Quais são algumas maneiras de melhorar um multiplicador de tensão?


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Estou trabalhando em uma fonte de alimentação Nixie, mas gostaria de melhorá-la.

  • Eu tenho baterias de 4x9V em série, para um total de 36V a serem trocadas por um multiplicador.
  • Um temporizador (TTL) 555 está funcionando de maneira estável apenas com a primeira bateria de 9V para gerar uma onda quadrada de 8,5 ish-volt, 10kHz (ou qualquer frequência que você queira, eu acho), aprox. Direito de 50%.
  • A saída 555 acciona a porta de um canal N MOSFET BS170 .
  • O dreno MOSFET é conectado até 36V através de um resistor de aproximadamente 1,2kΩ. Essa resistência precisa ser o mais baixa possível para empurrar a corrente para:
  • um multiplicador Cockcroft-Walton de 6 estágios , que produz uma boa saída de ~ 220VCC sem carga. Infelizmente, ele atinge cerca de 155VDC quando carregado por um resistor de 47kΩ em série com o tubo.

Esquemático

IN-14 acionado a partir do multiplicador de 36V

Coisas que eu gosto neste circuito:

  • Funciona ™
  • Ele pode ser construído por partes extremamente comuns que provavelmente tenho disponíveis, por exemplo:
  • Não requer indutores.
  • Não requer ICs especializados, como conversores de impulso.
  • Requer apenas capacitores e diodos com classificações de voltagem para lidar com cada estágio, não com o shebang completo.
  • Falha no Multisim.

Coisas que não gosto neste circuito:

  • A tensão de saída cai para ~ 155VDC sob carga de apenas ~ 600μA.
  • Sou burra demais para pensar em uma maneira melhor de alternar 36V no multiplicador:
  • Enquanto a saída do temporizador 555 é alta, estou desperdiçando mais de 1W no resistor de dreno apenas para acionar o multiplicador.
  • A tensão de entrada do multiplicador é dificultada pelo resistor de dreno.

Como posso:

  • fazer melhorias que possam permitir que ~ 10mA sejam obtidos com queda de menos de 40V na saída da fonte?

Eu tentei:

  • Substituindo a seção do driver MOSFET por algo como isto:

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Brindei alguns transistores tentando este inversor. Como mostrado, as portas do inversor são puxadas até 36V pelo resistor de 10kΩ. É possível que o tempo de carregamento do portão tenha destruído os transistores?

EDIT: Acabei de perceber que as classificações máximas para a tensão da porta-fonte nos dois FETs do inversor é de ± 20V. Isso explicaria por que eles fritaram. Hmm, talvez em vez de um único 10kΩ, eu pudesse fazer um divisor de tensão para acionar cada porta separadamente?

Por esses motivos, multiplicadores CW com grande número de estágios são usados ​​apenas quando é necessária corrente de saída relativamente baixa. Esses efeitos podem ser parcialmente compensados ​​aumentando a capacitância nos estágios inferiores, aumentando a frequência da energia de entrada e usando uma fonte de energia CA com uma forma de onda quadrada ou triangular.

  • estudando outros projetos populares de fontes de alimentação Nixie, como esses .

Suspeito que alternar os 36V pelo multiplicador com mais eficiência ajudaria muito a melhorar o desempenho.

EDITAR / RESUMO: A troca eficiente dos 36V pelo multiplicador foi um longo caminho para melhorar o desempenho. Como várias pessoas sugeriram, algo chamado "push-pull" foi uma solução rápida aqui. Um inversor CMOS com portas acionadas separadamente torna a bomba de carga muito mais eficaz:

555 comutação 36V de forma mais eficaz via push-pull

O suprimento agora está em ~ 216VDC quando carregado com dois tubos, uma enorme melhoria:

Cargas muito maiores suportadas


Você provavelmente está causando um curto-circuito nos dois FETs na sua configuração push / pull. Haverá um momento em que os dois dispositivos estarão ligados e dispararão.
Wesley Lee

@WesleyLee Eu acho que estou dirigindo os portões em tensões além do dobro da sua classificação máxima absoluta, mas acho que você está certo mesmo que possa lidar com essas tensões. Como eu disse no OP, o 10k & Omega; o resistor pode estar carregando os portões muito lentamente, causando muito disparo.
Yankee

