Высоковольтные источники питания для (гео)физики, Довольно общая тема Опции

[TheMad]

Приветствую всех на форуме!
Иногда кажется странной столь низкая популярность "высоковольтного" раздела электроникса. Вроде и высокое напряжение много где применяется, и трудностей там технических ой как много, и специалисты (надеюсь) есть, а на форуме тишина и покой. Может быть где-то ещё в интернете есть секретное место где общаются разработчики высоковольтной аппаратуры?

Поводом для создания темы послужила необходимость время от времени делать высокольтные источники питания для различных физических экспериментов которые можно условно поделить на две группы:
(А) Источник питания со стабилизацией напряжения (иногда управляемые) при небольшом токе (до единиц мА) - как правило питание ФЭУ (это можно с очень большой натяжкой считать высоковольтным БП), ЭОПов, создание коронного разряда в озонаторах оригинальной конструкции и т.п.
(Б) Источник питания для заряда конденсатора применяющегося в импульсном генераторе на газоразрядном приборе - типично, например, что нужно зарядить 200-1500 Пф до 20-100 кВ 10-500 раз в секунду.

В скором времени у наших геофизиков будут стоять задачи экспериментировать в полевых условиях, это накладывает ограничения на массогабаритные показатели оборудования.
И вот тут-то и начинается самое интересное. При отсутствии массогабаритных ограничений, а также при наличии в ближайшей стене розетки 220 вольт такие вещи делаются без особых проблем.
При переходе на автономные источники питания возникает желание в оптимизации КПД и массогабаритных показателей, а с этим всплывает масса подводных граблей.
По этой причине хотелось бы послушать людей с опытом, ну или хотя бы рекомендации правильной литературы по этому вопросу, ибо общего плана книг много, а конкретики обычно никакой.

Как бы вы строили следующие устройства? (тем же напишу собственные мысли для критики и волнующие меня вопросы):

(А) Зарядное устройство заряжающее два конденстаора по 500 Пф относительно общего провода, один в плюс 40-50 кВ, другой в минус. Напряжения на конденсаторах должны быть одинаковы по модулю в пределах +-5-10%, чем одинаковее тем лучше. После полной зарядки в произвольный момент времени происходит разряд этих конденсаторов практически до нуля через внешние цепи нагрузки, после чего нужно произвести заряд снова. Процесс заряда должен занимать 100-200 мс так как через 200 мс или около того конденсаторы снова будут разряжены.

(мысли для критики) Эти заряженные конденсаторы - 1.25 джоуля всего. Зарядить их за, скажем, 100 мс - всего 12.5 ватт. Чтобы много не мотать и обеспечить симметричный относительно общего провода сигнал на вторичной обмотке можно использовать схему типа флайбэка, модифицировав её следующим образом: первичная обмотка делается с отводом от середины, в цепи стоков ставится по быстрому диоду в прямом направлении. Таким образом мы получаем "двухтактный флайбэк", с вторичной обмотки которого двухполупериодным выпрямлением можно получить искомое. Прикидка трансформатора (скорее двухобмоточного дросселя) на сердечнике http://www.farnell.com/datasheets/1872306.pdf с зазором 0.5 мм даёт (при 12-вольтовом питании) порядка десятка витков первички.

(волнующие меня вопросы) Где та грань до которой выгоднее (размер, вес, КПД) домотать витки, а после которой увеличить коэффициент умножения выходного умножителя? Какой способ ограничения\стабилизации выходного напряжения выгоднее применять: ШИМ или ЧИМ? ЧИМ кажется выгоднее энергетически: при правильной работе за один импульс передаётся наибольшее кольчество энергии во вторичную цепь при наилучшем соотношении "прокачка\потери". Как монтировать такого рода устройство и что использовать в качестве компаунда для его заливки? При экспериментах с трансформаторным маслом было обнаружено что из-за его подвижности происходит ощутимая утечка заряда с высоковольтных цепей. Какие и с каким коэффициентом запаса компоненты выбирать?

(Б) То же что и (А), но не зарядник конденсаторов а источник напряжения. Выход - +- 40-50 кВ, ток - 1-3 мА.

(мысли для критики) Судя по наличию портативных рентгеновских аппаратов для стоматологии задача вполне разрешимая при малых размерах и массе и (вероятно) при хорошем КПД. Но ни разу не удавалось найти сервисмануала на такого рода технику.
Волнующие меня вопросы аналогичны предыдущему пункту.

