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:

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.

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

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

R1 должен быть на два порядка меньше и естественно высоковольтным.

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.

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

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


Моделировал в Multisim, в модели всё прекрасно.


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.


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.

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

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

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

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

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.


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?

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?

На единственное неадкватное R1 давно указано, а в Multisim вероятнее всего такие вот модели диодов.

Да, но мне нужен именно минус на выходе. Вообще-то озоном не пахнет, если пробоя нет при разведённых электродах.


Ну хорошо, уважаемый Plain, я попробую его уменьшить, но кажется я уже проводил этот эксперимент, ничего существенного это не дало, кроме незначительного уменьшения длительности возрастания напряжения на выходе. Я почему вообще ставлю этот резистор, - чтобы максимально облегчить нагрузку Пуш-Пулла. Он питается от +24V, и импульсы тока в первичке могут быть очень большие при таком коэффициенте преобразования.
И всё-таки, может вам знакомы какие-либо практические схемы, проверенные в работе и советы по их реализации, с помощью которых можно было бы сделать такую "зажигалку"? А то я не теоретик, может мне не всё будет и понятно, но нужно чтоб практически работало.


Простите, под просьбой сжать картинку вы имеете ввиду её объём памяти или размеры на экране?

У меня таких задач не было, но если имеется ввиду избавиться от самодельного моточного и беззащитного пуш-пула, можно решить, например, так:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Стандартные 12-миллиметровые дроссели на стенде пробивало при 1200 В, L1 надо набирать из двух-трёх.

Имею в виду именно размер. Прикрепляйте, по возможности, изображения при помощи кнопки "вставить изображение" (вверху), а не "добавить картинку" (внизу). Так она отмасштабируется автоматически.

O, благодарю Вас за схему. Я так понял, что это моя модернизированная схема, и её работа смоделирована в какой-то (пока не знаю какой) программе.
Наверное я попробую её собрать. Вопросы по этой схеме и её возможных доработках я буду писать Вам на личную почту, чтобы не занимать лишнее место на форуме.

ну здрасти, с Вашей ее объединяет только умножитель

Здесь нет ничего личного, поэтому общайтесь на форуме.

Это симуляция в LTspice обыкновенного повышающего стабилизатора из подножного корма, работающего на прерывном токе и с резонансным (потому что условный Кзап>50%) перезарядом всех паразитов.

Ну да, неточно выразился. Я имел ввиду, что к моему прежнему умножителю с тем же количеством каскадов и с теми же номиналами автор приспособил вместо моего Пуш-Пулла Boost-преобразователь на дросселе. Надеюсь автор меня понял.


1) Хорошо, мне так общаться проще
2) Поясните, что эта фраза значит

Ещё вопрос. Почему на графике выходного напряжения присутствуют "иглы", т.е. провалы напряжения в сторону 0. Разве такое бывает в интегрирующей цепи? Это даже на пульсации не похоже. Или в таком временном масштабе так видны пульсации?

Дроссель и ёмкости диодов образуют контур, который начинает работать, когда весь ток дросселя передан в нагрузку и уменьшается до нуля, и таким образом разряжает заряженные ёмкости диодов обратно, вплоть до нуля на ключе (поэтому иголки — это заряд выхода плюс-минус заряд диодов), после чего диод ключа открывается и через него назад, в источник питания, возвращается оставшаяся энергия дросселя.

Я плохо знаком с элементной базой дросселей, больше мотал их сам. Стандартный 12-мм дроссель - это ферритовые гантельки или кольца? Потом судя по схеме максимальный ток дросселя - 3 A. Неужели он выстреливает больше чем на 1kV? Да и максимальное напряжение у Мосфета только 800V. Зачем набирать дроссель из 2-х или трёх последовательных дросселей?

Речь про экранированные гантели:

https://www.terraelectronica.ru/product/30593

У дросселей внутри обыкновенные эмальпровода, и у двух слоёв этой эмали находящихся рядом двух витков (худший случай, начало и конец обмотки, потому что намотаны они внавал) само собой есть напряжение пробоя, а именно, указанные 1200 В, и эта эмаль имеет право сразу или со временем повредиться, поэтому это напряжение пропорционально уменьшится, как минимум вдвое — соответственно, чтобы схема не выгорела, требуется увеличить этот резерв, ну или использовать в качестве дросселя первичную обмотку сетевого обратноходового трансформатора, вроде такого:

https://www.terraelectronica.ru/product/355655

Такие обмотки намотаны в один ряд, т.е. между соседними витками не более десятков вольт, но в резерве у них получаются всё те же два слоя лака, и если эту изоляцию таки пробьёт, дроссель окажется с короткозамкнутым витком, а значит, сразу превратится в простой кусок провода и схема выгорит.