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Wesley está certo. Apenas limitar a movimentação do portão não serve. Digamos que o Vgs (on) seja 5V para cada um, que está no lado alto para todos, exceto os FETs mais antigos. Isso deixa 25V de alcance no primeiro sinal em que os dois FETs estão ativados. Isso é muito curto-circuito. Direcionar FETs como esse com capacidade de energia requer uma quantidade de tempo morto nos sinais do inversor e pode levar de várias a dezenas de microssegundos.
Asmyldof

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Lembre-se também de que acima de 2 ~ 5mA as baterias podem começar a resistir significativamente às correntes de pico necessárias, o que também causará queda na saída também, porque esses tipos de baterias são notoriamente ruins ao lidar com correntes decentes.
Asmyldof

Respostas:


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Você precisa abandonar Rd do seu primeiro esquema e usar uma saída push-pull de baixa impedância como no segundo esquema. No entanto, como você diz corretamente, 36v brindará os portões de 20v Vgs FETs. Existem poucas pessoas com Vgsmax maior que 20v, e nenhuma que eu saiba com mais de 30v.

Entre as opções estão o uso

a) deslocadores de nível adequados para controlar os portões FET, pequenos bipolares funcionariam bem aqui
b) um transformador de acionamento de porta (embora geralmente usado apenas para aplicações de alta potência)
c) como acionamento push-pull de 18V a partir de duas baterias, mas em puxe, assim ...

esquemático

simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab

Eu ilustrei quatro estágios aqui, a extensão para mais estágios é óbvia.

Agora, eu não conectei o capacitor superior. Existem duas opções

a) Cockcroft Walton stylee, onde você está limitado pela tensão máxima. Aqui, você conectaria C5 à junção D1 / D2. Isso permite baixa voltagem em cada capacitor, mas resulta em alta impedância de saída. Também conhecida como cascata Villard, embora inventada por Greinacher.

b) Bomba de carga Dickson, que resulta em uma impedância de saída muito menor. C5 se conecta de volta à extremidade acionada de C2. Isso significa que o C5 precisa de uma classificação de voltagem mais alta, mas se você puder obter tampas com uma voltagem adequada de forma barata, normalmente 250v ou 400v estão disponíveis, essa configuração terá uma queda de tensão muito menor com a corrente.


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Há uma melhoria adicional que usei no meu design que não ilustrei no esquema. Como no seu esquema, baseei o multiplicador do chão, então levei meu D1 ao chão. Se, em vez disso, esse ponto for levado ao trilho, você obterá gratuitamente uma tensão de saída de um trilho extra inteiro. Impedância de saída - Cockroft Walton aumenta conforme o número de estágios ao quadrado, minha configuração 'all caps back to driver' só aumenta linearmente com o número de estágios, grande economia para um grande número de estágios.
Neil_UK 17/03/19

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a partir dessa página, este é o caminho para acionar um push-pull do MOSFET - talkingelectronics.com/projects/MOSFET/images/PushPull_12v.gif . O uso da versão do amplificador de áudio (aquela com a 'cadeia de diodos'?) É muito complicada e atende a outros requisitos.
Neil_UK 17/03

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Em um cockroft-walton, concentre-se na cadeia de diodos por um momento. Agora conecte a parte inferior ao solo (ou trilho para uma perna livre de um trilho) e a parte superior à saída. Agora observe que nós alternativos são acionados na fase anti-fase. Agora desconecte a extremidade 'acionada' de cada capacitor e traga-os de volta em dois grupos. Agora, conduza os dois grupos em anti-fase, que a antifase pode ser aterrada e um sinal CA, como no cockroft-walton original, ou podem ser dois sinais CA anti-fase, que proporcionam o dobro da oscilação de tensão do seu trilho .
Neil_UK 17/03

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você não precisa usar BJTs, pode usar FETs. No entanto, pequenos FETs explodem com facilidade e, de várias maneiras, os BJTs são mais fáceis de influenciar para coisas como deslocadores de nível. Bem feito por encontrar o nome 'multiplicador de Dickson', esse é exatamente o tipo de coisa que eu tinha em mente.
21717 Neil_UK

