Всем доброго времени суток.

Необходим совет по построению DC/DC-преобразователя со следующими параметрами:
1. Входное напряжение +5В
2. Выходное напряжение +5В (0,025А)
3. Гальваническая изоляция между первичкой и вторичкой не менее 100кВ

Самая простая идея, которая пришла в голову:
1. ферритовый стержень около 7см длиной, пропущенный через стеклотекстолитовый (полимерный) кубик с двумя катушками на концах
2. первичка подключена к генератору (меандр амплитудой 5В)
3. вторичка - диод, конденсатор, балластный резистор, ограничительный стабилитрон, линейный стабилизатор.

Есть опыт работы с ШИМом UC3845BD1, но не хотелось усложнять схему и вводить цепи обратной связи.

Интересует, как себя поведёт феррит при таких требованиях на изоляцию? Как лучше выполнить конструктив? Какая требуется толщина пластика между ферритом и катушкой? Есть ли линки на литературу по построению высоковольтных схем?

1.Многое зависит от других требований.
2. Если других требований нет (например, изделие лабораторное "на попробовать") то можно делать как угодно, только учтите большую индуктивность рассеяния и низкий кпд. Стеклотекстолит применять не стоит лучше оргстекло, например. Еще лучше залить высоковольтную часть чем нибудь. Можно, например, церезином. Это проще чем компаундом. При отсутствии острых углов и т.п. хватит 10 миллиметров.
Эти рекомендации не применять для промышленных изделий.

Изоляция какого типа? Кратковременная перегрузка? А рабочее напряжение между изолированными частями какое?

Изделие промышленное. Тип изоляции - попадание молнией в объект, от которого отвод в измеритель (отдельную коробку с несколькими каскадами защиты и экраном), который разделён на две изолированные части - ПНЧ и контроллер.
Понятно, что молния - не 100кВ, но требования таковы, поскольку есть всё же защита, а пока оная срабатывает, разряд не должен пройти до контроллера.

Дело не в молнии. От нее изоляцией не защитишься. Какое рабочее напряжение изоляции 1кВ-3кВ (сеть 220В/380В) или что? И как по ТЗ будет/должна проверяться защита на этих 100кВ? Если подачей реальной постоянки 100кВ на любое (даже минимальное) время, то от каких либо поверхностных контактов и изоляторов следует сразу же отказаться. Такую изоляцию обеспечивают разнесением проводников в пространстве и помещением их в специальную изолирующую среду (вакуумированное место, например). Иначе по поверхности феррита/текстолита/пластика и т.п. пробьет на испытаниях с 99,9% вероятностью.

Текстолит гигроскопичен, а феррит довольно хорошо проводит ток.
У меня друзья-физики делали когда-то датчик тока по цепи +220кВ следующим образом: ставили небольшую солнечную батарейку, от которой питался микроконтроллер и АЦП. Светишь на нее с метра настольной лампой - в ответ пару раз в секунду по радио на частоте 433.920 приходит значение тока, которое принимается и поступает в компьютер.

Феррит электропроводен.

Как вариант - применение "безжелезного" трансформатора. Наподобие проксимити карт. Питание происходит "по воздуху", а передача данных шунтированием приемной катушки.

Правда, наведется в катушках от тока молнии, наверное, нехило.

rezident
Мда, замечания неутешительны Заливка полимером лишит ремонтопригодности в случае выхода из строя, а в вакуум не поместить прибор. Изоляция по ТЗ никак проверяться сейчас не будет. Максимальное доступное испытательное сейчас есть 5кВ, ну 27 достану. Прибор должен измерять потенциал на внешней броне/экране многожильного кабеля, на которую может попасть молния. Необходимо защититься от её проникновения в цепь контроллера, если это вообще возможно.

TheMad
О солнечной батарее я думал, но по требованиям необходимо выдавать значение потенциала на кабеле с частотой 300-1000ksps, а по той схемотехнике, что удалось подобрать, получается не менее 60мВт постоянного потребления, доступны же элементы на 0,4мВт.
После всего сказанного насчёт ферритов думаю об использовании автономного источника (батарейки) и пространственного разнесения

maximiz
Как раз с передачей данных проблем нет - буду использовать быстродействующую пару: инфракрасный светодиод - pin-фотодиод, а насчёт питания "по воздуху" тоже думал, но не знаю, какую "мощу" можно развить и какими методами (без использования магнетрона )

Ту же солнечную батарейку, тока светить на неё лазерной указкой. Любимый студенческий трюк

60мВт указкой - весьма сомнительно

Если порядок такой же, то можно и по воздуху.

