¿Cuáles son algunas formas de mejorar un multiplicador de voltaje?

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Estoy trabajando en una fuente de alimentación Nixie, pero me gustaría mejorarla.

  • Tengo baterías de 4x9V en serie para un total de 36V para cambiar a través de un multiplicador.
  • Un temporizador 555 (TTL) funciona solo desde la primera batería de 9 V para generar una onda cuadrada de 8,5 voltios, 10 kHz (o cualquier frecuencia que desee, supongo), aprox. 50% de impuestos.
  • La salida 555 acciona la puerta de un N-canal BS170 MOSFET .
  • El drenaje MOSFET está conectado hasta 36V a través de una resistencia de aproximadamente 1.2kΩ. Esta resistencia debe ser lo más baja posible para impulsar la corriente hacia:
  • un multiplicador Cockcroft-Walton de 6 etapas , que produce una buena salida de ~ 220VDC sin carga. Desafortunadamente, se hunde a aproximadamente 155VDC cuando se carga con una resistencia de 47kΩ en serie con el tubo.

Esquemático

IN-14 impulsado por un multiplicador de 36V

Cosas que me gustan de este circuito:

  • It Works ™
  • Puede ser construido por partes extremadamente comunes que probablemente tenga a mano, por ejemplo:
  • No requiere inductores.
  • No requiere circuitos integrados especializados, como convertidores de impulso.
  • Solo requiere condensadores y diodos con clasificaciones de voltaje para manejar cada etapa, no el shebang completo.
  • Se estrella Multisim.

Cosas que no me gustan de este circuito:

  • El voltaje de salida baja a ~ 155VDC bajo solo ~ 600μA de carga.
  • Soy demasiado estúpido para pensar en una mejor manera de cambiar 36V a través del multiplicador:
  • Si bien la salida del temporizador 555 es alta, estoy desperdiciando más de 1W a través de la resistencia de drenaje solo para impulsar el multiplicador.
  • El voltaje de entrada del multiplicador se ve obstaculizado por la resistencia de drenaje.

Cómo puedo:

  • ¿Hacer mejoras que permitan obtener ~ 10 mA con una caída de salida de suministro de menos de 40 V?

Yo he tratado:

  • Reemplazar la sección del controlador MOSFET con algo como esto:

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

Brindé unos cuantos transistores probando este inversor. Como se muestra, las puertas del inversor son arrastradas hasta 36 V por la resistencia de 10 kΩ. ¿Es posible que el tiempo de carga de la puerta sea lo que destruyó los transistores?

EDITAR: Me acabo de dar cuenta de que las clasificaciones máximas para el voltaje de la fuente de compuerta en ambos FET del inversor son ± 20V. Eso explicaría por qué frieron. Hmm, tal vez en lugar de un solo 10kΩ, ¿podría hacer un divisor de voltaje para conducir cada puerta por separado?

Por estas razones, los multiplicadores de CW con un gran número de etapas se usan solo cuando se requiere una corriente de salida relativamente baja. Estos efectos pueden compensarse parcialmente aumentando la capacitancia en las etapas inferiores, aumentando la frecuencia de la potencia de entrada y utilizando una fuente de alimentación de CA con una forma de onda cuadrada o triangular.

  • estudiando otros diseños populares de fuentes de alimentación Nixie, como estos .

Sospecho que cambiar los 36V a través del multiplicador de manera más eficiente contribuiría en gran medida a mejorar el rendimiento.

EDITAR / RESUMEN: Cambiar los 36V a través del multiplicador de manera más eficiente contribuyó en gran medida a mejorar el rendimiento. Como varias personas sugirieron, algo llamado "push-pull" fue una solución rápida aquí. Un inversor CMOS con compuertas accionadas por separado hace que la bomba de carga sea mucho más efectiva:

555 conmutación 36V más eficazmente mediante push-pull

El suministro ahora es de ~ 216VDC cuando se carga con dos tubos, una gran mejora:

