Laden eines Stromkreises von 3 V (zwei AA-Batterien) auf ca. 10 kV zur Entladung über 20 ms

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Wie kann ich einen Stromkreis entwerfen, der mit zwei AA-Batterien (~ 3 V) auf etwa 10 kV (irgendwo zwischen 5 und 20 kV ist in Ordnung) aufgeladen werden kann?

Ich werde für kurze Zeit etwa 20 mA über eine hochohmige Last ziehen, etwa 20 bis 50 ms. Es ist in Ordnung, wenn der Stromkreis eine Weile braucht, um die 10-kV-Ausgangsspannung zu erreichen, um beim Laden des Stromkreises nicht zu viel Strom aus der Batterie zu ziehen.

Beim Entladen ist der Ausgangsstrom auf maximal 20 mA begrenzt.

bjarkef
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Meinen Sie Milliampere (dh 200 W) oder Mikroampere (eher 0,2 W)?
Dave Tweed
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(a) Dies ist eine potenziell tödliche Spannungs- / Stromkombination. (b) Das sind auch 400 W, keine mittlere Leistung. (c) Ich würde von verschiedenen DIY Tesla- oder Spark-Projekten ausgehen: rmcybernetics.com/projects/DIY_Devices/homemade_tesla_coil.htm
pjc50
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Wie viel Spannungsabfall können Sie während des Entladezyklus tolerieren? Dadurch wird die Größe des benötigten Kondensators bestimmt. Dann können Sie herausfinden, wie lange es dauern würde, bis ein paar AAs aufgeladen sind. Selbst wenn der Akku erst einmal aufgeladen ist, dauert es zwischen den Dichargen einige Minuten, bis er wieder hergestellt ist - und dies setzt voraus, dass die Batterien 1 A verbrauchen, was sehr viel ist.
Dave Tweed
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@LeonHeller: 200 W * 50 ms = 10 J. Ein Paar AAs sollte dies hundertmal tun können.
Dave Tweed
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@bjarkef, ich habe dir eine Gegenstimme gegeben, um das abzubrechen, weil dies eine Lösung haben wird. Aber wenn Sie die Frage (ohne Kommentare) noch einmal lesen, sollten Sie sie wahrscheinlich so bearbeiten, dass Sie eine Obergrenze berechnen und die Zykluszeit keine große Rolle spielt. Es liest sich ein bisschen so, als würden Sie erwarten, dass es 20 mA bei 10 kV liefert, was selbst für kurze Zeit ohne die Kappe unmöglich wäre.
PeterJ

Antworten:

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Wie kann ich einen Stromkreis entwerfen, der mit zwei AA-Batterien (~ 3 V) auf etwa 10 kV (irgendwo zwischen 5 und 20 kV ist in Ordnung) aufgeladen werden kann?

Die Schwierigkeit bei dieser Frage besteht darin, einige der Anforderungen zu verstehen, daher werde ich zuerst darauf eingehen, da es ohne Antworten fraglich ist, ob dies richtig beantwortet werden kann.

Erstens: Wird die Last angelegt, sobald die Ausgangskappe auf die erforderliche Spannung aufgeladen ist? Wenn die Last während des "Ladevorgangs" ständig vorhanden ist, ist die erforderliche Leistung sehr viel höher als einige der Antworten und Kommentare erwarten. Ich denke nicht, dass eine Lösung erreichbar ist, wenn die Last immer angeschlossen ist, also gehe ich davon aus, dass dies nicht der Fall ist.

Das OP sagt auch "der Ausgangsstrom wird auf maximal 20 mA begrenzt". Ist dies eine Anforderung der Lösung oder etwas, das außerhalb dieser Frage liegt? Dies erfordert eine Antwort, aber im Moment gehe ich davon aus, dass dies in der Lösung nicht erforderlich ist.

Vorschlag - Es wird ein Transformator benötigt, der die 3-V-Versorgung (nominal) auf wahrscheinlich etwa 800 Vp-p erhöht. Mit einem geteilten Primär- und zwei N-Kanal-MOSFETs sollte eine effektive primäre pp-Spannung von etwa 12 V (abzüglich eines kleinen Verlusts) erreichbar sein. Die Sekundärseite hat daher zwischen dem 70- und 80-fachen der Umdrehungen der Primärseite:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Ich denke, das ist vernünftig machbar und bei einer anständigen Schaltfrequenz von bis zu 1 MHz. Aus Erfahrung glaube ich nicht, dass ein Transformator mit mehr als 100: 1 Stepup praktisch ist - einfach zu verlustbehaftet.

Die MOSFETs werden keine alltäglichen Gegenstände sein. Ich denke, sie müssen ungefähr 60 V haben und einen Einschaltwiderstand nahe dem 10-Milli-Ohm-Bereich haben. Eine niedrige Drain-Kapazität ist ebenfalls erforderlich. Mehr Details später, wenn ich darüber nachdenke und es simuliere.