Собственно говоря, а что мешает сделать трансформатор с развязкой первичка-вторичка в 150- 200 кВ?

Ответ: ни-че-го. Проводки, которыми подключается труба в рентгенкабинете как раз имеют такую прочность изоляции.
Дык, и намотать по два виточка можно. На заземленном ломике.

Как вариант к размышлению, тередача энергии механическим способом, например моторчик - изолированый стержень (и тп) - генератор.

Так его вариант и есть нечто подобное.
Могу сказать, что в конце 80-х реально делались трансформаторы с зазором для передачи нескольких сот Ватт для питания электроники под напряжением до 700 КВ. Правда изоляция была элегазовая и зазор был, относительно, небольшой. Трансформаторы, естественно, были резонансные.



Вакуум это там где действительно необходимо, при том, что он не лучший изолятор.
Только заливка может гарантировать определенное пробивное напряжение, но от молнии вряд ли спасет изоляция на 100КВ.

Солнечные элементы обеспечат вам необходимые параметры. Кроме того обеспечит и электромагнитная волна. Но лучше применить аккумуляторы.

Я тут посчитал - пальчиковая батарейка Duracell дает 2 ампер-часа(2-2,5 ватт-часа.). Взять 6 штук - 12 Вт*часов. 60 мВт будет давать 200 часов. Недели полторы. Пробой по воздуху в худшем случае 10 кВ/см. То есть 100 кВ может дать искру 10 см.
Стержневой транс вполне реален, можно иметь 6 мм катушка-стержень и 10-12 мм между катушками. Можно надеть на стержень подходящую пластмассовую трубку.
Есть еще магнитодиэлектрики, но подозреваю, что на пробой их никто не проверял
Резонанс, ессно, необходим - можно сделать параллельный контур. Килогерц 100. Без заливки нечего и пробовать. Церезин при случае запросто можно выковырять, он похож на воск.

Лазерная указка дает 5 мВт излучения(я мерил при свежих батарейках), при этом жрет 50 мА. У фотодиодоф КПД тоже не очень - 10-20 процентов.

Можно, конечно, поставить галогеновую лампочку ватт на 10, сделать ей нормальную фокусировку и такой себе световод. Из оргстекла.

Всем спасибо. Остановлюсь, наверное, всё же на идее с ферритовым стержнем и возможной полимерной заливке. Попробовали заказчику объяснить сложность выполнения условий 100кВ и необходимости снижения хотя бы до 20кВ, ждём ответа.

1) в качестве среды передачи данных можно наверно использовать пластиковое оптоволокно от например Avago (раньшн Agilent) оптоволокно длинной 500мм 100кв наверно выдержит, а лучше метр и скорость минимум 10мбит

2) питание как вариант ИМХО : мторчик крутит диэлектрический стержень, а на том конце генератор (постоянный магнит мимо катушки вертится или что то типа этого...)


З.Ы. Молния, она же дура, не оценит ваши старания и все спалит на.. ИМХО

Защиту правильно надо делать. Разрядник на 100 кВ - и на заземление. Тогда, скорее всего, девайс переживет удар молнии. Если от наводок не сгорит. Кстати, верхнюю часть защитить просто - экранировать, и все. Землю правильно присоединить, а то и не присоединять к экрану. Разрядник - между экраном и заземлением.

Что 100, что 20, при Вашей передаваемой мощности не проблема. Проблема в емкости между изолируемыми друг от друга обмотками. Фронт при разряде молнии будет очень крутой.

Есть еще решения. Использовать для изоляции масло и электростатический экран между обмотками, тогда не надо будет менять изоляцию после пробоя (за электронику не ручаюсь), но с маслом более хлопотно. Если есть много места, можно просто воздушный зазор оставить. Самые простые решения, порой самые верные.

Его и указал во втором ответе. Сейчас продумываю конструктив и дополнительный экран вокруг самого преобразователя. Получается достаточно просто и красиво.


Интересно, а какое значение допустимо?

Допустимо для чего? Если для Вашего устройства, то кто ж Вам ответит.