Cargas mucho mayores soportadas

yanqui
fuente
Probablemente esté acortando los dos FET en su configuración push / pull. Habrá un momento en el que ambos dispositivos estarán encendidos y se disparará.
Wesley Lee
@WesleyLee Creo que estoy conduciendo las puertas a voltajes más allá del doble de su clasificación máxima absoluta, pero creo que tienes razón, incluso si pudiera manejar esos voltajes. Como dije en el OP, el 10k y Omega; la resistencia podría estar cargando las puertas demasiado lentamente, causando demasiados disparos.
Yankee
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Wesley tiene razón. Simplemente limitar la unidad de puerta no servirá. Digamos que el Vgs (encendido) es de 5V para cada uno, que está en el lado alto para todos menos los FET más antiguos. Eso deja 25V de rango en la primera señal donde ambos FET están encendidos. Eso es mucho cortocircuito. Conducir FET como este con una capacidad de potencia requiere una cantidad de tiempo muerto en las señales de conducción y puede llegar a varios hasta docenas de microsegundos.
Asmyldof
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También tenga en cuenta que por encima de 2 ~ 5 mA de salida, las baterías pueden comenzar a resistir significativamente las corrientes máximas requeridas, lo que también causará caída en la salida también, porque este tipo de baterías son notoriamente malas para manejar corrientes decentes.
Asmyldof

Respuestas:

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Debe deshacerse de Rd de su primer esquema y usar una salida de baja impedancia push-pull como en su segundo esquema. Sin embargo, como usted dice correctamente, 36v brindará por las puertas de los FET de 20v Vgs. Hay pocos pies con Vgsmax mayores de 20v, y ninguno que yo sepa con más de 30v.

Entre las opciones están usar

a) cambiadores de nivel adecuados para controlar las compuertas FET, los bipolares pequeños funcionarían bien aquí
b) un transformador de accionamiento de compuerta (aunque generalmente solo se usa para aplicaciones de mayor potencia)
c) ¿qué tal un accionamiento push-pull de 18v con dos baterías, pero en empuje? tirar, así ...

esquemático

simular este circuito : esquema creado con CircuitLab

He ilustrado 4 etapas aquí, la extensión a más etapas es obvia.

Ahora, no he conectado el condensador superior. Hay dos opciones

a) Estilo Cockcroft Walton, donde está limitado por el voltaje máximo. Aquí, conectarías C5 a la unión D1 / D2. Esto permite un bajo voltaje en cada condensador, pero resulta en una alta impedancia de salida. También conocida como una cascada de Villard, aunque inventada por Greinacher.

b) Estilo de bomba de carga Dickson, lo que resulta en una impedancia de salida mucho menor. C5 se conecta de nuevo al extremo accionado de C2. Esto significa que C5 necesita una clasificación de voltaje más alta, pero si puede obtener tapas con una clasificación de voltaje adecuada a bajo costo, normalmente están disponibles 250v o incluso 400v, entonces esta configuración tiene una caída de voltaje mucho menor con la corriente.

Neil_UK
fuente
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Hay una mejora adicional que utilicé en mi diseño que no he ilustrado en el esquema. Al igual que en su esquema, basé el multiplicador desde el suelo, así que llevé mi D1 al suelo. Si, en cambio, ese punto se lleva al riel, entonces obtienes un valor de voltaje de salida de un riel adicional gratis. Impedancia de salida: Cockroft Walton aumenta a medida que aumenta el número de etapas al cuadrado, mi configuración 'todo en mayúsculas y vuelta al controlador' solo aumenta linealmente con el número de etapas, un gran ahorro para grandes cantidades de etapas.
Neil_UK
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desde esa página, esta es la forma de conducir un MOSFET push-pull - talkingelectronics.com/projects/MOSFET/images/PushPull_12v.gif . Usar la versión de amplificador de audio (¿la que tiene la 'cadena de diodos'?) Es demasiado complicada y cumple con otros requisitos.
Neil_UK
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Desde un cockroft-walton, concéntrate en la cadena de diodos por un momento. Ahora conecte la parte inferior a tierra (o riel para una pierna libre de un riel) y la parte superior a la salida. Ahora observe que los nodos alternativos se controlan en antifase. Ahora desconecte el extremo 'conducido' de cada condensador y tráigalos de nuevo en dos grupos. Ahora maneje los dos grupos en antifase, esa antifase podría ser puesta a tierra y una señal de CA, como en el cockroft-walton original, o podrían ser dos señales de CA antifase, que le dan el doble de oscilación de voltaje para su riel .
Neil_UK
1
no tiene que usar BJT, puede usar FET. Sin embargo, los FET pequeños explotan fácilmente y, en muchos sentidos, los BJT son más fáciles de sesgar para cosas como los cambios de nivel. Bien hecho por encontrar el nombre 'multiplicador Dickson', ese es exactamente el tipo de cosas que tenía en mente.
Neil_UK
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en cualquier momento, encantado de ayudar. Este es el tipo de cosas que usamos para hacer un pequeño multiplicador Dickson, dos canales, salida de alto voltaje de corriente muy alta, fácil de manejar con lógica y pequeño. maximintegrated.com/en/products/power/power-switching/… Acepte la respuesta si la encuentra útil
Neil_UK
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Rre36V

