Sicherheit der Villard-Kaskade

Mein jugendlicher Sohn hat in letzter Zeit in seiner Freizeit Cockcroft-Walton-Multiplikatoren gebaut, und ich bin möglicherweise ein wenig besorgt, falls er sich selbst einen Stromschlag zufügt. Sein Stromkreis wird von 4 AA-Zellen in Serie (6 V) gespeist. Gemessen an der Funkenstrecke, die er mit einem Oszillator und Transformator erreicht hat, erreicht er ungefähr 6 kV, gefolgt von der Cockcroft-Walton-Kaskade. Da er dies auf einem einfachen Steckbrett baut, gibt es keine Isolierung zwischen ihm und Teilen der Rennstrecke, und er hat mir bereits gesagt, dass er ein paar Schocks hatte.

Ich bin Physiker und arbeite an einer Universität. Deshalb habe ich die Vorschriften für Haushaltsgeräte in Europa nachgeschlagen und denke, das sollte in Ordnung sein (wir verwenden dieselben Vorschriften, um die Demos von Van der Graaf-Generatoren zu bewerten). Die Gesamtkapazität der Kaskadenschaltung beträgt ungefähr 1nF, daher sollte die Gesamtladung bei 6000V 6uC betragen, was meiner Meinung nach sicher sein sollte (EN-60335-1), aber da ich kein Ingenieur bin, kann ich nicht sicher sagen .

Meine Frage ist: Soll ich meinen Sohn davon abhalten, diese zu bauen? Ich habe immer die Kreativität und seine Liebe zur Elektronik gefördert, aber ich möchte nicht, dass er verletzt oder schlimmer wird.

Schockiert zu werden ist gut. Es ist gut, Lötzinn auf Kleidung und Haut fallen zu lassen. Es ist gut, die Finger an scharfen Metallkanten zu kratzen. Menschen überleben durch Erforschung. Menschen lernen aus Schmerzen. Sonst kauern wir in den Sümpfen.

Als Kind spürte ich, wie von alten Leistungstransformatoren 117 VAC durch die Zehen prickelten. Ich lernte, auf Holzstühlen zu sitzen und den Betonboden nicht mit den Zehen zu berühren.

Später, während ich ein Oszilloskop "kalibrierte", drückte ich den entblößten Teil des Zielfernrohrs gegen die Metalllabortischplatte, berührte die Tischplatte mit dem EICO-Zielfernrohrsockel und beugte mich dann mit dem Bauch gegen den vorderen Teil der Tischplatte durch mein Hemd und Ich berührte erneut mit der Brust das Oszilloskop-Chassis, als ich weit herum griff, um ein "Fokus" -Potentiometer einzustellen. 3.000 Volt über der Brust. Ich saß ein paar Minuten fassungslos da.

Aber ich hatte noch ein paar Lektionen über Hochspannung zu lernen.

Lassen Sie Ihren Sohn einige Videos über den Hochspannungstod sehen.

Bringen Sie ihm den Trick "Eine Hand in der Tasche behalten" bei, wenn es um Hochspannung geht.

EDIT: Dann gibt es hohen Strom; college prof erzählte von kumpel, der den linken ringfinger verloren hat, weil der hochzeitsring in einem endete Hochstrompfad , der den Ring rot leuchten ließ und die Haut, die Muskeln, die Sehnen und den Knochen tötete.

Während des "Bipolar Snapback" -Ereignisses, als die 1.000-μF-Speicherkondensatoren in einem riesigen HP-Labor die Notwendigkeit hatten, ihre Energie in die 2 mm × 4 mm zu entladen, haben MOSFET-Gate-Treiber-ICs die Oberseite des Gehäuses gesprengt Silizium des Gate-Treibers. Keiner von uns dreien, der ganz in der Nähe schwebte, wurde getroffen. Danach habe ich immer ein Blatt Papier auf den Schaltkreis gelegt, um weitere IC-Energiedumps abzufangen. Energie? 1/2 * C * V ^ 2 = 0,5 * 1.000uf angenommen (HP-Versorgung nicht geöffnet) * 20 V * 20 V = 200 Millijoule, was erklärt, warum die DIP-Kunststoffoberseite abgeblasen wurde. Und vermisste unsere 6 Augen (obwohl ich eine Brille trug).