Гуру высокого напряжения, ау!

[rudy_b]

Ну схемы питателей не проблема, их есть много, но, в основном, от сети (хотя, на мой взгляд, это совершенно непринципиально).

Вряд ли вы найдете что-то серьезное во вашему вопросу, кроме питателей детекторов, ФЭУ и т.п. - вот там потребление вылизано.

Тут есть неплохой общий обзор и ссылки.

Флайбэк плохо подходит если приходится использовать умножители - не обеспечивает обратный перезаряд емкостей умножителя (хотя тут есть варианты).

На мой взгдяд, оптимальным, но непроверенным (только модель) решением является использование индуктивности рассеяния высоковольтного транса вместо последовательного дросселя со стандартным пушпулом - это обеспечивает нормальную работу на емкостную нагрузку.

Основная проблема маломощных источников - емкость высоковольтной обмотки - именно она гадит КПД. Но можно использовать квазирезонансный режим.

В общем, слов можно много сказать, но вот полноценного и всестороннего обзора этого вопроса ни разу не встречал. Проще сделать и вылизать. При мощностях до пары кВт особых проблем нет.

[TheMad]

Спасибо за ответ и ссылку на статью, четвёртая её часть довольно полезна. Но всё равно не покидает ощущение того что статья могла бы быть и более подробной, с аргументацией применения тех или иных технических решений.
Также есть ощущение что про диаметр провода для первичной обмотки (часть 4, раздел "высоковольтный блок(генераторное устройство)) немного приврали: два трансформатора имеют суммарную мощность 250+ Вт (250 Вт выходная плюс все потери в выходных умножителях и прочих цепях), а первичная обмотка намотана проводом диаметром 0.25 мм при первичном питании 200 вольт, это даёт плотность тока около 25 А\мм2 если не учитывать потери. Вероятно там опечатка или небольшое преднамеренное искажение.
Ну и конечно же габаритные размеры не идут ни в какое сравнение с, например, вот этим прибором: http://www.posdion.com/eng/pro/rextar_x.html - там в небольшую коробочку весом всего 1.6 кг умудрились запихать источник 70 кВ 2 мА, аккумулятор и саму рентгеновскую трубку. Я прекрасно понимаю что режим работы у такого устройства возможен только импульсный из-за отсутствия необходимого теплоотвода, но всё равно достигнутый результат кажется фантастикой.


Как я вижу "двухтактный флайбэк":



Диоды включаются в цепи стоков чтобы при возниновении импульсов ЭДС самоиндукции на одном плече обмотки они не открывали body diode транзистора противоположного плеча. Транзисторов с достаточно большим напряжением сток-исток сейчас много и они довольно быстрые для работы в таких схемах. Такого рода схема позволит сильно уменьшить число витков, а с ним и ёмкость вторички, снижая потери на перезаряд этой ёмкости.

Да, использование части индуктивности рассеяния высоковольтной обмотки "в качестве дросселя" - вполне повсеместное явление.

[gte]

У вас потребный диапазон от единиц Вт до 7,5 кВт.
Разные диапазоны по мощности и напряжению, разная схемотехника.

Если вы умеете делать от розетки, то миниатюризация при требуемой надежности до уже кем то достигрутых габаритов это вопрос времени и денег. При условии, конечно, что от розетки делали не с 10 кратными запасами.

В качестве иллюстрации.
Конденсатор выводной Murata на 1000 пФ 15 кВ стоит заметно меньше доллара, а в smd исполнении будут раз в 20 и более дороже. При 100 кВ их 40 - 60 шт.
Для получения минимальных габаритов потребуются расчеты, подтверждение реальными тестами, что еще затратнее при малых тиражах и это требует времени.

По КПД. На 100кВ и 100Вт реальные значения КПД до 85% (по памяти) от питания постоянного тока до выхода при максимальной нагрузке (по переменке на такой мощности точность низкая, измеритель Fluke 39). Данные того же Спеллмана, близкие. Оно и понятно.
Потери в вв трансформаторе, потери на перезарядку в умножителе напряжения (УН), потери из-за паразитных емкостей в УН. Они больше связаны с напряжением, чем с током. При минимальной нагрузке, естественно, КПД не пропорционально уменьшается.

