Carga de un circuito a alrededor de 10 kV desde 3 V (dos baterías AA) para una descarga de más de 20 ms

¿Cómo puedo diseñar un circuito que se pueda cargar a alrededor de 10kV (en algún lugar entre 5 y 20kV está bien) a partir de dos baterías AA (~ 3V)?

Voy a consumir aproximadamente 20 mA sobre una carga de alta resistencia durante un corto período de tiempo, alrededor de 20 a 50 ms. Está bien si el circuito tarda un tiempo en alcanzar el voltaje de salida de 10 kV, para no extraer demasiada corriente de la batería mientras se carga el circuito.

Al descargar, la corriente de salida estará limitada a un máximo de 20 mA.

¿Cómo puedo diseñar un circuito que se pueda cargar a alrededor de 10kV (en algún lugar entre 5 y 20kV está bien) a partir de dos baterías AA (~ 3V)?

La dificultad en esta pregunta es comprender algunos de los requisitos, así que abordaré esto primero porque sin respuestas es discutible que esto pueda responderse correctamente.

En primer lugar, ¿se aplicará la carga una vez que la tapa de salida se cargue al voltaje requerido? Si la carga está presente todo el tiempo durante el "proceso de carga", la potencia requerida es mucho mayor de lo que anticipan algunas de las respuestas y comentarios. No creo que se pueda lograr una solución si la carga siempre está conectada, así que supongo que no.

El OP también dice "la corriente de salida estará limitada a un máximo de 20 mA". ¿Es este un requisito de la solución o algo externo a esta pregunta? Esto necesita una respuesta, pero por ahora estoy asumiendo que no se requiere en la solución.

Propuesta : se necesitará un transformador que incremente el suministro de 3V (nominal) a probablemente aproximadamente 800Vp-p. Con un MOSFET primario dividido y dos canales N, debe lograrse un voltaje pp primario efectivo de aproximadamente 12V (menos un poco de pérdida). Por lo tanto, el secundario tendrá entre 70 y 80 veces las vueltas del primario:

Creo que esto es razonablemente factible y con una frecuencia de conmutación decente de hasta 1MHz. Por experiencia, no creo que un transformador con más de aproximadamente 100: 1 paso a paso sea práctico, simplemente demasiado perdido.

Los MOSFET no van a ser elementos comunes. Creo que tendrán que tener una potencia de 60 V y tener una resistencia de encendido cercana al área de 10 miliamperios. La baja capacidad de drenaje también es un requisito. Más detalles más tarde cuando lo pienso y lo simulo.

Conducir los MOSFET también es complicado. Es probable que necesiten ser conducidos con voltajes de puerta de 10 o 12V y esto significa que se necesitará un pequeño convertidor de refuerzo para alimentar el circuito de control del interruptor desde los 3V. Este no es un gran problema. Pensé en hacer que el amplificador proporcionara energía al primario del transformador, pero esta es una fuente importante de ineficiencia y creo que una relación de vueltas más alta en el transformador es la mejor idea.

Hay detalles en el controlador del interruptor que deben planificarse, como hacer que realice un arranque suave gradual para aumentar el voltaje o / p evitando que las baterías se "colapsen" bajo la "presión".

Las etapas finales serían varios (menos de 10) multiplicadores de walton de cockcroft y creo que los diodos utilizados necesitarán una selección cuidadosa. Más detalles más adelante: ¡tengo uno en mente pero dejé mis notas en el trabajo y mi memoria me decepciona!

Lo siento, todavía no tengo todos los detalles, pero por supuesto, la pregunta es "¿cómo puedo diseñar un circuito", es decir, cómo puede el OP diseñar el circuito.

