Seguridad de la cascada de Villard

Mi hijo adolescente ha estado construyendo multiplicadores Cockcroft-Walton en su tiempo libre últimamente, y estoy potencialmente un poco preocupado en caso de que se electrocute. Su circuito está alimentado por 4 celdas AA en serie (6V), y a juzgar por la brecha de chispas, ha logrado llegar a alrededor de 6kV usando un oscilador y un transformador seguido de la cascada Cockcroft-Walton. Como está construyendo esto en una placa de prueba simple, no hay aislamiento entre él y partes del circuito, y ya me ha dicho que ha tenido algunos golpes.

Soy un físico que trabaja en una universidad, por lo que busqué las regulaciones con respecto a los electrodomésticos en Europa y creo que debería estar bien (usamos las mismas regulaciones para evaluar las demostraciones del generador Van der Graaf). La capacitancia total del circuito en cascada termina en alrededor de 1nF, por lo que a 6000V la carga total debería ser de 6uC, lo que creo que debería ser seguro (EN-60335-1), pero como no soy un ingeniero, no puedo decir con certeza .

Mi pregunta es: ¿debería evitar que mi hijo construya estos? Siempre he alentado la creatividad y su amor por la electrónica, pero no quiero que se lastime o algo peor.

Quedarse conmocionado es bueno. Dejar caer soldadura sobre la ropa y la piel es bueno. Cortar los dedos con bordes de metal afilados es bueno. Los humanos sobreviven explorando. Los humanos aprenden del dolor. De lo contrario, nos encogeremos en los pantanos.

Cuando era niño, sentí un hormigueo de 117 VCA en los dedos de los pies, debido a los viejos transformadores de potencia. Aprendí a sentarme en sillas de madera y no tocar los dedos del pie con el piso de concreto.

Más tarde, mientras "calibraba" un osciloscopio, empujé la parte posterior descubierta del telescopio contra el banco de metal del laboratorio, tocando la toma del tubo del telescopio EICO al banco, y luego me incliné hacia adelante con la panza contra la parte delantera del banco a través de mi camisa, y Toqué mi pecho nuevamente a través de la camisa hasta el chasis del telescopio cuando me acerqué para ajustar un potenciómetro de "enfoque". 3.000 voltios en el cofre. Me quedé aturdido un par de minutos.

Pero aún tenía que aprender algunas lecciones más sobre el alto voltaje.

Deje que su hijo vea algunos videos de muerte por alto voltaje.

Enséñele el truco de "mantener una mano en el bolsillo" en torno al alto voltaje.

EDITAR: Entonces hay alta corriente; El profesor de la universidad habló de un amigo que perdió el dedo anular izquierdo, porque el anillo de bodas terminó en un camino de alta corriente , haciendo que el anillo se pusiera rojo, matando la piel, los músculos, los tendones y los huesos.

También he tenido circuitos integrados de controlador de puerta MOSFET en la parte superior del paquete, durante el evento "bipolar snapback" cuando los condensadores de almacenamiento de 1,000 μF dentro de un enorme suministro de laboratorio HP tuvieron la necesidad de descargar su energía en los 2 mm × 4 mm silicio del conductor de la puerta. Ninguno de nosotros tres, que se cernía bastante cerca, fue golpeado. Pero después de eso, siempre coloqué una hoja de papel sobre el circuito, para interceptar más descargas de energía IC. ¿Energía? 1/2 * C * V ^ 2 = 0.5 * 1,000uf asumido (no abrió el suministro de HP) * 20v * 20v = 200 miliJoules, lo que explica por qué la parte superior de plástico DIP se voló. Y extrañé nuestros 6 ojos (aunque usaba lentes).