При минитюаризации возрастают требования к изоляторам (компаундам). Потребуется оптимизация частоты преобразования. С увеличением частоты уменьшаются физические габариты, но растут потери.

Чем ниже питание, тем больше коэффициент трансформации. На 100Вт при 12В, по моему мнению, выгоднее будет применить повышаюший DC-DC преобразователь. На 10Вт можно и напрямую, если КПД позволяет.

Выгоднее взять большее переменное напряжение для умножения. Но с повышением напряжения есть проблемы с электроизоляцией и элементрой базой. В первую очередь с конденсаторами УН. Выше определенного напряжения (10-15 кВ) выбор их сильно ограничен, а цены и габариты растут.
По элементной базе смотрите здесь.

Трансформаторы на ETD, на мой взгляд, делать проблематично, посмотрите на U образные, но выбор невелик.
Обязательна заливка с вакууммированием.

[rudy_b]

Да ничего особенного и никакой фантастики, довольно стандартные параметры.

Неплохие модули (до 10 кВ) есть у EMCO - например такой.

[gte]

Да ничего особенного и никакой фантастики, довольно стандартные параметры.

Неплохие модули (до 10 кВ) есть у EMCO - например такой.

Ну да стандартные.
Пожалуйста приведите пример источника честных 70 кВ/2 мА в габаритах этой штуки.
Между 10 кВ 1,25Вт и 70кВ 140Вт очень большая разница.
Очевидно, что там 70 кВ и 2 мА в импульсе. На источник энергии посмотрите.

[rudy_b]

К сожалению не смогу дать ссылку на самый правильный аппарат, но вот некоторые другие:
150 кВ
150 кВ
180 кВ
200 кВ
250 кВ
300 кВ
300/500 кВ
и много аналогичных
Это - 70-ые годы, в основном - Буревестник. Сегодня он, практически, умер.

Были и гораздо более эффективные аппараты, но это военка и информацию не получить, в частности рентгеновский высотомер для спускаемых космических аппаратов и т.п.

Есть еще несколько с еще лучшими параметрами, но они не были промышленными и ссылок на них, скорее всего, нет.

На современных комплектующих не проблема сделать еще меньше. Например такой, такой, такой или такие.

Ну а стоматологических аппаратов с близкими параметрами вообще куча.

Вот более мощный вариант, подобных много.

Так что никакой фантастики (особенно с учетом цены такой игрушки) тут нет.

[gte]

К сожалению не смогу дать ссылку на самый правильный аппарат, но вот некоторые другие:
Так что никакой фантастики (особенно с учетом цены такой игрушки) тут нет.

Конечно нет, как и нет честных 70 кВ/2 мА.
Да, напряжение делите на 2, так как в рентгеновских трубках принято использовать два УН разной полярности, а декларировать их как один на сумму напряжений.
Впрочем, их и сравнивать нельзя не имея данных о встроенных источниках.
Смотрите габариты промышленных источников длительной непрерывной работы работы.

[rudy_b]

...Да, напряжение делите на 2, так как в рентгеновских трубках принято использовать два УН разной полярности, а декларировать их как один на сумму напряжений.

В промышленных рентгеновских аппаратах это, как раз, не принято. Анод трубки практически всегда заземлен - отвод тепла. Это допустимо только в маломощных трубках.

Но в малогабаритных аппаратах с кратковременным режимом работы (стоматологических и т.п.) вероятно делают именно так, это проще.

[TheMad]

У вас потребный диапазон от единиц Вт до 7,5 кВт.

Думаю что скорее потребный диапазон ограничивается сотнями ватт: пока не было задач где максимальные напряжения до которых надо зарядить конденсатор шли одновременно с максимальными частотами разряда. Большие частоты импульсов - как правило в пределах 15 кВ.
Можно ли где-то посмотреть на практическую схему источника питания на 100 кВ 100 Вт с КПД 85%? Очень интересно было бы. Чувствую что на моём уровне лучше посмотреть на то как делают другие и возможно повторить в точности чтобы прочувствовать это дело получше.
Про компаунды понимаю, вакуумная заливка есть.

rudy_b,

Импульсные аппараты - немного из другой оперы. Там заряд накапливается на конденсаторах на напряжении порядка 10 кВ, к ним через разрядник подключен трансформатор который (сам по себе или с разрядником-обострителем) создаёт импульс 100-300 кВ длительностью в наносекунды.
А вот за ссылки на миниатюрные генераторы рентгена спасибо! Не видел таких мелких. Рентген как таковой меня не интересует, но увидеть бы что внутри этих прекрасных коробочек! Возможно как раз только рентген и поможет: скорее всего там всё залито наглухо.

