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

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.

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:

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: -

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: -

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.

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.

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.

$Q=I*t$

Um diese Gebühr zu liefern, benötigen Sie:

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

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

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]

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.

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).