Quels sont les moyens d'améliorer un multiplicateur de tension?

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Je travaille sur une alimentation Nixie, mais j'aimerais l'améliorer.

  • J'ai des batteries 4x9V en série pour un total de 36V à commuter sur un multiplicateur.
  • Une minuterie (TTL) 555 fonctionne parfaitement à partir de la première pile 9 V seulement pour générer une onde carrée de 8,5 volts, 10 kHz (ou toute fréquence que vous voulez, je suppose), env. Droit de 50%.
  • La sortie 555 entraîne la grille d'un MOSFET à canal N BS170 .
  • Le drain MOSFET est connecté jusqu'à 36 V via une résistance d'environ 1,2 kΩ. Cette résistance doit être aussi faible que possible pour pousser le courant dans:
  • un multiplicateur Cockcroft-Walton à 6 étages , qui produit une belle sortie ~ 220VDC sans charge. Malheureusement, il s'affaisse à environ 155 VDC lorsqu'il est chargé par une résistance de 47 kΩ en série avec le tube.

Schématique

IN-14 entraîné par un multiplicateur de 36 V

Ce que j'aime dans ce circuit:

  • It Works ™
  • Il peut être construit par des parties extrêmement courantes que j'ai probablement en main, par exemple:
  • Il ne nécessite aucune inductance.
  • Il ne nécessite aucun circuit intégré spécialisé tel que des convertisseurs boost.
  • Il ne nécessite que des condensateurs et des diodes avec des tensions nominales pour gérer chaque étage, pas le shebang complet.
  • Il bloque Multisim.

Ce que je n'aime pas dans ce circuit:

  • La tension de sortie s'affaisse à ~ 155VDC sous seulement ~ 600μA de charge.
  • Je suis trop stupide pour penser à une meilleure façon de commuter le 36V sur le multiplicateur:
  • Alors que la sortie de la minuterie 555 est élevée, je perds plus de 1 W à travers la résistance de drain juste pour piloter le multiplicateur.
  • La tension d'entrée du multiplicateur est gênée par la résistance de drain.

Comment puis-je:

  • apporter des améliorations qui peuvent permettre à ~ 10mA d'être approvisionné avec une baisse de moins de 40V de la sortie d'alimentation?

J'ai essayé:

  • Remplacement de la section du pilote MOSFET par quelque chose comme ceci:

schématique

simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab

J'ai grillé pas mal de transistors en essayant cet onduleur. Comme illustré, les grilles de l'onduleur sont tirées jusqu'à 36 V par la résistance de 10 kΩ. Est-il possible que le temps de charge de la grille soit ce qui a détruit les transistors?

EDIT: Je viens de réaliser que les valeurs maximales de tension grille-source sur les deux transistors à effet de champ sont de ± 20 V. Cela expliquerait pourquoi ils ont frit. Hmm, peut-être qu'au lieu d'un seul 10kΩ, je pourrais faire un diviseur de tension pour piloter chaque porte séparément?

Pour ces raisons, les multiplicateurs CW avec un grand nombre d'étages ne sont utilisés que lorsqu'un courant de sortie relativement faible est requis. Ces effets peuvent être partiellement compensés en augmentant la capacité dans les étages inférieurs, en augmentant la fréquence de la puissance d'entrée et en utilisant une source de courant alternatif avec une forme d'onde carrée ou triangulaire.

Je soupçonne que la commutation plus efficace du 36V sur le multiplicateur contribuerait grandement à améliorer les performances.

EDIT / SUMMARY: La commutation plus efficace du 36V sur le multiplicateur a grandement contribué à améliorer les performances. Comme plusieurs personnes l'ont suggéré, quelque chose appelé "push-pull" était une solution rapide ici. Un onduleur CMOS avec des portes entraînées séparément rend la pompe de charge beaucoup plus efficace:

555 commutation 36V plus efficace via push-pull

L'alimentation s'élève maintenant à ~ 216 VDC lorsqu'il est chargé avec deux tubes, une énorme amélioration:

