Sécurité de la cascade de Villard

Mon fils adolescent a construit des multiplicateurs Cockcroft-Walton ces derniers temps, et je suis potentiellement un peu inquiet au cas où il s'électrocuterait. Son circuit est alimenté par 4 cellules AA en série (6V), et à en juger par l'éclateur, il a réussi à atteindre environ 6kV en utilisant un oscillateur et un transformateur suivis de la cascade Cockcroft-Walton. Comme il construit cela sur une simple planche à pain, il n'y a pas d'isolation entre lui et certaines parties du circuit, et il m'a déjà dit qu'il avait subi quelques chocs.

Je suis un physicien travaillant dans une université, j'ai donc recherché les réglementations concernant les appareils électroménagers en Europe et je pense que cela devrait être correct (nous utilisons les mêmes réglementations pour évaluer les démos des générateurs Van der Graaf). La capacité totale du circuit en cascade se termine à environ 1 nF, donc à 6000 V, la charge totale devrait être de 6uC, ce qui, je pense, devrait être sûr (EN-60335-1), mais comme je ne suis pas ingénieur, je ne peux pas dire avec certitude .

Ma question est: devrais-je empêcher mon fils de les construire? J'ai toujours encouragé la créativité et son amour pour l'électronique, mais je ne veux pas qu'il se blesse ou pire.

Être choqué, c'est bien. Laisser tomber la soudure sur les vêtements et la peau est bon. Couper les doigts sur des bords métalliques tranchants est bon. Les humains survivent en explorant. Les humains apprennent de la douleur. Sinon, nous nous recroquevillerons dans les marais.

Enfant, je sentais 117 VCA picoter à travers les orteils, provenant de vieux transformateurs de puissance. J'ai appris à m'asseoir sur des chaises en bois et à ne pas toucher les orteils au sol en béton.

Plus tard, pendant le "calibrage" d'un oscilloscope, j'ai poussé le dos nu de la lunette contre la paillasse de laboratoire en métal, touchant la prise du tube de la lunette EICO contre la paillasse, puis je me suis penché en avant avec le ventre contre la partie avant de la paillasse à travers ma chemise, et toucha à nouveau ma poitrine à travers la chemise jusqu'au châssis de l'oscilloscope alors que j'allais loin pour régler un potentiomètre de «mise au point». 3000 volts sur la poitrine. Je me suis assis, stupéfait, pendant quelques minutes.

Mais j'avais encore quelques leçons sur la haute tension à apprendre.

Laissez votre fils voir des vidéos de décès par haute tension.

Apprenez-lui l'astuce «garder une main dans la poche» autour de la haute tension.

EDIT: Ensuite, il y a un courant élevé; Le prof de l'université a parlé d'un copain qui avait perdu l'annulaire gauche, car l'anneau de mariage s'est retrouvé dans un chemin de courant élevé , ce qui a fait briller l'anneau en rouge, tuant la peau, les muscles, les tendons et les os.

J'ai également vu des circuits intégrés de pilote de porte MOSFET souffler sur le dessus de l'emballage, lors de l'événement "bipolar snapback", lorsque les condensateurs de stockage de 1 000 μF à l'intérieur d'une énorme alimentation de laboratoire HP ont eu besoin de décharger leur énergie dans le 2 mm × 4 mm silicium du pilote de porte. Aucun de nous trois, planant assez près, n'a été touché. Mais après cela, j'ai toujours placé une feuille de papier au sommet du circuit, pour intercepter plus de décharges d'énergie IC. Énergie? 1/2 * C * V ^ 2 = 0,5 * 1000 uf supposé (n'a pas ouvert l'alimentation HP) * 20v * 20v = 200 milliJoules, ce qui explique pourquoi le dessus en plastique DIP a été soufflé. Et raté nos 6 yeux (même si je portais des lunettes).

