Como posso projetar um circuito que possa ser carregado em torno de 10kV (entre 5 e 20kV é bom) a partir de duas baterias AA (~ 3V)?
A dificuldade nesta questão é entender alguns dos requisitos, por isso abordarei isso primeiro porque, sem respostas, é discutível que isso possa ser respondido corretamente.
Em primeiro lugar, a carga será aplicada depois que a tampa de saída for carregada na tensão necessária? Se a carga estiver presente o tempo todo durante o "processo de carregamento", a energia necessária será muito mais do que algumas das respostas e comentários antecipam. Eu não acho que uma solução seja viável se a carga estiver sempre conectada, por isso suponho que não.
O OP também diz que "a corrente de saída será limitada no máximo a 20 mA". Isso é um requisito da solução ou algo externo a esta pergunta? Isso precisa de uma resposta, mas por enquanto estou assumindo que não é necessário na solução.
Proposta - Será necessário um transformador que intensifique a alimentação de 3V (nominal) para provavelmente cerca de 800Vp-p. Com um MOSFETs primário e dois canais N divididos, uma tensão pp primária efetiva de cerca de 12V (menos um pouco de perda) deve ser atingida. O secundário terá, portanto, entre 70 e 80 vezes as voltas do primário:
Eu acho que isso é razoável e com uma frequência de comutação decente de até 1 MHz. Por experiência, não acredito que um transformador com mais de 100: 1 passo a passo seja prático - com muita perda.
Os MOSFETs não serão itens comuns. Eu acho que eles precisarão ter uma classificação de 60V e uma resistência abaixo da área de 10 mili-ohm. Baixa capacitância de dreno também é um requisito. Mais detalhes depois, enquanto penso e simulo.
Dirigir os MOSFETs também é complicado. É provável que eles precisem ser acionados com tensões de porta de 10 ou 12V e isso significa que um pequeno conversor de impulso será necessário para alimentar o circuito de controle do switch a partir de 3V. Este não é um grande problema. Eu considerei que o booster fornecesse energia ao primário do transformador, mas essa é uma fonte significativa de ineficiência e acredito que uma maior taxa de voltas no transformador seja a melhor idéia.
Há detalhes no controlador do comutador que precisam ser resolvidos, como se fosse um arranque suave gradual para aumentar a tensão o / p, impedindo que as baterias "colapsassem" sob a "pressão".
Os estágios finais seriam vários (menos de 10) multiplicadores cockcroft walton e acho que os diodos usados precisarão de uma seleção cuidadosa. Mais detalhes depois - tenho um em mente, mas deixei minhas anotações no trabalho e minha memória está me decepcionando!
Desculpe, ainda não tenho todos os detalhes, mas é claro que a pergunta é "como posso projetar um circuito", ou seja, como o OP pode projetar o circuito.
Adições às segundas-feiras
Aqui está o circuito básico que eu criei - ele gera um pouco mais de 6kV e decidi optar por FETs com classificação de 40V no final, porque limitei a fem de volta com zeners de 18V: -
Aqui está a saída após a aplicação da bateria. O display inferior é a tensão e a corrente de dreno do FET obtidas da bateria através de 0,1ohms em série: -
Para superar a resistência inerente à bateria, usei um indutor de 1mH e um capacitor de 5uF para atuar como um impulsionador de tensão durante a inicialização. A melhor maneira de fazer isso seria provavelmente carregar um capacitor de tamanho decente (1000uF) até 5V por um período de tempo permitido e deixá-lo agir como um impulso para obter uma saída de + 6kV, depois retornar à bateria de 3V para economizar energia. para manter a saída em 6kV. Como alternativa, como o OP deseja apenas um período de 20ms de alta tensão na saída, o 1000uF pode ser suficiente para manter as coisas razoavelmente estáveis durante esse período e, se não for, aumentar para 10.000uF.
Não é mostrado o conversor de impulso que alimenta o oscilador de 1 MHz. Existem vários dispositivos da tecnologia Linear que executariam essa função. É necessário 12V para dirigir os portões.
Impressão pequena
O secundário do transformador precisa de cuidados no enrolamento para manter a capacitância abaixo de 10pF. Não vou entrar nisso, mas basta dizer que o circuito de saída depende de ressonância secundária e, portanto, uma tampa de corte de 20pF deve ser usada para otimizar a tensão de saída sem ressonar demais e causar grandes ineficiências na transferência de energia.
Lembre-se de que isso poderia matá-lo facilmente se você não tomar cuidado. Esteja avisado.