Prise en charge de charges beaucoup plus importantes

yankee
la source
Vous court-circuitez probablement les deux FET sur votre configuration push / pull. Il y aura un moment où les deux appareils seront allumés et la prise de vue aura lieu.
Wesley Lee
@WesleyLee Je pense que c'est que je conduis les portes à des tensions au-delà de deux fois leur valeur maximale absolue, mais je pense que vous avez raison même si elle pouvait gérer ces tensions. Comme je l'ai dit dans l'OP, le 10k & Omega; la résistance charge peut-être les portes trop lentement, provoquant trop de poussées.
Yankee
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Wesley a raison. Il ne suffit pas de limiter l'entraînement du portail. Disons que le Vgs (activé) est de 5 V pour chacun, ce qui est du côté haut pour tous les FET sauf les plus anciens. Cela laisse 25 V de portée sur le premier signal où les deux FET sont activés. Ça fait beaucoup de court-circuit. Conduire des FET comme celui-ci avec une capacité de puissance nécessite une quantité de temps mort dans les signaux de commande et cela peut prendre plusieurs dizaines de micro-secondes.
Asmyldof
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Sachez également qu'au-dessus d'une sortie de 2 à 5 mA, les batteries peuvent commencer à résister de manière significative aux courants de crête requis, ce qui entraînera également un affaissement de la sortie, car ces types de batteries sont notoirement mauvais pour gérer des courants décents.
Asmyldof

Réponses:

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Vous devez abandonner Rd de votre premier schéma et utiliser une sortie push-pull à faible impédance comme dans votre deuxième schéma. Cependant, comme vous le dites correctement, le 36v trinquera les portes des FET Vgs 20v. Il y a peu de fets avec Vgsmax supérieur à 20v, et aucun à ma connaissance avec plus de 30v.

Parmi les options, on peut utiliser

a) des décaleurs de niveau appropriés pour contrôler les portes FET, les petites bipolaires fonctionneraient bien ici
b) un transformateur de commande de porte (bien que généralement utilisé uniquement pour des applications de puissance supérieure)
c) qu'en est-il de la commande push-pull 18v à partir de deux batteries, mais tirer, comme ça ...

schématique

simuler ce circuit - Schéma créé à l'aide de CircuitLab

J'ai illustré 4 étapes ici, l'extension à d'autres étapes est évidente.

Maintenant, je n'ai pas connecté le condensateur supérieur. Il y a deux options

a) Cockcroft Walton stylee, où vous êtes limité par la tension maximale. Ici, vous connectez C5 à la jonction D1 / D2. Cela permet une faible tension aux bornes de chaque condensateur, mais entraîne une impédance de sortie élevée. Également connue sous le nom de cascade Villard, bien qu'inventée par Greinacher.

b) Style de pompe de charge Dickson, ce qui se traduit par une impédance de sortie beaucoup plus faible. C5 se connecte de nouveau à l'extrémité entraînée de C2. Cela signifie que C5 a besoin d'une tension nominale plus élevée, mais si vous pouvez obtenir des bouchons avec une tension appropriée à moindre coût, 250 V ou même 400 V sont couramment disponibles, alors cette configuration a une baisse de tension beaucoup plus faible avec le courant.

Neil_UK
la source
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Il y a une autre amélioration que j'ai utilisée dans ma conception que je n'ai pas illustrée dans le schéma. Comme dans votre schéma, j'ai basé le multiplicateur à partir du sol, j'ai donc pris mon D1 à la terre. Si, au lieu de cela, ce point est pris pour le rail, vous obtenez gratuitement la valeur de la tension de sortie d'un rail supplémentaire. Impédance de sortie - Cockroft Walton augmente au fur et à mesure que le nombre d'étages est au carré, ma configuration `` tout en arrière pour le pilote '' n'augmente que linéairement avec le nombre d'étages, une grande économie pour un grand nombre d'étages.
Neil_UK
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à partir de cette page, c'est la façon de piloter un push-pull MOSFET - talkelectronics.com/projects/MOSFET/images/PushPull_12v.gif . L'utilisation de la version amplificateur audio (celle avec la «chaîne de diodes»?) Est beaucoup trop compliquée et répond à d'autres exigences.
Neil_UK
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Depuis un cockroft-walton, concentrez-vous un instant sur la chaîne de diodes. Maintenant, connectez le bas à la terre (ou le rail pour un pied libre sur un rail) et le haut à la sortie. Notez maintenant que les nœuds alternatifs sont pilotés en anti-phase. Déconnectez maintenant l'extrémité «entraînée» de chaque condensateur et ramenez-les en deux groupes. Maintenant, conduisez les deux groupes en anti-phase, cette antiphase pourrait être mise à la terre et un signal AC, comme dans le cockroft-walton d'origine, ou il pourrait s'agir de deux signaux AC anti-phase, qui vous permettent de doubler la tension de votre rail .
Neil_UK
1
vous n'avez pas à utiliser de BJT, vous pouvez utiliser des FET. Cependant, les petits FET explosent facilement, et à bien des égards, les BJT sont plus faciles à polariser pour des choses comme les décaleurs de niveau. Bravo pour trouver le nom de «multiplicateur de Dickson», c'est exactement le genre de chose que j'avais en tête.
Neil_UK
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à tout moment, heureux de vous aider. C'est le genre de chose que nous avons utilisé pour fabriquer un minuscule multiplicateur Dickson, deux canaux, une sortie de lecteur de courant très élevé à haute tension, facile à piloter avec logique et minuscule. maximintegrated.com/en/products/power/power-switching/… Acceptez la réponse si vous l'avez trouvée utile
Neil_UK
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Remplacez la résistance par une inductance qui vous donne un convertisseur boost. De cette façon, vous démarrez déjà la multiplication de tension avec la tension .36 VRD36V