От фронта можно спастись синфазными дросселями посл. со входом и выходом транса. А дальше - можно еще фильтр либо перед выпрямителем, либо после него. Электростатический экран может быть баже эффективнее синфазных дросселей. Только делать из фольги, а не из провода.

вообще правильно делается так:
первичка - феррит кольцо - вторичка 1-2 витка проводом с хорошей изоляцией (фторпласт > 2мм) второе кольцо - 3 обмотка.
расстояние между трансформаторами и изоляция провода между ними, типично 2кв/1мм, определяет пробивное напряжение.
если изделие разовое можно залить компаундом (смесь стеарина и канифоли, пропорции сейчас не скажу, не помню) или силиконовые герметики, типа виксинт.

ЗЫ только это имхо не ваш вариант, от молнии так защищаться бесполезно

Для питания могу предложить еще такой вариант : СВЧ генератор + диэлектрический волновод + детектор. КПД опять же не очень, но развязка и пробивная прочность гарантируются. Для защиты от поверхностного пробоя (судя по длине поверхности изоляторов на ЛЭП 100 кВ) надо около 1 метра длины. Хотя ЛЭП работает в пыли и под дождем/снегом, возможно, хватит и меньшего.

Аккумулятор+ солнечный элемент на подзарядку...

Если взять ферритовый стержень от антенны с м=400 и ниже - то он не электропроводен. Я делал импульсные игрушки на нем, и мне удавалось получать импульс 60 кВ на катушке длиной 50 мм намотанной проводом 0.05 непосредственно на этот стержень без изоляции.

Для изоляции 100 кВ (особенно импульсной) - достаточно 5-10 мм изоляции из плекса. Т.е. берется сердечник от ТВ транса, делается катушка с толстой стенкой и никаких проблем. Если нужно точно держать напряжение на выходе - то обратная связь через светодиод и фототранзистор подключенные к куску пластикового световодо. Если широкий температурный диапазон, то для передачи сигнала обратной связи лучше использовать ШИМ (светодиод плывет от температуры).

Проще всего взять большое ферритовое кольцо и намотать вторичную обмотку высоковольтным проводом (есть на 30 и 50 кВ). Он легко держит импульсное перенапряжение на 100 кВ. Только углы у феррита сгладить.

для поделки подойдет. для промышленной вещи - нет.

я бы сделал радиоприемопередатчик с аккумулятором, если заказчик не против.

Прекрасно будет работать в любой промышленной аппаратуре, в отличие от радиоприемопередатчика.

Для справки: эффективность преобразования солнечного света фотопреобразователей Подольского завода - 15%, а цена 3 ам.д. за 1 ватт выходной мощности.
Излучатели - www.xlight.ru

Народ, не изобретайте ерунды. Подобная проблема уже давно решена в промышленных масштабах в высоковольтных распределительных сетях переменного тока, в частности в последовательных конденсаторных батареях. Там вся система находится под потенциалом токового кабеля, для которого 300кВ - нормальное действующее напряжение.
Так вот источник питания там, как описал WIM - лазерный светодиод и фотоэлемент. Все работает в промышленных масштабах и очень надежно - Если такая установка откажет - все предприятие оказывается без света.
Так вот сейчас наши пытаются заменить эту систему на электро- магнитную - я сам в этом проетке не участвую, но в руках держал компонент, который стоит на вторичке - это такой интересный феритовый блин с обмоткой, залитый компаундом, и я слышал, что они угрохали кучу денег, чтобы его правильно залили и все равно, все пока только в прототипной стадии.
А генератор в виде стержня с 1см силиконовой оболочкой.
Если буду в скором времени на производстве, то может быть сфоткаю. Но все равно - ИМХО идея на коленках не очень реализуема.

Фронт у молнии - порядка 1 мксек, ничего страшного.

1 uS до какого напряжения? ;-)

Специфицируется для каждого типа и класса оборудования отдельно.

В качестве примера могу также привести конструкцию выходных каскадов усилителя 30 кВ – гирлянда транзисторов 48 шт. каждый управляется и питается(цепи управления) отдельной оптопарой (лазерный излучатель, оптоволокно длиной150мм, фотопреобразователь).
Можно заказать подобный модуль, длина волокна измеряется метрами. Лазеры
стремительно дешевеют.