Pero asegúrate de que

  • VreS,metrounX
  • yore,metrounX es 0.5A.
Cuajada
fuente
Aprecio las soluciones que usan inductores, pero no tengo ninguna a mano. ¡Gracias por su respuesta!
Yankee
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@ Yankee: consejo: si tiene una lámpara fluorescente compacta rota , puede obtener un buen inductor que podría ser perfecto para su propósito de la electrónica que está oculta en el zócalo de plástico (es probable que el inductor no sea la parte rota); asegúrese de no romper el tubo de vidrio. El valor de inductancia está probablemente en el rango de unos pocos mH. Vea el inductor a la derecha en esta imagen etiquetada "3.5mH"
Cuajada
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Eso es genial. Definitivamente lo tendré en cuenta si alguna vez tengo problemas. ¡Ay, todas las luces de mi departamento son LED!
Yankee
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36 V en la puerta destruirán los dispositivos. Necesita encontrar los circuitos de conducción MOSFET adecuados.

El |VsolSSEl |<20 V .

R13,3 kΩ

skvery
fuente
Push-pull es con lo que fui y funcionó. Lamento no haber elegido tu respuesta, fui con la persona que me ayudó a entender qué es push-pull, ya que nunca antes había visto eso. Gracias por la respuesta.
Yankee
@ Yankee Sugerí push-pull con transistores bipolares normales, no MOSFET. (No hay problema :-)
skvery
Fuera de las situaciones que involucran amplificadores, ¿por qué normalmente se hace push-pull con BJT y no con FET? @Neil_UK dijo, parafraseando un poco, "no es necesario usar BJT, pero los FET pueden fallar de maneras inesperadas, y los BJT pueden ser más fáciles de sesgar". ¿Hay alguna otra razón por la cual se debería preferir que los BJT coloquen y eliminen la carga en las puertas de los FET, en lugar de simplemente usar otros FET? Simplemente creo que es extraño que, literalmente, no haya encontrado ni siquiera un ejemplo de FET utilizados para impulsar puertas de otros FET mientras aprendía sobre "push-pull".
Yankee
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como multiplicador de voltaje, su salida de corriente está inversamente relacionada con su salida de voltaje. para aumentar la salida actual, tiene dos opciones, sin salir de la topología:

1) aumente la corriente de la unidad: el 555 puede entregar 200 ma y su bs170 unos pocos ma. podrías probar un seguidor de emisor como un búfer; o un conductor dedicado;

2) aumente el voltaje de la unidad: ejecute todo a la mayor tensión posible;

Si fuera usted, primero intentaría conducir el multiplicador directamente con el 555. Si eso no proporciona suficiente corriente, piense en un enfoque diferente, como un convertidor elevador.

dannyf
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Conducir el multiplicador directamente desde el 555 fue lo primero que probé. El problema no era la capacidad de salida actual del 555, sino el voltaje de salida máximo. Necesitaba demasiadas etapas en el multiplicador y nunca llegué a 200V. El voltaje en realidad comenzó a bajar después de aproximadamente la 15a etapa jajaja.
Yankee
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¿Qué tipo de baterías usas? La resistencia interna de una batería de 9V puede ser bastante alta. Creo que un alcalino normal solo puede proporcionar alrededor de 3 amperios debido a eso. 36V * 3A / 220V es aproximadamente 500mA en la salida sin considerar ninguna pérdida en el circuito. Creo que las recargables podrían funcionar mejor.

Willem
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Estas son solo baterías de molino de 9V. Para casos de uso general que podrían ser una preocupación, pero en mi caso específico, extraigo mucho menos de 20 mA del final del multiplicador.
Yankee