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a qualquer momento, feliz em ajudar. Esse é o tipo de coisa que costumávamos fazer um minúsculo multiplicador de Dickson, dois canais, saída de corrente de alta tensão e alta corrente, fácil de dirigir com lógica e minúsculo. maximintegrated.com/en/products/power/power-switching/… Aceite a resposta se você a achou útil #
211 Neil_UK

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RD36.V

Mas certifique-se de que

  • VDS,mumax
  • EuD,mumax

Aprecio soluções que usam indutores, mas não tenho nenhuma disponível. Obrigado pela sua resposta!
21917 Yankee

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@ Yankee: tip: se você tiver uma lâmpada fluorescente compacta quebrada, poderá obter um bom indutor perfeito para o seu objetivo nos electônicos que estão ocultos no soquete plástico (o indutor provavelmente não será a parte quebrada); certifique-se de não quebrar o tubo de vidro. O valor da indutância provavelmente está na faixa de alguns mH. Veja o indutor à direita nesta imagem, com a inscrição "3.5mH"
Coalhada

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Fantástico. Definitivamente vou manter isso em mente se eu estiver em uma pitada. Infelizmente, todas as luzes do meu apartamento são LEDs!
21917 Yankee

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36 V no portão destruirão os dispositivos. Você precisa encontrar os circuitos de direção MOSFET adequados.

|VGSS|<20 V

R1 13.3. kΩ


Push-pull é o que eu acompanhei e funcionou. Sinto muito por não ter escolhido sua resposta. Fui com quem me ajudou a entender o que é push-pull, já que nunca vi isso antes hoje. Obrigado pela resposta.
Yankee

@ Yankee, sugeri push-pull com transistores bipolares normais, não MOSFETs. (Não há problema :-)
skvery 17/03/17

Fora de situações envolvendo amplificadores, por que o push-pull normalmente é feito com BJTs, e não com FETs? @Neil_UK disse, parafraseando um pouco, "o uso de BJTs não é necessário, mas os FETs podem falhar de maneiras inesperadas, e os BJTs podem ser mais fáceis de influenciar". Existem outras razões pelas quais os BJTs devem ser preferidos para colocar e remover cargas nos portões dos FETs, em vez de apenas usar outros FETs? Só acho estranho que eu literalmente não tenha encontrado nem mesmo um exemplo de FETs usados ​​para acionar portões de outros FETs enquanto aprendia sobre "empurrar".
Yankee

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como multiplicador de tensão, sua saída de corrente está inversamente relacionada à sua saída de tensão. portanto, para aumentar a saída atual, você tem duas opções, sem sair da topologia:

1) aumentar a corrente do inversor: o 555 pode fornecer 200ma e seu bs170 alguns ma. você pode tentar um seguidor de emissor como um buffer; ou um driver dedicado;

2) aumentar a tensão do inversor: execute a coisa toda com a tensão mais alta possível;

se eu fosse você, tentaria dirigir o multiplicador diretamente com o 555 primeiro. se isso não fornecer corrente suficiente, pense em uma abordagem diferente, como um conversor de expansão.


Dirigir o multiplicador diretamente do 555 foi a primeira coisa que tentei. A questão não era a capacidade de saída atual do 555, mas a tensão máxima de saída. Eu precisava de muitos estágios no multiplicador e nunca cheguei a 200V. A tensão começou a diminuir depois da 15ª etapa, lol.
21917 Yankee

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Que tipo de bateria você usa? A resistência interna de uma bateria de 9V pode ser bastante alta. Eu acho que um alcalino normal só pode fornecer cerca de 3 A por causa disso. 36V * 3A / 220V é de cerca de 500mA na saída sem considerar nenhuma perda no circuito. Acho que as recargas poderiam ter um desempenho melhor.


Estas são apenas as baterias de 9V do moinho. Para casos de uso geral que podem ser uma preocupação, mas no meu caso específico, estou tirando muito menos de 20mA do final do multiplicador.
21917 Yankee
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