Умножитель 360V - 6kV не даёт больше 3kV Опции

[Уголев Антон]

Понадобилась «зажигалка» с напряжением пробоя от 5 до 6 кВольт. Есть простые схемы на дросселях или импульсных трансформаторах, но такие варианты не устраивают, поскольку напряжение пробоя должно быть однополярным импульсом, постепенно нарастающим в течение 10-20 миллисекунд до 5...6 кВольт (не более!), а после пробоя как можно быстрее спадающим до нуля, при условии отключения процесса заряда сразу после пробоя. Для этой цели был собран макет умножителя напряжения на диодах и конденсаторах.
Характеристики умножителя:
- Количество ступеней умножения - 14
- Диоды импульсные smd HS1M (Uобр.= 1000В, trr=35nS) - 14шт.
- Конденсаторы smd керамические, диэлектрик X7R, 1000V, 10nF - 14шт.
- Частота подаваемых на вход импульсов - 50…100 кГц
- Входные импульсы двуполярные от Пуш-Пулл преобразователя, амплитуда - 360V
- На выходе умножителя стоит нагрузка сопротивлением 20 мОм для измерительных целей
Схема заработала, но не совсем так, как ожидалось. Проблема в том, что сначала при повышении амплитуды импульсов, поступающих на вход умножителя (это делалось вручную повышением напряжения питания импульсного трансформатора Пуш-Пулла), напряжение на выходе увеличивалось пропорционально, но при достижении где-то 3кВольт как будто наступает «насыщение» умножителя, и выходное напряжение дальше почти не растёт. Даже когда амплитуда входных импульсов достигала 400V.
В результате надёжный пробой наступает при воздушном промежутке между электродами меньше 1 миллиметра, а надо, чтобы пробивало 2 мм.

Если кто-нибудь имел дело с такими умножителями, подскажите, пожалуйста, как это решить. А может быть существуют какие-либо другие схемные решения для получения заданных характеристик высоковольтного импульса? Буду благодарен за советы и помощь, поскольку высоковольтной импульсной техникой раньше не занимался.

Прилагаю схему умножителя:

[TrestConsom]

Расчет по схеме показывает, что все должно работать. Указанная неисправность (ограничение выходного напряжения определенным значением) часто характерна для уменьшенного, относительно указанного на схеме, сопротивления нагрузки. Сейчас это R2+R3=20 МОм, что дает выходной ток 150 мкА. С учетом входного тока 100 мА, коэффициента умножения 14:1 и возможного КПД 15...50% выходной ток д.б. не менее 1 мА. Смотрите сопротивление нагрузки, где-то есть утечка.

[wim]

Схема заработала, но не совсем так, как ожидалось

Если Вы хотите получить 1,8 Вт с выхода умножителя, начните с моделирования. LTSpice, например.

[HardEgor]

Проблема в том, что сначала при повышении амплитуды импульсов, поступающих на вход умножителя (это делалось вручную повышением напряжения питания импульсного трансформатора Пуш-Пулла)

А вы наблюдаете повышение амплитуды импульсов на выходе трансформатора? Или только предполагаете?

[Plain]

R1 должен быть на два порядка меньше и естественно высоковольтным.

[TrestConsom]

Прошу прощения. Не сразу углядел резистор R1 на входе. Убирайте однозначно, он значительно ограничивает входной ток. Просто высчитайте входную постоянную - 68 мксек, гораздо больше периода входных импульсов. Именно в их соотношении (постоянная времени и период входных колебаний) уменьшается максимальный выходной ток относительно ожидаемого/расчетного.

Сообщение отредактировал TrestConsom - Sep 18 2018, 07:05

[Plain]

Выходное напряжение можно пропорционально снимать и с C7, тоже обычным объёмным высоковольтным резистором.

[Уголев Антон]

А вы наблюдаете повышение амплитуды импульсов на выходе трансформатора? Или только предполагаете?