Das Ansteuern der MOSFETs ist ebenfalls schwierig. Es ist wahrscheinlich, dass sie mit 10 oder 12 V Gate-Spannungen betrieben werden müssen. Dies bedeutet, dass ein kleiner Aufwärtswandler benötigt wird, um den Schaltsteuerkreis über 3 V mit Strom zu versorgen. Dies ist kein großes Problem. Ich habe überlegt, ob der Booster die Stromversorgung für die Primärwicklung des Transformators bereitstellen soll, aber dies ist eine erhebliche Ursache für Ineffizienz, und ich glaube, dass ein höheres Windungsverhältnis am Transformator die beste Idee ist.

Es gibt Details in der Schaltersteuerung, die ausgebügelt werden müssen, als ob sie einen allmählichen Sanftanlauf durchführen würde, um die O / P-Spannung aufzubauen, die verhindert, dass die Batterien unter dem "Druck" "zusammenbrechen".

Die letzten Stufen wären mehrere (weniger als 10) Cockcroft-Walton-Multiplikatoren, und ich denke, die verwendeten Dioden müssen sorgfältig ausgewählt werden. Mehr Details später - ich habe eine im Sinn, aber ich habe meine Notizen bei der Arbeit gelassen und mein Gedächtnis lässt mich im Stich!

Es tut mir leid, dass ich noch nicht alle Details habe, aber natürlich lautet die Frage "Wie kann ich eine Schaltung entwerfen?", Was bedeutet, wie kann das OP die Schaltung entwerfen?

Montagszusätze Hier ist die Grundschaltung, die ich mir ausgedacht habe - sie erzeugt etwas mehr als 6 kV und ich habe mich am Ende für 40-V-FETs entschieden, weil ich die Gegen-EMK mit 18-V-Zenern begrenzt habe: - Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Hier ist die Ausgabe nach dem Einlegen der Batterie. Die untere Anzeige zeigt die FET-Drain-Spannung und den FET-Strom, die von der Batterie bis 0,1 Ohm in Reihe entnommen wurden: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Um den inhärenten Widerstand der Batterie zu überwinden, habe ich eine 1-mH-Induktivität und einen 5-uF-Kondensator verwendet, um beim Einschalten als Spannungsverstärker zu fungieren. Der beste Weg, dies zu tun, wäre wahrscheinlich, einen Kondensator mit anständiger Größe (1000 uF) über einen zulässigen Zeitraum auf bis zu 5 V aufzuladen und ihn als Boost für eine Leistung von +6 kV zu verwenden und dann zur 3-V-Batterie zurückzukehren, um Energie hineinzulaufen um den Ausgang bei 6kV zu halten. Alternativ kann, da der OP nur eine Hochspannungsperiode von 20 ms am Ausgang wünscht, die 1000 uF ausreichen, um die Dinge für diese Periode einigermaßen stabil zu halten und wenn nicht auf 10.000 uF zu erhöhen.

Nicht gezeigt ist der Aufwärtswandler, der den 1-MHz-Oszillator antreibt. Es gibt mehrere Geräte aus der linearen Technologie, die diese Funktion ausführen würden. Zum Antreiben der Tore werden 12 V benötigt.

Kleingedrucktes Die Sekundärseite des Transformators muss sorgfältig gewickelt werden, um die Kapazität unter etwa 10 pF zu halten. Ich werde nicht darauf eingehen, aber es genügt zu sagen, dass der Ausgangsstromkreis auf Sekundärresonanz beruht. Daher sollte eine Trimmerkappe von 20 pF verwendet werden, um die Ausgangsspannung zu optimieren, ohne sie zu überschwingen und große Ineffizienzen bei der Leistungsübertragung zu verursachen.

Denken Sie daran, dass dies Sie leicht töten könnte, wenn Sie nicht aufpassen. Sei gewarnt.

Andy aka
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Welcher Montag? :-)
Anindo Ghosh
@ AnindoGhosh bist du in Eile Kerl LOL
Andy aka
Nein, nur dass ich zu viele Jahre in der Unternehmensführung verbracht habe und immer gerne Lieferverpflichtungen festnagle :-D
Anindo Ghosh
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@AnindoGhosh, es ist ein schweres Kreuz, das du tragen musst;) ... Diesen Montag natürlich (hoffentlich) - Ich habe zu viele Jahre damit verbracht, die Wolle über die Augen des Managers zu ziehen, um zu wissen, dass du keine BS-Ingenieure kannst!
Andy aka
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@ pjc50 Erstens, wenn ein Fet Stromkreise öffnet, zieht der andere die andere Seite der Primärwicklung auf 0 V herunter und dies zwingt sofort 6 V auf den Abfluss des freisetzenden Mosfets. Zweitens wird es niemals eine 100% ige Kopplung geben, was eine Spitze bedeutet. Um die Effizienz und die Schaltgeschwindigkeit hoch zu halten, möchte ich keine Dämpfer verwenden. Ich gehe davon aus, dass es eine komplex aussehende Gegen-EMK geben wird, die leicht 30-V-Spitzen erreichen könnte, also bin ich ein bisschen vorsichtig, vielleicht mit 60 V, ABER 40 V sind zu nah für Komfort und es gibt mehr 60 V-Geräte als 50 V-Geräte.
Andy aka
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Der traditionelle Weg, dies für niedrige Ladungspegel zu erhalten, ist als AKA-Spannungsvervielfacher der Kondensator-Diodenbrückenschaltung bekannt. Sie würden die Batterien verwenden, um eine Wechselstromwellenform zu erzeugen, die Sie dann in das Ende dieser Multiplikatorschaltung einspeisen.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Je höher die Wechselspannung, desto weniger Stufen müssen Sie auf 10 kV bringen.