Насчёт индуктивных выбросов — ну Вы же тысячи раз в жизни видели синюю дугу в каждом выключателе освещения, хотя, казалось бы, дроссель из электропроводки никакой.

Да-а, а пуш-пулл то гораздо надёжнее, хотя и мотать самому приходится. И не нужен высоковольтный мосфет.
Мой пуш-пулл собран на LM5030 с ограничением тока ключей 5А, защита в первичке есть. Плюс ещё софт-старт организован с постепенным нарастанием ШИМ. Попробую позамыкать резистор на входе умножителя, авось ничего не сгорит. Если уж и после этого умножитель недозаряжаться будет, то тогда и не знаю, в чём дело, не те детали что-ли мне в СМП продали? Пойду тогда на АЛИ-экспресс к китайцам.


Сжать картинку не получается, пропала кнопка EDIT под первым сообщением с картинкой. Может у вас получится?

Вы бы схемку силовой части нарисовали. Потому что пуш-пуллы разные бывают. Если он с дросселем на входе (питаемый током) - это одно, а если без дросселя (питаемый напряжением) - то другое. Судя по бессмысленной фразе про высокую надежность пуш-пулла, мне кажется, что дросселя там нет.

Очень похоже, что у Вас диоды не на 1000В, а на меньшее напряжение, т.е. не US1M, а US1G или US1J, проверьте маркировку.

На модели в LTspice Вашего умножителя с диодом US1G и spice-моделью от Vishay как раз и видно насыщение в -2.7кВ при увеличении входного напряжения от 200В и выше. Но и на резисторе 6.8кОм при этом видно ограничение импульсов до +-200В. Диоды пробиваются и работают как стабилитроны. Сгорать не успевают в силу ограничения тока и малых емкостей конденсаторов в умножителе.

Дросселя нет, зато есть токовый сенсорный резостор 0,1 Ом в истоковой цепи ключей. Для LM5030 это значит 5А. Надёжность проверена на практике.


Я покупал их под названием HS1M. Благодарю за подсказку. Проверю, сейчас пока умножитель не у меня, друг забрал на тестирование.
... Нет, всё-таки пойду к китайцам
Пардон, ещё один вопросик. Общаясь на форуме, я заметил, что моделирование в LTspise очень популярно. Что скажите, хороший симулятор?

И как же Вы собираетесь с помощью ШИМ что-то регулировать? Используете вместо дросселя индуктивность рассеивания трансформатора?

И что же не так?

При идеальном трансформаторе конденсаторы умножителя будут заряжаться всегда до амплитудного значения напряжения. Потому что они просто подключаются через трансформатор к источнику питания. Если хотите сделать регулируемый пуш-пулл, вот пример не очень удачной, но работоспособной схемы. Из 3 В один 1 кВ.

У автора по факту линейный стабилизатор, за источник тока R1, поэтому ШИ-регулировка работать будет, другое дело, что обратной связи у него нет, LM5030 используется как дорогая тупая молотилка.

А что Вы имеете ввиду под словом "регулируемый", я разве про какую-то регулировку заикался? Мне достаточно того, что пуш-пулл выдаёт на выходе импульсы определённой амплитуды и всё. Мне нужна просто зажигалка, а не стабилизированный источник высокого напряжения. Слово "ШИМ" я употребил по отношению к схеме софт-старта, имея ввиду постепенное нарастание ширины импульсов при запуске пуш-пулла. Ведь у меня умножитель работает как генератор одиночного высоковольтного импульса, до тех пор, пока не пробьёт воздух между электродами. А значит софт-старт должен облегчить нагрузку на выход вторичной обмотки пуш-пулла в момент начала процесса заряда умножителя. А на случай перегрузки вторичной обмотки будет срабатывать защита в первичной на превышение в ней тока больше 5А.
В вашей же схеме на выходе стоит LC-фильтр с выходом 1кВ. И где же я найду конденсаторы на полное напряжение 5 кВ в моём случае?
Вон, слышите, что Plain говорит? "Тупая молотилка" и всё. Друзья, поймите наконец, что проблема у меня не с драйвером умножителя, я его потом может из золота сделаю, а может из дерева. У меня проблема с самим умножителем. почему он не заряжается до 5 киловольт при наличии на его входе импульсов амплитудой аж 400V ?

Вы не поняли. LC-фильтр в моей схеме - это помехоподавляющий фильтр. Для пробоя воздуха он, есс-но, не нужен. Накопительный дроссель подключен к средней точке первичной обмотки трансформатора. Эта топология называется current fed (пуш-пулл, питаемый током).