Mais assurez-vous que

  • le MOSFET peut habler la tension (pour BS170 est 60V) etVDS,max
  • le MOSFET peut gérer le max. courant (principalement en fonction de la tension de fonctionnement, de la fréquence de commutation et de l'inductance); pour BS170 est 0,5A.ID,max
fromage blanc
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J'apprécie les solutions qui utilisent des inductances, mais je n'en ai pas sous la main. Merci pour votre réponse!
Yankee
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@Yankee: astuce: si vous avez une lampe fluorescente compacte cassée , vous pouvez obtenir un bel inducteur qui pourrait être parfait pour votre usage de l'électronique qui est cachée dans la prise en plastique (l'inducteur n'est probablement pas la partie cassée); assurez-vous de ne pas briser le tube de verre. La valeur d'inductance est probablement de l'ordre de quelques mH. Voir l'inductance à droite sur cette image étiquetée "3,5 mH"
Curd
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C'est génial. Je garderai certainement cela à l'esprit si jamais je suis dans une pincée. Hélas, toutes les lumières de mon appartement sont des LED!
Yankee
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36 V sur la porte détruira les appareils. Vous devez trouver les circuits de commande MOSFET appropriés.

|VGSS|<20 V

R13.3 kΩ

skvery
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Le push-pull est ce que j'ai choisi et cela a fonctionné. Je suis désolé de ne pas avoir choisi votre réponse, je suis allé avec celui qui m'a aidé à comprendre ce qu'est le push-pull, car je n'ai jamais vu ça avant aujourd'hui. Merci pour la réponse.
Yankee
@Yankee, j'ai suggéré le push-pull avec des transistors bipolaires normaux, pas des MOSFET. (Pas de problème :-)
skvery
En dehors des situations impliquant des amplificateurs, pourquoi le push-pull se fait-il normalement avec des BJT et non des FET? @Neil_UK a déclaré, en paraphrasant un peu, "l'utilisation de BJT n'est pas nécessaire, mais les FET peuvent échouer de manière inattendue, et les BJT peuvent être plus faciles à biaiser." Y a-t-il d'autres raisons pour lesquelles les BJT devraient être préférés pour placer et supprimer la charge sur les portes des FET, par rapport à la simple utilisation d'autres FET? Je pense juste que c'est bizarre que je n'ai littéralement pas trouvé un seul exemple de transistors FET utilisés pour piloter des grilles d'autres transistors FET tout en découvrant le "push-pull".
Yankee
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en tant que multiplicateur de tension, sa sortie de courant est inversement liée à sa sortie de tension. donc pour augmenter la sortie actuelle, vous avez deux choix, sans sortir de la topologie:

1) Augmentez le courant du variateur: le 555 peut fournir 200 mA et votre BS170 quelques mA. vous pouvez essayer un émetteur suiveur comme tampon; ou un pilote dédié;

2) augmenter la tension du variateur: exécutez le tout à une tension aussi élevée que possible;

si j'étais vous, j'essaierais de conduire le multiplicateur directement avec le 555 en premier. si cela ne fournit pas suffisamment de courant, pensez à une approche différente, comme un convertisseur élévateur.

dannyf
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Conduire le multiplicateur directement à partir du 555 a été la première chose que j'ai essayée. Le problème n'était pas la capacité de sortie actuelle du 555, mais la tension de sortie maximale. J'ai eu besoin de trop d'étapes dans le multiplicateur et je n'ai jamais atteint 200V. La tension a en fait commencé à baisser après environ la 15e étape lol.
Yankee
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Quel type de piles utilisez-vous? La résistance interne d'une batterie 9V peut être assez élevée. Je pense qu'un alcalin normal ne peut fournir qu'environ 3 ampères à cause de cela. 36V * 3A / 220V est d'environ 500mA à la sortie sans tenir compte des pertes dans le circuit. Je pense que les rechargeables pourraient mieux fonctionner.

Willem
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Ce ne sont que des batteries de moulin 9V. Pour les cas d'utilisation générale qui pourraient être un problème, mais dans mon cas spécifique, je consomme beaucoup moins de 20 mA à la fin du multiplicateur.
Yankee