Fets mit Vgsmax größer als 20 V und meines Wissens mit mehr als 30 V keine.

Unter den Optionen sind zu verwenden

a) geeignete Pegelverschieber den FET - Gates zu steuern, kleiner bipolars würde auch hier arbeiten
b) einen Gate - Treibertransformator (obwohl in die Regel nur für Anwendungen mit höherer Leistung verwendet wird )
c) , wie etwa 18V Gegentaktantrieb von zwei Batterien, aber in Push- zieh so ...

schematisch

simulieren Sie diese Schaltung - Schaltplan erstellt mit CircuitLab

Ich habe hier 4 Stufen dargestellt, die Erweiterung auf weitere Stufen liegt auf der Hand.

Jetzt habe ich den oberen Kondensator nicht angeschlossen. Es gibt zwei Möglichkeiten

a) Cockcroft Walton Style, bei dem Sie durch die maximale Spannung begrenzt sind. Hier verbinden Sie C5 mit der D1 / D2-Kreuzung. Dies ermöglicht eine niedrige Spannung an jedem Kondensator, führt jedoch zu einer hohen Ausgangsimpedanz. Auch als Villard-Kaskade bekannt, obwohl von Greinacher erfunden.

b) Dickson-Ladungspumpenstil, der zu einer viel niedrigeren Ausgangsimpedanz führt. C5 wird wieder mit dem angetriebenen Ende von C2 verbunden. Dies bedeutet, dass C5 eine höhere Nennspannung benötigt. Wenn Sie jedoch kostengünstig Kappen mit einer geeigneten Nennspannung erhalten können, sind üblicherweise 250 V oder sogar 400 V verfügbar, dann hat diese Konfiguration einen viel geringeren Spannungsabfall mit Strom.

Neil_UK
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1
Es gibt eine weitere Verbesserung, die ich in meinem Design verwendet habe, die ich im Schaltplan nicht dargestellt habe. Wie in Ihrem Schaltplan habe ich den Multiplikator von Grund auf angelegt, also habe ich meinen D1 auf Grund gelegt. Wenn dieser Punkt stattdessen auf die Schiene gelegt wird, erhalten Sie die Ausgangsspannung einer ganzen zusätzlichen Schiene kostenlos. Ausgangsimpedanz - Cockroft Walton erhöht sich mit der Anzahl der quadrierten Stufen. Meine Konfiguration "Alles in allem wieder auf den Treiber" erhöht sich nur linear mit der Anzahl der Stufen, was große Einsparungen bei einer großen Anzahl von Stufen zur Folge hat.
Neil_UK
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Von dieser Seite aus kann auf diese Weise ein MOSFET-Gegentakt angesteuert werden - talkingelectronics.com/projects/MOSFET/images/PushPull_12v.gif . Die Verwendung der Audioverstärkerversion (die mit der 'Kette von Dioden'?) Ist viel zu kompliziert und erfüllt andere Anforderungen.
Neil_UK
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Konzentrieren Sie sich von einem Cockroft-Walzer aus für einen Moment auf die Diodenkette. Verbinden Sie nun die Unterseite mit Masse (oder die Schiene für ein freies Ein-Schienen-Bein) und die Oberseite mit dem Ausgang. Beachten Sie nun, dass alternative Knoten gegenphasig angesteuert werden. Trennen Sie nun das angesteuerte Ende jedes Kondensators und bringen Sie sie in zwei Gruppen zurück. Treiben Sie nun die beiden Gruppen gegenphasig an, dh gegenphasig könnte ein Erd- und ein Wechselstromsignal sein, wie beim Original-Cockroft-Walton, oder es könnten zwei gegenphasige Wechselstromsignale sein, mit denen Sie doppelt so viel Spannungshub für Ihre Schiene erzielen .
Neil_UK
1
Sie müssen keine BJTs verwenden, Sie können FETs verwenden. Kleine FETs sprengen jedoch leicht, und in vielerlei Hinsicht können BJTs für Dinge wie Pegelumsetzer leichter vorgespannt werden. Gut gemacht, um den Namen 'Dickson Multiplikator' zu finden, genau das hatte ich vor.
Neil_UK
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jederzeit gerne helfen. Dies ist die Art von Dingen, die wir verwendet haben, um einen winzigen Dickson-Multiplikator, zwei Kanäle, eine Hochspannungs-Hochstrom-Ansteuerungsausgabe, eine einfache Ansteuerung mit Logik und eine Winzigkeit herzustellen. maximintegrated.com/en/products/power/power-switching/… Akzeptieren Sie die Antwort, wenn Sie sie nützlich fanden
Neil_UK
2