Сообщение отредактировал Herz - Oct 19 2015, 12:17

Причина редактирования: Избыточное цитирование

[gte]

Можно ли где-то посмотреть на практическую схему источника питания на 100 кВ 100 Вт с КПД 85%? Очень интересно было бы. Чувствую что на моём уровне лучше посмотреть на то как делают другие и возможно повторить в точности чтобы прочувствовать это дело получше.

Увы, нет. А под схемой Вы понимаете все включая трансформатор и умножитель ?
Как я уже написал ранее, основные потери в трансформаторе и умножителе.

[TheMad]

Конечно включая. И скорее даже не схему а конструкцию и используемые материалы.

[rudy_b]

Посмотрите тут и тут, ну и тут есть полезная информация.

[Tarbal]

Как я вижу "двухтактный флайбэк":


Диоды включаются в цепи стоков чтобы при возниновении импульсов ЭДС самоиндукции на одном плече обмотки они не открывали body diode транзистора противоположного плеча. Транзисторов с достаточно большим напряжением сток-исток сейчас много и они довольно быстрые для работы в таких схемах. Такого рода схема позволит сильно уменьшить число витков, а с ним и ёмкость вторички, снижая потери на перезаряд этой ёмкости.

Да, использование части индуктивности рассеяния высоковольтной обмотки "в качестве дросселя" - вполне повсеместное явление.

Давным давно собирал такую схему импульсы не плавно уходили на ноль, а были затухающими осцилляциями. Если между стоками поставить такой конденсатор, что колебательный контур будет иметь резонанс равный частоте возбуждения, то получите синус на катушке. Скважностью регулируется его амплитуда. Диоды стоят, чтобы при осцилляции отрицательная полуволна не убила транзистор. Диод на разрыв меня напрягает. Если обратный ток диода будет выше чем у транзистора, то не защитит. Поставьте еще один параллельно транзистору.

[ffilin]

Привет Макс !!!

Если тебе нужны блоки питания для ФЭУ попробуй tracopower
не хватит тока поставь активный делитель из последовательно соединённых эмиттерных повторителей, базы на резисторы, эмиттеры к динодам.

На большие мощности до 200вт используй обратноходовый преобразователь, по схеме звенящего контура. Описание алгоритма работы и идеологии этого высоковольтного источника в приборах и техники эксперимента.
Делал подобные источники и для авиационных строб маяков, там заряжал две банки 1000мкф, до 450в на 1 сек.
диод и транзистор практически не грелись.
сейчас делаю "игрушку" для сына, чтобы его всякие придурки в школе не трогали.
Видео работы преобразователя

Твоя схема с двухтактым флайбеком работать не будет, точнее может ты и получишь на ней высокое напряжение на холостом ходу, но использовать 2B т.е. работать от -B до+B феррита, ты не сможешь и габаритную мощность не получишь.

Если нужна киловатная мощность, то тут нужно использовать мостовой ИЕП (индуктивно-емкосной преобразователь) Смысл которого в том что в диагональ моста включается последовательный колебательный контур, индуктивность которого это индуктивность расселения трансформатора, а ёмкость это межвитковая емкость высоковольтной катушки. Иногда этих паразитных параметров не хватает и нужно параллельно выходу добавить ещё емкость, а последовательно с выходом моста и входом трансформатора индуктивность. Естественно всё в резонанс. Когда работал в НИИ, которого уже нет, мы на этом принципе делали 600вт. БП импульсных лазеров, которые помещались в маленькую коробочку и работали от 27в борт сети спутника. Если нужна минимальная масса и объём, то делай ИЕП, если простота и дешевизна схемы обратноходовый. В ИЕП трансформатор работает от +В до -В, всё что можно из него выжать, выжмешь, но это актуально на больших мощностях, свыше 500вт.

ИЕП это рисунок 19, только вместо тиристоров транзисторные ключи, и емкость подключить, не ко входу трансформатора, а к выходу поделив на коэффициент трансформации в квадрате. ссылка на рисунки

Сообщение отредактировал ffilin - Feb 12 2017, 04:54