EDIT: Le coup de fouet du pilote de la porte était un hasard, car j'ai pris la leçon à cœur et j'ai réalisé le danger de l'énergie stockée dans des bouchons de 1000 μF. J'ai appris à taquiner le dragon en évaluant le snapback bipolaire, n'accordant que 1000 pF juste à travers le pilote de porte, avec une résistance de 220 Ω au Vdd (variable expérimentalement). En utilisant un long pf de 1000 pF (3 ″ fils, 6 ″ au total ou 100 nanohenry) avec le externe de 1000 pF et le substrat de puits sur puce de ~ 1000 pF, pendant les événements de commutation, le silicium VDD_GND s'effondrerait puis rebondirait 5 ou 10 ou 15 volts au-dessus des 18 volts nominaux. À un certain niveau, la vitesse de balayage de la sonnerie (anneaux de 100 nH et 500 pF à 22 MHz) a induit suffisamment de charge transitoire dans le silicium pour que le snapback bipolaire se produise, et le VDD (fourni par 1, 000 pF) serait aspiré à 16 ou 17 volts, après quoi le snapback s'éteindrait automatiquement. J'ai fait fonctionner ces appareils, en entrée / en sortie de snapback à 100 kHz, sans aucun dommage, car j'ai diagnostiqué le chemin de charge transitoire et réalisé que les règles de disposition devaient être modifiées. Heureux hasard. Énergie? 0,5 * C * V ^ 2 = 0,5 * {total protoboard + silicon Cap = 2,000pF} * 31,6volts ^ 2 = 1,000pF * 1,000 (volts ^ 2) = 1microJoule.

Des décennies en arrière, revenant du déjeuner, on lui a dit d'aller au laboratoire et d'examiner "les débris" sur le banc de XXXX. Il y avait une carte de blindage à 6 panneaux (30 * 6 = 180 CI), de nombreux CI avec leurs sommets soufflés. Il s'avère qu'un fil suspendu à une extrémité lâche s'était enroulé sur et autour et sous le bord de la banquette avant et ** EN * le contact chaud de l'alimentation 117VAC. Ainsi, la direction voulait que tous les ingénieurs et les techniciens et les personnes retravaillées comprennent le danger des fils enroulés et bouclés.

Ahhhh Affecté à une alimentation de commutation Tritek de 400 watts pendant quelques semaines, pour une raison quelconque. Juste pour me donner de l'expérience dans les commutateurs; Je n'étais pas le designer. À plusieurs reprises, les résistances de protection bobinées sacrificielles de 5 watts 5 ohms ont explosé, leurs noyaux en céramique ont été projetés hors du boîtier dissipable et à travers la passerelle entre les bancs, le fil résistif traînant derrière comme un fil de guidage pour un missile TOW. Nous avons appris à ne pas nous gêner.

Pour des raisons de sécurité et sans bourdonnement dans les amplificateurs à gain élevé (100 dB et 120 dB), j'ai appris à utiliser les piles 9 V volts "B" 3 "par 3" par 4 ". Le Rout élevé a provoqué des oscillations, presque tout le temps, jusqu'à ce que j'apprenne à mettre en œuvre "batteries locales" avec RC LPF dans les étapes VDD à LNA. Une collection de 5 000 uF.

Semble à l'abri de ce que vous décrivez, tant qu'il n'utilise que des piles et maintient les condensateurs petits. Les multiplicateurs CW augmentent la tension mais réduisent le courant, il n'y aura donc que quelques centaines de microampères à la sortie.

EN60335-1 suggère que sous 15 kV tant que la charge totale d'un choc est inférieure à 45 microcolumbs, il ne devrait pas y avoir de danger. Le circuit de votre fils semble être bien inférieur à celui de Q = CV. Évidemment, s'il commence à passer à des tensions de plus en plus élevées, il devra réduire la taille des bouchons pour rester en sécurité. Avec 6000V et 1nF, tout "choc" ressemblera beaucoup à un choc statique provenant d'une poignée de porte. C'est également un type de production similaire à celui des producteurs de bovins commerciaux.

Une autre propriété des cascades CW est que la tension et le courant de sortie dépendent de la charge: plus la résistance de la charge est faible, plus le courant diminue, ce qui les rend vraiment inefficaces mais peut également économiser votre bacon si vous deviez vous y attacher.

Je suis également d'accord qu'il devrait être supervisé, je pense que cela va presque de soi.

Je pense que la seule façon pour que 4 piles AA (ou D etc.) soient dangereuses dans un circuit serait si un circuit comme celui-ci était utilisé pour charger un énorme condensateur. Je pourrais néanmoins me tromper à ce sujet.