Очень не советую делать что-либо со стержнем, видел ЭТО в работе.
Кроме лазера есть другие методы
1 Мотор-генератор
2 Обыкновенный трансформатор на 50гц - выпускался раньше промышленно - назывался измерительный трансформатор или как-то похоже - представляет собой большое эбонитовое ведро с маслом в котором очень длинный магнитопровод из железа с большими катушками - при всей своей массе мощьности в нём кот наплакал - несколько ватт..
3. Ультразвуковой трансформатор - штука требует навыков работы со звуком и всякую специфику - можно передать пару киловатт на пару метров - 100 ватт не проблема.
4. Батарейки


Интересно, где такие модули можно заказать - у меня знакомый делает сейчас модулятор на 10кв - уже тестирует, но подстраховаться бы не мешало...

Что вам нужно, конкретно?
Я занимаюсь разработками лазерных чипов на ферроэлектриках, поэтому динамика цен на лазеры мне известна.
Высоковольтные установки для нас, что для монтажника паяльник – что можно покупаем, что нельзя, делаем сами.
Воспользуйтесь поиском, например: fiber coupled laser; laser opt isolator и т.д. Уточните, какую мощность надо передать, постараюсь навести справки.
Вообще подобный подход оправдан лишь в особых случаях (сверхвысокие напряжения, минимальные емкости связи и т. п.).
В упомянутом мной усилителе: TREK 30/20 (kV/ma), транзисторы (MOSFET) работают в линейном режиме, точность усиления 0,1% полной шкалы.

При разработке мультиплексора на 6кВ, цепи питания развязал на кольцах 29х19х7,5 (ТС с эпоксидным покрытием). Участки с обмотками, также залиты эпоксидом. Ссылку на ортопару 40кВ, называется 66147, могу дать:www.micropac.com

пластиковое волокно и приемопередатчики типа HFBR-1522 от Агилента или подобные....

Когда-то давно я делал DC/DC, который работал при постоянном напряжении между первичкой и вторичкой 60 кВ, в составе промышленной рентгеновской установки. Самое сложное - обеспечить нужное пробивное напряжение изоляции. Если напруга меньше 30 кВ, то больших проблем не возникает, а при напругах более 30 кВ возникает очень гнусная корона, которая не сразу, но довольно быстро "проедает" изоляцию, особенно по поверхности. Пробить сантиметров 10...20 по поверхности - плевое дело.

Надежный и проверенный путй - заключить транс в заземленный металлический яшик приличного размера (со сторонами порядка 15 см) и залить трансформаторным маслом. В ренгеновской установке, к которой я прикручивал свою приблуду, БП был сделан Сименсом именно так.

Я же сделал транс на П-образном замкнутом ферритовом сердечнике от ТВ строчника. Вторичка была намотана "бескаркасно" и проклеена, чтобы не рассыпалась. Потом она изолировалась многими слоями двухкомпонентной (как эпоксидка) силиконовой резины Dow-Corning:
- держишь катушку за длинные выводы и макаешь в кювету с резиной
- потом феном несколько минут сушишь очередной слой
- потом опять макаешь, и т.д.

Пробивное напряжение у такой резины 60 кВ/мм. Собственно, у многих пластиков пробивное находится в диапазоне 50...80 кВ/мм. На всякий случай напоминаю, что пробивное от толщины зависит как корень квадратный, т.е. 2 мм изоляции 60 кВ/мм будет держать 84 кВ, а 3 мм - 104 кВ.

Когда я "маканием" и сушкой нарастил изоляцию до нужной толщины, то дал резине окончательно застыть 24 часа, после чего собрал БП в коробке из оргстекла и залил все полностью той же силиконовой резиной. На этом этапе фокус в том, чтобы удалить из заливки воздух. Для этого свежезалитый блок (пока резина жидкая) помещается в камеру на полчаса, из камеры откачивается воздух (прикольно смотреть, как резина пузырится). Потом блоку надо дать застыть 24 часа при нормальном давлении.

У вас есть провод, по которому УЖЕ идет 100киловольт? Вот возмите еще один кусок такого провода, и этим проводом сделайте вторичную обмотку на феррите. Еще вариант, вытащите из того провода центральную жилу (часто это возможно) и пропустите внутри пучек ПЭЛ2, концы которых потом сможете просто спаять последовательно.