RD≫36V

Aber stellen Sie sicher, dass

  • VDS,meinx
  • ichD,meinx
Quark
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Ich schätze Lösungen, die Induktivitäten verwenden, aber ich habe keine zur Hand. Vielen Dank für Ihre Antwort!
Yankee
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@Yankee: Tipp: Wenn Sie eine kaputte Kompaktleuchtstofflampe haben, können Sie aus der Elektronik, die in der Kunststoffbuchse verborgen ist, einen für Ihren Zweck geeigneten Induktor erhalten (der Induktor ist wahrscheinlich nicht der defekte Teil). Achten Sie darauf, das Glasrohr nicht zu zerbrechen. Der Induktivitätswert liegt wahrscheinlich im Bereich einiger mH. Siehe den Induktor auf der rechten Seite in diesem Bild mit der Aufschrift "3.5mH"
Curd
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Das ist großartig. Ich werde das auf jeden Fall im Hinterkopf behalten, wenn ich jemals in Not bin. Leider sind alle Lichter in meiner Wohnung LEDs!
Yankee
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36 V am Tor zerstören die Geräte. Sie müssen die richtigen MOSFET-Treiberschaltungen finden.

|VGSS|<20 V

R13.3 kΩ

skvery
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Push-Pull ist, was ich ging und es hat funktioniert. Es tut mir leid, dass ich Ihre Antwort nicht gewählt habe. Ich habe mich an denjenigen gewandt, der mir geholfen hat, zu verstehen, was Push-Pull ist, da ich das bis heute noch nie gesehen habe. Danke für die Antwort.
Yankee
@Yankee Ich schlug Push-Pull mit normalen Bipolartransistoren vor, nicht mit MOSFETs. (Kein Problem :-)
Skvery
Warum erfolgt Push-Pull außerhalb von Situationen mit Verstärkern normalerweise mit BJTs und nicht mit FETs? @Neil_UK sagte, ein bisschen umschrieben: "Die Verwendung von BJTs ist nicht erforderlich, aber FETs können auf unerwartete Weise versagen, und BJTs können leichter vorgespannt werden." Gibt es andere Gründe, warum BJTs es vorziehen sollten, Ladung an den Gates von FETs zu platzieren und zu entfernen, anstatt nur andere FETs zu verwenden? Ich finde es nur seltsam, dass ich buchstäblich kein einziges Beispiel von FETs gefunden habe, die zum Ansteuern von Gates anderer FETs verwendet wurden, während ich etwas über "Push-Pull" lernte.
Yankee
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als Spannungsvervielfacher steht sein Stromausgang in umgekehrter Beziehung zu seinem Spannungsausgang. Um die aktuelle Ausgabe zu erhöhen, haben Sie zwei Möglichkeiten, ohne die Topologie zu verlassen:

1) erhöhen sie den antriebsstrom: der 555 kann 200 ma liefern und ihr bs170 ein paar ma. Sie können einen Emitterfolger als Puffer verwenden. oder ein engagierter Fahrer;

2) Erhöhen Sie die Antriebsspannung: Lassen Sie das Ganze so hoch wie möglich laufen.

Wenn ich Sie wäre, würde ich zuerst versuchen, den Multiplikator direkt mit dem 555 zu fahren. Wenn das nicht genug Strom liefert, überlegen Sie sich einen anderen Ansatz, wie einen Aufwärtswandler.

dannyf
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Als erstes habe ich versucht, den Multiplikator direkt vom 555 aus zu steuern. Das Problem war nicht die aktuelle Ausgangsleistung des 555, sondern die maximale Ausgangsspannung. Ich brauchte zu viele Stufen im Multiplikator und kam nie auf 200V. Die Spannung begann tatsächlich nach etwa der 15. Stufe lol wieder abzusinken.
Yankee
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Welche Art von Batterien verwenden Sie? Der Innenwiderstand einer 9-V-Batterie kann sehr hoch sein. Ich denke, ein normales Alkali kann aus diesem Grund nur etwa 3 Ampere liefern. 36 V * 3A / 220 V liegen am Ausgang bei ca. 500 mA, ohne Berücksichtigung von Stromkreisverlusten. Ich denke, Akkus könnten eine bessere Leistung bringen.

Willem
quelle
Dies sind nur 9V Batterien. Für allgemeine Anwendungsfälle, die möglicherweise ein Problem darstellen, in meinem speziellen Fall jedoch deutlich weniger als 20 mA ab dem Ende des Multiplikators.
Yankee