EDIT: Das Abblasen des Gate-Treibers war ein Zufall, weil ich mir die Lektion zu Herzen genommen und die Gefahr der Speicherung von Energie in 1000 μF-Kappen erkannt habe. Ich habe gelernt, wie man den Drachen bei der Auswertung von Bipolar-Snapback neckt und dabei nur 1.000 pF direkt über den Gate-Treiber mit 220 Ω Widerstand gegen die (experimentell variable) Vdd zulässt. Bei Verwendung von 1000 pF mit langem Anschluss (3 Zoll, 6 Zoll insgesamt oder 100 Nanohenry) zusammen mit 1000 pF extern und einem auf dem Chip befindlichen Substrat von 1000 pF würde das Silizium VDD_GND während Schaltereignissen zusammenbrechen und dann zurückprallen 5 oder 10 oder 15 Volt über den Nennspannungen von 18 Volt. Auf einem gewissen Niveau induzierte die Anstiegsrate des Klingelns (100 nH- und 500 pF-Ringe bei 22 MHz) eine ausreichende transiente Ladung in das Silizium, so dass ein Bipolar-Snapback auftrat, und die VDD (geliefert von 1, 000 pF) werden auf 16 oder 17 Volt abgesaugt, woraufhin sich der Snapback von selbst verlischt. Ich habe diese Geräte mit Snapback bei 100 kHz ohne Schaden ein- und ausgeschaltet, als ich den vorübergehenden Ladungspfad diagnostizierte und feststellte, dass die Layoutregeln geändert werden mussten. Glücklicher Zufall. Energie? 0,5 * C * V ^ 2 = 0,5 * {Gesamtprotoboard + Siliziumkappe = 2.000 pF} * 31,6 Volt ^ 2 = 1.000 pF * 1.000 (Volt ^ 2) = 1 Mikrojoule.

Jahrzehnte zuvor, als er vom Mittagessen zurückkam, wurde ihm gesagt, er solle ins Labor gehen und "die Trümmer" auf der Bank von XXXX untersuchen. Es gab eine 6-Panel-Drahtwickelkarte (30 × 6 = 180 ICs), viele ICs mit abgeblasener Oberseite. Es stellte sich heraus, dass sich ein hängender, einseitig loser Draht über und um die vordere Sitzbankkante und ** IN * den heißen Kontakt von 117 V Wechselstrom gewickelt hatte. Das Management wollte daher, dass alle Ingenieure, Techniker und Nachbearbeiter die Gefahr erkennen, dass federnd gelockte Drahtwickeldrähte hängen bleiben.

Ahhhh Wird aus irgendeinem Grund für ein paar Wochen dem 400-Watt-Tritek-Schaltnetzteil zugewiesen. Nur um mir Erfahrung mit Umschaltern zu geben; Ich war nicht der Designer. Wiederholt wurden die 5-Watt-5-Ohm-Drahtschutzwiderstände für Opfer explodiert, und ihre Keramikkerne wurden aus dem kühlbaren Gehäuse und über den Laufsteg zwischen den Bänken gesprengt. Wir haben gelernt, nicht im Weg zu stehen.

Aus Sicherheitsgründen und ohne Brummen in Hochleistungsverstärkern (100dB und 120dB) habe ich gelernt, die 9 Volt "B" 3 "mal 3" mal 4 "Batterien zu verwenden. Der hohe Rout verursachte fast die ganze Zeit Oszillationen, bis ich das Implementieren lernte "Lokalbatterien" mit RC LPF in den Stufen VDD bis LNA. Eine ganze Sammlung von 5.000 uF Kappen hatte ich.

Sieht vor dem, was Sie beschreiben, sicher aus, solange er nur Batterien verwendet und die Kondensatoren klein hält. CW-Multiplikatoren erhöhen die Spannung, verringern jedoch den Strom, sodass am Ausgangsende nur wenige hundert Mikroampere vorhanden sind.

EN60335-1 schlägt vor, dass unter 15 kV keine Gefahr besteht, solange die Gesamtladung eines Stoßes weniger als 45 Mikrokolben beträgt. Die Schaltung Ihres Sohnes sieht so aus, als ob sie weit darunter liegt: Q = CV. Wenn er anfängt, höhere und höhere Spannungen zu erzeugen, muss er natürlich die Größe der Kappen reduzieren, um sicher zu sein. Bei 6000 V und 1 nF fühlt sich jeder "Schlag" wie ein statischer Schlag durch einen Türgriff an. Es ist auch eine ähnliche Art der Ausgabe, die kommerzielle Viehprodukte haben.

Eine weitere Eigenschaft von CW-Kaskaden ist, dass die Ausgangsspannung und der Ausgangsstrom von der Last abhängen: Je niedriger der Widerstand der Last, desto geringer der Strom. Dies macht sie wirklich ineffizient, kann aber auch Ihren Speck retten, wenn Sie daran anhaften.

Ich stimme auch zu, dass er beaufsichtigt werden sollte, ich denke, das ist fast selbstverständlich.

Ich denke, die einzige Möglichkeit für 4 AA-Batterien (oder D-Batterien usw.), in einem Stromkreis gefährlich zu werden, wäre, wenn ein Stromkreis wie der oben beschriebene zum Laden eines riesigen Kondensators verwendet würde. Darin könnte ich mich jedoch irren.

Safe ist ein relativer Begriff, was für eine Person sicher ist, kann für eine andere Person nicht sein, und als Fachmann kann ich Ihnen nicht wirklich sagen, dass er 100% sicher ist. Es hört sich so an, als wären die beteiligten Energien ziemlich trivial, aber das bedeutet nicht, dass er das in einer Stunde nicht an einen Leistungstransformator anschließen wird, um einen größeren Funken zu bekommen. Auch mit diesen Werten könnte er einen Kondensator überspannen und ihn ziemlich heftig ausfallen lassen. Eine Schutzbrille wäre eine gute Idee für dieses und andere Projekte.