Да, импульсы я вижу на осциллографе TEKTRONIX, причём после входного токоограничительного резистора, т.е. фактически это напряжение на 1-м конденсаторе.

Если Вы хотите получить 1,8 Вт с выхода умножителя, начните с моделирования. LTSpice, например.

Моделировал в Multisim, в модели всё прекрасно.

Прошу прощения. Не сразу углядел резистор R1 на входе. Убирайте однозначно, он значительно ограничивает входной ток. Просто высчитайте входную постоянную - 68 мксек, гораздо больше периода входных импульсов. Именно в их соотношении (постоянная времени и период входных колебаний) уменьшается максимальный выходной ток относительно ожидаемого/расчетного.

А как же тогда я вижу на осциллографе импульсы, естественно с заваленными фронтами, на 1-м конденсаторе после этого резистора? Тогда бы он не заряжался до 400V? Причём явно с насыщением, а не на участке крутого подъёма фронта.

Выходное напряжение можно пропорционально снимать и с C7, тоже обычным объёмным высоковольтным резистором.

Ну да, вероятно можно после отладки и уверенной работы, просто мне пока нужно убедиться, что заряд доходит до последней ступени в полном объёме. А потом ещё у меня задача, чтобы после пробоя всё быстро разряжалось, поэтому этот резистор на выходе ещё и для разряда нужен.

[Herz]

И не великоват ли обратный ток у этих диодов?
П.С.Картинку сожмите, пожалуйста.

[тау]

А может быть существуют какие-либо другие схемные решения для получения заданных характеристик высоковольтного импульса?

лучше + делайте чем - на выходе.
меньше утечек в воздух , Вы ж не люстру Чижевского делаете , верно ?

[Yuri7751]

360 (400) - это действительно амплитуда (т.е. +360\-360 на вторичной обмотке) или peak-to-peak? А то тут бывают разночтения.

[Yuri7751]

лучше + делайте чем - на выходе.
меньше утечек в воздух , Вы ж не люстру Чижевского делаете , верно ?

Не сочиняйте. Какие "утечки в воздух" на трёх-то полученных киловольтах? Какая люстра?

[Уголев Антон]

360 (400) - это действительно амплитуда (т.е. +360\-360 на вторичной обмотке) или peak-to-peak? А то тут бывают разночтения.

Да, это именно амплитуда переменного напряжения относительно нуля входных импульсов, получаемых с трансформатора Пуш-Пулла. Вообще-то я сам не совсем понимаю, почему я вижу такую картинку, ведь справедливо было подмечено, что постоянная времени заряда первого конденсатора при таком номинале резистора 6,8 кОм и ёмкости 10nF равна 68 мкСек, а период колебаний входного напряжения 10...20 мкСек. И тем не менее я вижу не пилу, а почти прямоугольные импульсы.

И не великоват ли обратный ток у этих диодов?
П.С.Картинку сожмите, пожалуйста.

Вы знаете, да, меня тоже мучают смутные подозрения, но не сам обратный ток в установившемся режиме обратного постоянного напряжения, а выброс обратного тока, который возникает за время trr (reverce recovery time) при переключении диодов из открытого в закрытое состояние. Это только моё предположение, поскольку практик в таких вещах я никакой. Но по логике я начинаю подозревать, что при таких малых емкостях - 10nF диоды сначала заряжают конденсаторы, а при переключении не удерживают этот заряд и сливают его.
Друзья, подскажите, моё предположение верно, или на практике такого не бывает?

[Plain]

На эквивалентой схеме конденсаторы образуют с сопротивлением источника ФВЧ, а ёмкости диодов ФНЧ — таким образом, умножитель является полосовым фильтром.

[Уголев Антон]

На эквивалентой схеме конденсаторы образуют с сопротивлением источника ФВЧ, а ёмкости диодов ФНЧ — таким образом, умножитель является полосовым фильтром.

Т.е. вы хотите сказать, что на таких частотах умножитель вообще в принципе неадекватен как умножитель?