La sécurité est un terme relatif, ce qui est sûr pour une personne peut ne pas l'être pour une autre, et en tant que professionnel, je ne peux pas vraiment vous dire qu'il est sûr à 100%. Il semble que les énergies impliquées soient assez triviales, mais cela ne signifie pas qu'il ne raccordera pas cela à un transformateur de puissance dans une heure à partir de maintenant pour obtenir une plus grande étincelle. De plus, même avec ces valeurs, il pourrait surcharger un condensateur et provoquer sa défaillance plutôt violente. Des lunettes de sécurité seraient une bonne idée pour cela et pour d'autres projets.

Travailler avec l'électricité comporte toujours des risques. Ils peuvent provenir d'une électrocution, d'une explosion, de brûlures, d'un incendie, d'une exposition à des produits chimiques et de quelques autres. Cela vient juste avec la nature du travail.

Devriez-vous l'arrêter? Eh bien, vous pouvez essayer, mais il vaut peut-être mieux le renseigner correctement sur les risques et les mesures de sécurité qu'il devrait prendre pour limiter sa vulnérabilité à un problème. Ces mesures devraient inclure une restriction stricte: "Nous ne jouons pas avec l'électricité quand personne d'autre n'est là!" .

Il existe un certain nombre de directives simples et complexes en ligne.

Peut-être passer du temps avec lui pendant qu'il expérimente. Vous pouvez en profiter et je suis sûr que votre fils l'appréciera.

ADDITION: En tant que parent, je prendrais des mesures pour m'assurer que l'endroit où le garçon travaille est correctement équipé. Les bons outils, l'équipement, les prises de courant interrompues en cas de défaut à la terre, l'éclairage, la ventilation sont tous importants.

DANGER! L'arrêt du cœur de la décharge du capuchon est déterminé par l'énergie, et non par les coulombs.

Voir le pdf: IEEE 2009: système de classification des risques électriques

En général, il est mauvais de laisser vos condensateurs entrer dans la plage de 10 joules et plus. C'est pour les décharges à travers votre poitrine, bien sûr. Un danger cardiaque important commence à 20 décharges. En dessous de 10 joules, le principal problème est les contractions musculaires, coupées en claquant des objets tranchants, etc.

0,001uF et 6KV donne 36 millijoules. Assez sûr, mais un peu douloureux.

Pourtant, les effets cardiaques dépendent de la densité d'énergie, pas seulement des joules. Si vous avez poignardé un condensateur pointu dans votre cage thoracique, l'énergie délivrée au système de stimulation cardiaque serait de plusieurs ordres de grandeur plus élevée que si les mêmes bornes de condensateur étaient touchées avec les deux mains.

Lorsque vous travaillez avec des systèmes de décharge de bouchon, utilisez une seule main. De cette façon, les décharges accidentelles ne traverseront pas votre poitrine. Ou mieux encore, restez toujours très craintif et paranoïaque que vous fassiez une erreur et que vous receviez un mauvais zap. Un certain respect sérieux (sinon une terreur pure) va loin en encourageant une recherche appropriée à l'avance et en évitant de développer des comportements à risque ignorants lorsqu'il s'agit de condensateurs à kilovolts.

Il y avait quelques indices sur "alimentez-le à partir d'une batterie, point". Il y a une bonne raison de ne pas le faire avec des expériences où quelques kilovolts sont générés même si une alimentation électrique normalement sécurisée est utilisée, et cela n'a pas vraiment été mentionné ici.

Des tensions élevées dans une quantité (courant soutenu maximum, énergie stockée) qui normalement ne pourraient pas vous faire beaucoup de dégâts permanents apportent toujours au moins ces dangers:

• il peut briser l'isolation primaire-secondaire même dans une alimentation robuste - dans le pire des cas de façon permanente, de sorte que les choses qui ne sont pas censées être directement connectées au réseau le sont maintenant . Même une alimentation électrique parfaitement construite selon les normes de sécurité est susceptible d'avoir une défaillance d'isolation si vous parvenez à mettre plus d'environ 3-4 kV contre la terre dans l'un de ses terminaux par erreur

• La haute tension frappe très facilement les arcs. Si vous parvenez à frapper un arc contre tout ce qui est sous tension (il peut s'agir d'un connecteur mal isolé près de votre configuration, comme un capuchon de cordon qui n'est pas inséré dans une prise à fond, ou quelque chose exposé à travers un trou de ventilation dans une alimentation boîtier d'alimentation ...), cet arc est maintenant un conducteur parfaitement capable de conduire tout ce qui y est connecté (si vous êtes chanceux, l'arc ne dure que jusqu'à ce qu'il y ait un passage à zéro par le secteur AC.).