Der Umgang mit Elektrizität birgt immer Risiken. Sie können durch Stromschlag, Explosion, Verbrennungen, Feuer, chemische Einwirkung und einige andere verursacht werden. Das hängt einfach von der Art des Jobs ab.

Solltest du ihn aufhalten? Sie könnten es versuchen, aber vielleicht ist es besser, wenn Sie ihn über die Risiken und Sicherheitsmaßnahmen informieren, die er ergreifen sollte, um seine Verwundbarkeit auf einen Fehler zu begrenzen. Diese Maßnahmen sollten eine strikte Einschränkung beinhalten: "Wir spielen nicht mit Strom, wenn niemand in der Nähe ist!" .

Es gibt eine Reihe einfacher und komplexer Richtlinien online.

Vielleicht verbringen Sie einige Zeit mit ihm, während er experimentiert. Sie können es genießen, und ich bin sicher, Ihr Sohn würde es schätzen.

ZUSATZ: Als Elternteil würde ich jedoch Maßnahmen ergreifen, um sicherzustellen, dass der Junge dort, wo er arbeitet, ordnungsgemäß ausgerüstet ist. Die richtigen Werkzeuge, Geräte, Steckdosen mit Erdschlussunterbrechung, Beleuchtung und Belüftung sind wichtig.

ACHTUNG! Das Herzstillstandverhalten der Kappenentladung wird durch Energie bestimmt, nicht durch Coulombs.

Siehe pdf: IEEE 2009: Klassifizierungssystem für elektrische Gefahren

Im Allgemeinen ist es schlecht, Ihre Kondensatoren in den 10-Joule-Bereich und darüber zu bringen. Das ist natürlich für Entladungen über die Brust. Eine signifikante Herzgefahr beginnt bei 20 Joule Entladungen. Unterhalb von 10 Joule liegt das Hauptproblem in Muskelkontraktionen, die durch Zuschlagen scharfer Gegenstände usw. verursacht werden.

0,001 uF und 6 KV ergeben 36 Millijoule. Ziemlich sicher, wenn auch etwas schmerzhaft.

Trotzdem hängen die Herzeffekte von der Energiedichte ab, nicht nur von Joule. Wenn Sie einen Kondensator mit scharfen Anschlüssen in Ihren Brustkorb stechen, ist die an das Schrittmachersystem gelieferte Energie um Größenordnungen höher als wenn dieselben Kondensatoranschlüsse mit zwei Händen berührt würden.

Verwenden Sie beim Arbeiten mit Kappenentladungssystemen nur eine Hand. Auf diese Weise gelangen die versehentlichen Entladungen nicht über Ihre Brust. Oder besser noch, bleiben Sie immer sehr ängstlich und paranoid, dass Sie einen Fehler machen und einen schlechten Schlag bekommen. Ein gewisser ernsthafter Respekt (wenn nicht bloßer Terror) reicht weit aus, um die ordnungsgemäße Forschung im Voraus zu fördern und zu vermeiden, dass beim Umgang mit Kilovolt-Kondensatoren unwissende, riskante Verhaltensweisen auftreten.

Es gab ein paar Hinweise zum Thema "Energie aus einer Batterie, Punkt". Es gibt einen guten Grund, dies nicht bei Experimenten zu tun, bei denen einige Kilovolt erzeugt werden, auch wenn ein normalerweise sicheres, netzgekoppeltes Netzteil verwendet wird, und das wurde hier nicht wirklich erwähnt.

Hohe Spannungen in einer Menge (maximaler Dauerstrom, gespeicherte Energie), die normalerweise keinen dauerhaften Schaden anrichten können, bergen immer noch mindestens die folgenden Gefahren:

• es kann die Primär-Sekundär-Isolation auch bei einer robusten Stromversorgung durchbrechen - im schlimmsten Fall dauerhaft, also sind es Dinge, die jetzt nicht direkt an das Netz angeschlossen werden sollen . Sogar ein Netzteil, das perfekt nach Sicherheitsstandards gebaut wurde, weist wahrscheinlich einen Isolationsfehler auf, wenn Sie versehentlich mehr als ca. 3-4 kV gegen Erde in eine der Klemmen stecken

• Hochspannung schlägt sehr leicht Lichtbögen. Wenn es Ihnen gelingt, einen Lichtbogen gegen etwas zu schlagen, das unter Spannung steht (dies kann ein unvollständig isolierter Stecker in der Nähe Ihres Setups sein, z. B. eine nicht vollständig in eine Steckdose eingeführte Kabelkappe oder etwas, das durch ein Lüftungsloch in einer Stromversorgung freigelegt wird) Versorgungsfall ...), dieser Lichtbogen ist jetzt ein Leiter, der in der Lage ist, alles zu leiten, was damit verbunden ist (wenn Sie Glück haben, dauert der Lichtbogen nur so lange, bis ein Nulldurchgang durch die Netzstromversorgung vorliegt.).