EDITAR: El desbordamiento del controlador de la puerta fue una casualidad, porque tomé la lección muy en serio y me di cuenta del peligro de la energía almacenada en tapas de 1,000 μF. Aprendí a burlarse del dragón al evaluar el retroceso bipolar, permitiendo solo 1,000 pF a través del Gate Driver, con una resistencia de 220 Ω al Vdd (experimentalmente variable). Usando un 1,000 pF de plomo largo (cables de 3 ″, 6 ″ en total o 100 nanohenry) junto con el 1,000 pF externo y el sustrato del pozo en el chip de ~ 1,000 pF, durante los eventos de conmutación, el VDD_GND de silicio colapsaría y luego rebotaría 5 o 10 o 15 voltios por encima de los 18 voltios nominales. En algún nivel, la velocidad de respuesta del timbre (anillos de 100 nH y 500 pF a 22 MHz) indujo suficiente carga transitoria en el silicio como para que ocurriera un retroceso bipolar, y el VDD (suministrado por 1, 000 pF) se succionaría a 16 o 17 voltios, con lo cual el snapback se autoextinguiría. Ejecuté estos dispositivos, dentro / fuera del snapback a 100 kHz, sin daños, ya que diagnostiqué la ruta de carga transitoria y me di cuenta de que las reglas de diseño necesitaban cambios. Serenidad. ¿Energía? 0.5 * C * V ^ 2 = 0.5 * {protoboard total + tapa de silicio = 2,000pF} * 31.6volts ^ 2 = 1,000pF * 1,000 (volts ^ 2) = 1microJoule.

Décadas atrás, regresando del almuerzo, se le dijo que fuera al laboratorio y examinara "los escombros" en el banco de XXXX. Había 6 paneles de paneles de alambre (30 * 6 = 180 IC), muchos IC con la parte superior rota. Resulta que un cable suelto colgado de un extremo se había enrollado sobre y alrededor y debajo del borde delantero del banco y ** EN * el contacto caliente de la alimentación de 117VCA. Por lo tanto, la gerencia quería que todos los ingenieros y técnicos y gente de retrabajo entendieran el peligro de los alambres elásticos y enrollados que quedan colgando.

Ahhhh Asignado a un suministro de conmutación Tritek de 400 vatios durante un par de semanas, por alguna razón. Solo para darme experiencia en conmutadores; Yo no fui el diseñador. Repetidamente, las resistencias protectoras de 5 vatios y 5 ohmios se explotaron, sus núcleos de cerámica salieron de la caja del disipador de calor y cruzaron la pasarela entre los bancos, el cable resistivo detrás como un cable de guía para un misil TOW. Aprendimos a no interponernos en el camino.

Por seguridad y sin zumbidos en los amplificadores de ganancia alta (100dB y 120dB), aprendí a usar las baterías de 9 voltios "B" 3 "por 3" por 4 ". La alta Rout causó oscilaciones, casi todo el tiempo, hasta que aprendí a implementar "baterías locales" con RC LPF en las etapas VDD a LNA. Toda una colección de 5,000uF caps que tenía.

Parece seguro de lo que describe, siempre que solo use baterías y mantenga los condensadores pequeños. Los multiplicadores de CW aumentan el voltaje pero reducen la corriente, por lo que solo habrá unos pocos cientos de microamperios en el extremo de salida.

EN60335-1 sugiere que menos de 15kV, siempre que la carga total de un choque sea inferior a 45 microcolumbs, no debería haber peligro. Parece que el circuito de su hijo está muy por debajo de eso como Q = CV. Obviamente, si comienza a ir a voltajes cada vez más altos, deberá reducir el tamaño de las tapas para mantenerse a salvo. Con 6000V y 1nF, cualquier "descarga" se sentirá mucho como una descarga estática de una manija de puerta. También es un tipo similar de producción que tienen los productos comerciales de ganado.

Otra propiedad de las cascadas CW es que el voltaje y la corriente de salida dependen de la carga: cuanto menor sea la resistencia de la carga, menor será la corriente, lo que los hace realmente ineficientes, pero también puede salvar su tocino si se uniera a él.

También estoy de acuerdo en que debe ser supervisado, creo que casi no hace falta decirlo.

Creo que la única forma de que 4 baterías AA (o D, etc.) sean peligrosas en un circuito sería si se utilizara un circuito como el anterior para cargar un condensador enorme. Aunque podría estar equivocado en eso.