И отмажетесь, и мозг себе напряжением пробоя можно не парить, и в случае пробоя, виноват будет провод, и тот человек который его туда поставил.

1) 100 кВ это сколько мм по поверхности? расстояние для начала пробоя по воздуху - 33 мм, так что для изоляции нужно взять 100 мм?
В "детстве" игрался с резонансными преобразователями с намоткой "на воздухе". Думаю, при расстоянии 10 см и диаметре катушки этак 10 см можно получить ваши миливаты на выходе, если закачивать пару десятков ватт.
2) а вообще то, надо взять 2 ферритовых кольца и объединить их короткозамкнутым витком. а виток этот хаземлить, и экран между кольцами на виток (заземление) прикрутить.
3) зачем изоляция 100 кВ? разрядник нельзя поставить?

100 мм по поверхности ПП, залитой силиконовой резиной, у меня за несколько лет "проело" напряжение всего 20 кВ. У той резины адгезия к ПП была плохая, но от пыли и грязи поверхность она защищала на сто процентов.

Для изоляции 100 кВ по поверхности на открытом воздухе можно "на глазок" оценить длину поверхности изоляторов на ЛЭП, это, наверное, метр или даже больше.

Как-то так наверное http://www.membrana.ru/lenta/?7331 КПД системы передачи составил 40% на 2 метрах мощность 60 Вт.

Не верю ни одному утверждению, ни одной цифре с "Мембраны" или "скифа".
Плотно заселены дятлами вперемешку с лохотронщиками.

К сожалению, не смог найти более респектабельного ресурса на русском.
http://en.wikipedia.org/wiki/Marin_Soljacic
http://www.membrana.ru/lenta/?8558
http://en.wikipedia.org/wiki/WREL_(technology)
WREL разработка Intel 2008 года. Параметры: 75% КПД, 60 Ватт, катушки - 60 см, расстояние - 1 метр.

MikePic, доброго дня.
Вопрос персонально к вам, можно чуть подробнее рассказать о схемотехнике, какая элементная база? Я делал аналогичные измерения но с намного меньшей скоростью всего 8 ksps(10бит) и с меньшим напряжением изоляции и получилось потребление порядка 100мВт(в основном за счет светодиодного излучателя). Но 1000ksps и 60мВт?
Поделитесь опытом, please.

Случайно набрел на тему, ТС уже не актуально, но возможно кому-то пригодится.

В подобных задачах часто допускается одна ошибка, когда нужно увязать друг с другом величины одной и той-же сущности
отличающиеся на 3 и более порядка.

В данном случае сущность - это электромагнитное поле, которое с одной стороны нужно для получения ничтожного напряжения, а с другой
стороны его нужно максимально изолировать.

Выходом обычно служит использование посредника, функционально безопасного относительно, например электромагнитного поля.
На ветке предлагался вариант - оптики, дистанционно заряжаем емкость передатчика лазерным лучом и получаем ответ.
Минус - малая энергоемкость, низкая скорость передачи и т.д.

Однако в наш супер-электронный мир народ забывает о старой и доброй механике. Система мотор-генератор через изолированный
вал способна решить данную проблему очень эффективно. Более того обратная связь также возможна через механику (это чтобы насладиться самой идеей

К сожалению биохимия пока не настолько развита как электроника, но скоро мир поменяется и многие силовые проблемы электроники
решит другой способ передачи энергии и сигналов.

Только не для +5В (0,025А).

Да и сотни Ватт достаточно легко на напряжение в сотни Киловольт безо всякой механики.

Все-таки, 100кВ - достаточно серьезное напряжение и не думаю. что так уж легко согнуть на коленке источник с таким напряжением изоляции. В первую очередь, испытательное оборудование нужно.
Действительно, при таких мощностях куда проще решить это другим путем - элктромеханическим или засветить небольшую солнечную батарею. Тогда, кроме расчета воздушного промежутка ничего не нужно в смысле изоляционных материалов и их испытаний.

В этом смысле воздух ничем не лучше других изоляторов. Более того, для специальных компаундов пробивное напряжение определено более точно, чем для воздуха.

Я так и не понял из чего пробему раздули. Разве одновитковый трансформатор с внутренним диаметром 25-30 мм не подойдёт? Для заливки подойдёт любая эпоксидка. Вакуум правда обязателен.