Adiciones de lunes Aquí está el circuito básico que se me ocurrió: genera un poco más de 6 kV y decidí optar por FET con una calificación de 40 V al final porque limité la fem con Zeners de 18 V: -

Aquí está la salida después de aplicar la batería. La pantalla inferior es el voltaje de drenaje FET y la corriente tomada de la batería a través de 0.1ohms en serie: -

Para superar la resistencia inherente de la batería, utilicé un inductor de 1mH y un capacitor de 5uF para actuar como un refuerzo de voltaje durante el encendido. La mejor manera de hacer esto probablemente sería cargar un condensador de tamaño decente (1000uF) de hasta 5V durante un período de tiempo permitido y dejar que actúe como el impulso para lograr una salida de + 6kV, luego regresar a la batería de 3V para gotear energía en él para mantener la salida a 6kV. Alternativamente, como el OP solo quiere un período de 20 ms de alto voltaje en la salida, 1000uF puede ser suficiente para mantener las cosas razonablemente estables durante ese período y, de no ser así, aumentar a 10,000uF.

No se muestra el convertidor boost que alimenta el oscilador de 1MHz. Hay varios dispositivos de tecnología lineal que realizarían esta función. Se necesitan 12 V para conducir las puertas.

Letra pequeña El secundario del transformador necesita cuidado en el devanado para mantener la capacitancia por debajo de aproximadamente 10pF. No voy a entrar en esto, pero es suficiente decir que el circuito de salida se basa en resonancia secundaria y, por lo tanto, se debe usar una tapa de recorte de 20pF para optimizar el voltaje de salida sin resonar demasiado y causar grandes ineficiencias en la transferencia de potencia.

Tenga en cuenta que esto podría matarlo fácilmente si no se cuida. Ten cuidado.

La forma tradicional de obtener esto para niveles de carga bajos se conoce como un multiplicador de voltaje de circuito de puente de diodo capacitivo. Usaría las baterías para generar una forma de onda de CA que luego alimentaría al final de este circuito multiplicador.

Cuanto mayor sea el voltaje de CA, menos etapas necesitará para llegar a 10KV.

Sin embargo, tenga cuidado, este circuito puede almacenar carga en las tapas inferiores. Además, la absorción dieléctrica puede enderezar su cabeza y puede encontrar carga a través de las tapas que, sin embargo, se descargaron.

Desea 20ma en 20 ms => 400 uC de carga. ($Q=I*t$) si bombea a 12KV y cae a 10 KV durante la descarga, tiene un cambio de 2KV.

para suministrar ese cargo que necesita:

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

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

así que en la imagen de arriba (5 caps) necesitarías 1uF caps cada una capaz de sostener 2KV y una forma de onda AC de 2KV. Como primer pedido estimado. Esperemos que esto te dé lo suficiente para hacer tus propios cálculos (y con suerte no matarte)

Incluso encontré una versión dentro de nuestra herramienta de esquema esquemática favorita.

[circuitlab] mh9d8k [/ circuitlab]

¿Cuán crítico es su voltaje y duración?

Lo que está describiendo es MUY similar a un circuito de encendido de bobina / puntos comunes del motor de un automóvil. La batería del automóvil suministra corriente al primario de un transformador feroz (la bobina de encendido). Los puntos de interrupción periódicamente encienden y apagan la corriente, cuanto más aguda sea la subida y la caída, mejor. El colapso del campo magnético induce un voltaje REALMENTE alto en el secundario, que pasa a través del distribuidor (esencialmente un interruptor giratorio accionado por motor) a la bujía (espacio de chispa).

Estoy pensando en un multiplicador de voltaje basado en diodos de etapas múltiples (impulsado por una onda cuadrada / oscilador) que podría cargar un condensador (grande). Use algo como un JFET para descargar el condensador a través del lado primario de un transformador elevador, de forma algo gradual, con un corte brusco para colapsar el voltaje secundario a alto voltaje en el retroceso.

Creo que así es como funciona la bobina de encendido de un automóvil.

No sé cuánto tiempo duraría la descarga, pero el tiempo de descarga podría extenderse con un condensador, sintonizado para la carga conectada. (Si la disminución exponencial del voltaje está bien).