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!

[khach]

Есть ли у кого из присутствующих опыт по намотке ВВ трансформаторов для импульсных магнетронов? Там особенность- бифилярна явторичная обмотка, которая одновременно служит накальным дросселем, т.к токи там достаточно большие.

[ffilin]

Есть ли у кого из присутствующих опыт по намотке ВВ трансформаторов для импульсных магнетронов? Там особенность- бифилярна явторичная обмотка, которая одновременно служит накальным дросселем, т.к токи там достаточно большие.

Накал магнетрона можно запитать через DC-DC преобразователь, Высоковольтные наносекундные импульсы проще сформировать SiC транзисторами.

Вы эту схему из документации на английские РЛС времён второй мировой взяли?

Фёдор, привет.
Нет, это не для ФЭУ. С ФЭУ проблем вообще нет, там напряжение относительно низкое - в пределах киловольта как правило.
Почему это я не смогу работать с использованием намагничивания феррита в оба конца?

Привет Макс.
Дело в том что обратноходовый преобразователь когда в него завершаешь закачивать энергию, после разрыва тока, эта энергия стремиться высвободится и ищет путь, возникает выброс и на первичке и на вторичке, ток с вторички сливаешь в выходную емкость, а выброс на первичке паразитный, гасишь чтобы не пробило транзистор.

В двух тактном (пушпульном) преобразователе, энергия не закачивается в феррит индуктивности, феррит размагничивается током протекающим через вторичку. Да есть индуктивность рассеения есть и при разрыве тока тоже будет выброс, но энергия его будет много меньше чем в обратноходовом.

Если хочешь работать на +-В а не на частной петле гистерезиса как в однотактных сделай мост и ИЕП. то есть нагрузи мост Г-образным однозвенным LC ФНЧ резонансным контуром с рабочей частотой равной резонансу контура нагрузку в паралель конденсатору.

[khach]

Накал магнетрона можно запитать через DC-DC преобразователь, Высоковольтные наносекундные импульсы проще сформировать SiC транзисторами.

Вы эту схему из документации на английские РЛС времён второй мировой взяли?

Проходную емкость этого мифического DC-DC преобразователя не подскажете? А то на него ведь попадает импульс под 10 КВ и длиной в сотни микросекунд. Не поплохеет ли такому преобразователю от такой помехи?.
Схема со времен второй мировой, но ничем не отличается от схем современных морских радаров. Тот же двухобмоточный трансформатор. Только модулятор не лампа а IGBT транзистор или батарея MOSFET транзисторов. Из за этого напряжение питания первичной цепи понизилось до 400-600В ( по сравнению с несколькими киловольтами при использовании тиратронов или ламповых модуляторов во времена ВмВ) , необходимый коэффициент трансформации вырос и проблем с конструкцией трансформатора только прибавилось. если раньше вполне справлялся импульсный трансоформатор 1:4 1:8 то теперь понадобились коэффициенты трансформации более 1:32 или вообще не кратные, так что трансформатор на линии отпадает или имеет неприличные габариты.

[gte]

Проходную емкость этого мифического DC-DC преобразователя не подскажете? А то на него ведь попадает импульс под 10 КВ и длиной в сотни микросекунд. Не поплохеет ли такому преобразователю от такой помехи?.

Не знаю как по остальным параметрам в данном случае, но проходную емкость можно сильно уменьшить применением трансформатора с объемным витком.