Так он же собирается его "позамыкать на авось".

Кстати, вот, полюбуйтесь, сам умножитель. Диоды промаркированы HS1M.







А почему питать напряжением то нельзя?

Вам же давно сказали — полосовой фильтр:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

В реальности же, номинальные 10 нФ у керамических конденсаторов маркетологи указывают при нуле на них, а при 650 В вполне может остаться на порядок меньше, ну и безвестные диоды имеют право быть на порядок тяжелее.

Выдался выходной и выдана схема, без которой все предыдущее можно не читать. Вся разгадка в трансформаторе.
Возьмите генератор, подключите к нему первичную (низковольтную) обмотку трансформатора (с подключенным умножителем к вторичной обмотке) через небольшой резистор. Измеряйте осциллографом напряжение на резисторе (ток) и напряжение на первичной обмотке трансформатора (после резистора). Пройдите частоты от 1 до 100 кГц и найдите точки последовательного и параллельного резонансов (точки, где сдвиг фаз ноль - где минимумы/максимумы тока/напряжения). Результат сообщите здесь.

Где б его взять. Покупать надо. До сих пор без него обходился. Лабораторную работу, значит, проделать, как в институте? Хорошо бы. Спасибо, будем искать возможности.
Резистор 100 ом нормально?
Вы имеете ввиду подключить генератор прямоугольных двуполярных импульсов к одной из первичных обмоток?
А мерить то что, сами частоты резонанса или величины тока/напряжения на этих частотах или ещё и напряжение на выходе умножителя?
А вообще как может работать в таком широком диапазоне трансформатор, ведь на малых частотах сердечник ферритовый будет входить в насыщение, если не изменить кол-во витков первички. Т.е. на низких частотах скорее всего неадекватно будет работать сам трансформатор.
(Forgive the kettle)

Можно снять в симуляторе, только потребуется адекватная модель трансформатора.
Можете просто плавно изменять частоту генерации того, что имеете и смотреть напряжение на выходе умножителя. Начните с 10 кГц. Без нагрузки можете получить даже больше чем желаете.

Генератор синуса, резистор порядка единиц Ом, на выходе ничего смотреть не надо.

На 10 кГц уже другой транс мотать надо, индукция в насыщение входить будет.
У меня на схеме пуш-пулла есть переменный частотозадающий резистор 50 кОм на ноге Rt. Я менял частоту от 50 до 100 кГц, никаких существенных изменений не замечал.
Вы хотите сказать, что нормальная работа умножителя возможна только на каких-то резонансных частотах?
И без нагрузки нельзя, напряжение на выходе измерять надо в реальном времени через ОУ.
И почему нужно начинать именно с 10кГц? Ведь на низких частотах скорость переходного процесса на выходе умножителя низкая.
(см. http://www.rotr.info/electronics/theory/en....htm#transient)

А вы не разделяете мнение о несоответствии компонентов (диодов и конденсаторов) заявленным требованиям? Почему я склонен так думать? Потому что собирал однажды умножитель на том же пуш-пулле по двуполярной схеме умножения на 4. На вход давал 170V, на выходе получал 680V на нагрузке! Но я этот умножитель собирал не из SMD-компонентов, а из китайских диодов HER108 и наших плёночных конденсаторов. Так работает всё за милую душу на частоте 50 кГц. Правда там конденсаторы у меня не 10nF, а 100nF, и резистор на входе умножителя 50 Ом. Я конечно мог бы из этих же компонентов собрать и умножитель на 14, но он огромный получится, места много занимать будет. А хотелось поменьше.

Ничего не мешает уменьшить напряжение питания.

Не обязательно, но их необходимо учитывать как и то, что большой коэффициент трансформации.

Мало данных, что бы указать точнее. Самое простое - снять характеристику. Лучше на синусе, на прямоугольнике картинка будет не чистая.
Параллельный резонанс образуется параллельной емкостью колонн умножителя, в том числе емкостью диодов, и индуктивностью трансформатора. Что 10nF, что 100nF не заметны, а вот количество секций влияет напрямую.
Ниже параллельного резонанса нагрузка носит индуктивный характер, выше емкостной, затем последовательный резонанс вместе с индуктивностью рассеяния.
Да, у любого умножителя есть внутреннее сопротивление и выходное напряжение меньше в том числе по этому и по тому, что на каждой следующей секции напряжение немного меньше предыдущей. Диоды надо выбирать с небольшой емкостью.

Вполне разделяю. При расчетах поставьте худший вариант -остаточную емкость для дешевой керамики при используемом напряжении и купите другие диоды не на алиэкспресс. При испытаниях используйте делитель, например, на 200 МОм.