Seguro es un término relativo, lo que es seguro para una persona puede no serlo para otra, y como profesional realmente no puedo decir que es 100% seguro. Parece que las energías involucradas son bastante triviales, pero eso no significa que no conectará eso a un transformador de potencia dentro de una hora para obtener una chispa más grande. Además, incluso con estos valores, podría sobrevoltar un condensador y hacer que falle con bastante violencia. Las gafas de seguridad serían una buena idea para este y otros proyectos.

Trabajar con electricidad siempre tiene riesgos asociados. Pueden ser por electrocución, explosión, quemaduras, incendio, exposición química y algunos otros. Eso solo viene con la naturaleza del trabajo.

¿Deberías detenerlo? Bueno, podría intentarlo, pero puede ser mejor que lo eduque adecuadamente sobre los riesgos y las medidas de seguridad que debería tomar para limitar su vulnerabilidad a que algo salga mal. Esas medidas deberían incluir una restricción estricta de que "¡No jugamos con electricidad cuando no hay nadie más cerca!" .

Hay una serie de pautas simples y complejas en línea.

Quizás pasar algún tiempo con él mientras está experimentando. Puede disfrutarlo, y estoy seguro de que su hijo lo apreciaría.

ADICIÓN: Sin embargo, como padre, tomaría medidas para asegurar que el lugar donde trabaja el muchacho esté equipado adecuadamente. Las herramientas, equipos, tomas de corriente interrumpidas por falla a tierra, iluminación, ventilación son importantes.

¡PELIGRO! El corazón de la descarga de la tapa está determinado por la energía, no por los culombios.

Ver el pdf: IEEE 2009: sistema de clasificación de riesgos eléctricos

En general, es malo dejar que sus condensadores entren en el rango de 10 julios y más. Eso es por descargas en tu pecho, por supuesto. Un peligro cardíaco significativo comienza con descargas de 20 julios. Por debajo de 10 julios, el problema principal son las contracciones musculares, que se cortan al golpear objetos afilados, etc.

0.001uF y 6KV dan 36 milijulios. Bastante seguro, aunque un poco doloroso.

Aún así, los efectos cardíacos dependen de la densidad de energía, no solo de julios. Si apuñaló un condensador de terminal afilado en la caja torácica, la energía entregada al sistema de marcapasos sería de un orden de magnitud mayor que si los mismos terminales del condensador se tocaran con las dos manos.

Cuando trabaje con sistemas de descarga de tapas, use solo una mano. De esa manera, las descargas accidentales no atravesarán tu pecho. O mejor aún, siempre mantente muy temeroso y paranoico de cometer un error y recibir un mal golpe. Un cierto respeto serio (si no es puro terror) va mucho en alentar la investigación adecuada de antemano, y para evitar desarrollar comportamientos riesgosos ignorantes cuando se trata de condensadores de kilovoltios.

Hubo algunas pistas sobre "alimentarlo con una batería, punto". Hay una buena razón para no hacerlo con experimentos en los que se generan unos pocos kilovoltios, incluso si se utiliza una fuente de alimentación conectada a la red normalmente segura, y realmente no se ha mencionado aquí.

Los altos voltajes en una cantidad (corriente máxima sostenida, energía almacenada) que normalmente no podría causarle mucho daño permanente aún conlleva al menos estos riesgos:

• puede romper el aislamiento primario a secundario incluso en una fuente de alimentación resistente, en el peor de los casos de forma permanente, por lo que las cosas que no se supone que estén conectadas directamente a la red ahora lo están . Incluso una fuente de alimentación construida perfectamente según los estándares de seguridad puede tener una falla de aislamiento si logra colocar por error más de aproximadamente 3-4kV contra tierra en cualquiera de sus terminales

• Los arcos de alto voltaje golpean muy fácilmente. Si logra golpear un arco contra cualquier cosa que tenga corriente conectada (podría ser un conector imperfectamente aislado cerca de su configuración, como una tapa de cable que no se inserta en un enchufe completamente, o algo expuesto a través de un orificio de ventilación en una fuente de alimentación) caso de suministro ...), este arco ahora es un conductor perfectamente capaz de conducir cualquier cosa conectada a él (si tiene suerte, el arco solo dura hasta que haya un cruce por cero por la red eléctrica de CA).