Seien Sie jedoch vorsichtig, diese Schaltung kann Ladung in den unteren Kappen speichern. Auch die dielektrische Absorption kann den Kopf aufrichten und Sie können Ladung über Kappen finden, die Sie zwar entladen haben.

Q.=icht

Um diese Gebühr zu liefern, benötigen Sie:

Q.=C.V.=C.ΔV.

C.=Q.ΔV.=0,2uF.

Im obigen Bild (5 Kappen) benötigen Sie also 1 uF-Kappen, die jeweils 2 kV Sustain und eine 2 kV AC-Wellenform unterstützen. Als Schätzung erster Ordnung. Hoffentlich gibt Ihnen dies genug, um Ihre eigenen Berechnungen durchzuführen (und sich hoffentlich nicht umzubringen)

Ich habe sogar eine Version in unserem bevorzugten Schaltplan-Tool gefunden.

[Circuitlab] mh9d8k [/ Circuitlab]

Platzhalter
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Diese Art von Ladungspumpenmultiplikator ist in diesem Fall aufgrund des sehr großen Aufwärtsverhältnisses nicht geeignet. Diese Schaltung benötigt eine Stufe pro Multifaktor mit perfekten Dioden. Abbildung 1,5 V Verlust in Diodentropfen pro Stufe, sodass jede Stufe nur 1,5 V hinzufügt. Sie benötigen über 3300 Stufen, um 5 kV zu erreichen.
Olin Lathrop
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@OlinLathrop müssen Sie etwas genauer lesen. Die Erregung in meinem einfachen Beispiel beträgt 2 kV.
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Aber wie hilft das dann? Er fragt, wie man aus 3 V 5-10 kV macht, und Ihre Antwort ist, mit 2 kV zu beginnen. Wenn er wüsste, wie man 2 kV macht, könnte er wahrscheinlich 5 kV machen.
Olin Lathrop
@OlinLathrop 1 KV bis 2KV ist sehr einfach mit einem sehr kleinen Transformator, 10KV nicht so sehr. Wie dies hilft, ist, dass der 1,5-V-Abfall an der Diode keine Rolle spielt. Aber es gibt Kompromisse, er kann leicht nur 1 kV verwenden und die Stufen verdoppeln.
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Ich halte dies immer noch für eine Nichtantwort, es sei denn, Sie zeigen, wie Sie mit diesen 2 kV beginnen können.
Olin Lathrop
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Wie kritisch ist Ihre Spannung und Dauer?

Was Sie beschreiben, ist SEHR ähnlich wie ein gemeinsamer Zündkreis für Punkte / Spulen eines Automotors. Die Autobatterie versorgt die Primärwicklung eines wilden Transformators (die Zündspule) mit Strom. Unterbrecherpunkte schalten den Strom regelmäßig ein und aus. Je schärfer der Anstieg und Abfall, desto besser. Das kollabierende Magnetfeld induziert eine WIRKLICH hohe Spannung in der Sekundärseite, die über den Verteiler (im Wesentlichen einen motorgetriebenen Drehschalter) zur Zündkerze (Funkenstrecke) führt.

John R. Strohm
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Der " wilde Transformator " brachte mich zum Lachen! Nicht nur aggressiv, oder?
Anindo Ghosh
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Ich denke an einen mehrstufigen diodenbasierten Spannungsvervielfacher (angetrieben von einer Rechteckwelle / einem Oszillator), der einen (großen) Kondensator aufladen könnte. Verwenden Sie so etwas wie einen JFET, um den Kondensator durch die Primärseite eines Aufwärtstransformators zu leiten - etwas allmählich, mit einer scharfen Unterbrechung, um die Sekundär- und Hochspannung beim Rückschlag zusammenzufallen.

Ich denke, so funktioniert die Zündspule eines Autos.

Ich weiß nicht, wie lange die Entladung dauern würde - aber die Entladezeit könnte mit einem Kondensator verlängert werden, der auf die angeschlossene Last abgestimmt ist. (Wenn der exponentielle Abfall der Spannung in Ordnung ist).

Brad
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