Как контролировать перенапряжение при высоком напряжении?

Предположим, мы используем умножитель напряжения для зарядки высоковольтного конденсатора ( C Bigна схеме). Если вы значительно превысите напряжение конденсатора, вы его уничтожите.

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

Теперь предположим, что мы говорим о чем-то в диапазоне 4 кВ, а конденсатор имеет очень низкое ESR (10 мОм ). Каковы хорошие методы защиты конденсатора от перенапряжения?

Одна из идей, которые у меня были, заключалась в том, чтобы поместить ограничитель Зенера на вход переменного тока, а затем построить множитель так, чтобы он не превышал проектное напряжение, зная предел входного напряжения.

C BigНо, конечно же, на стороне цепи происходят всевозможные захватывающие вещи , которые могут привести к всплескам обратной связи. Из-за низкого ESR большого конденсатора я предполагаю, что нет возможности использовать диоды для его защиты, отводя скачки напряжения. Итак, если нас это волнует, единственная другая защита будет через полевые транзисторы — предположительно регулируемые резисторными делителями напряжения?

Вы смотрели на "газоразрядные трубки", такие как littelfuse.com/products/gas-discharge-tubes.aspx
@scorpdaddy - Да, это почти наверняка лучший ответ! Я забыл об этих компонентах. Пожалуйста, напишите как ответ, чтобы я мог принять его.
Множитель напряжения умножает пиковое напряжение сети только на количество ступеней. Дальше этого не умножается. Оцените C1 для этого напряжения, и все будет хорошо, насколько я вижу. В чем проблема?
@transistor - я полагаю, что единственная проблема со стороны источника питания - это недоверие к источнику питания. Я предполагаю, что вздутие главного конденсатора должно быть чем-то большим, чем кратковременная проблема, но я никогда не знаю, насколько можно доверять этим дешевым высокочастотным усилителям постоянного и переменного тока. А потом, как я уже сказал, сбоку есть «вещи» C Big, которые могут создавать всплески на чем-то, что уже имеет большое напряжение. Отмечу это на схеме.
@feetwet: для зажима на основе диода TVS имеет значение внутреннее сопротивление источника импульса, а не ESR конденсатора. Это потому, что напряжение на конденсаторе никогда не меняется мгновенно. Не так для газоразрядной трубки; если разряд инициирован, то ток через трубку будет ограничен только ESR, и конденсатор разрядится почти полностью.
@dmitryvm - Это требует уточнения в ответе. Я знаю, что напряжение конденсатора имеет постоянную времени. Но я предполагаю, что если приложить напряжение, намного превышающее номинал конденсатора, он будет разрушен, когда «бросок» пробьет его диэлектрик. Если это так, то цель состоит в том, чтобы конденсатор никогда не «видел» чрезмерное напряжение. Но с низким ESR я предполагаю, что конденсатор всегда будет наиболее привлекательным путем для тока. Мое понимание решения GDT заключается в том, чтобы подключить его как параллельный «шунт» для отвода избыточного напряжения вокруг конденсатора, а не через него.

Ответы (2)

Искровой разрядник представляет собой грубый переключатель, активируемый напряжением. Он открыт до тех пор, пока поле E не достигнет критической точки, через которую перескакивают заряды (искра). Это еще больше ионизирует воздух, что делает его более проводящим и т. д.

Следовательно, эти вещи демонстрируют гистерезис . Непонятно, желательно это в вашем случае или нет. Другими словами, искровой разрядник не сработает до определенного уровня напряжения, но после срабатывания он не перестанет проводить ток до гораздо более низкого напряжения.

Вы можете достаточно легко сделать свои собственные искровые разрядники, но они не будут очень точными, так как напряжение пробоя воздуха зависит от давления и влажности, которые вы обычно не можете контролировать. Существуют устройства, называемые газоразрядными трубками , которые очень похожи на искровые разрядники в контролируемой среде, поэтому возможны более жесткие характеристики.

В этом сценарии с GDT, параллельным большой крышке, а затем, предполагая, что умножитель напряжения был источником перенапряжения, предположительно, GDT будет работать до тех пор, пока не истощит множитель? Или, скорее, он эффективно закорачивает умножитель до тех пор, пока напряжение умножителя не упадет значительно? Лучше поджаривания конденсатора. Если только это не жарит что-то в множителе. Если источник питания защищен от перегрузки по току (например, предохранителем или автоматическим выключателем), существует ли риск повреждения каскада умножителя?
@feet: Как я уже сказал, искровой разрядник имеет гистерезис, что означает, что он срабатывает на одном уровне, но продолжает проводить до тех пор, пока напряжение не упадет до значительно более низкого уровня.

Это не полный ответ на вопрос. Попробую уточнить роль ESR в схеме, так как в формулировке вопроса о нем есть неверное представление.

Предположим, что ESR равен нулю (т. е. идеальный конденсатор), и попробуйте смоделировать схему следующим образом:

схематический

смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab

р г е н е р не является «внешним» резистором. Это собственное последовательное сопротивление неидеального стабилитрона (так называемое дифференциальное сопротивление). Любой реальный стабилитрон (TVS) имеет ненулевое дифференциальное сопротивление, которое можно смоделировать как идеальный стабилитрон, включенный последовательно с резистором. Дифференциальное сопротивление не является константой; это сильно зависит от рабочей точки (= ток через диод).

До какого максимального напряжения будет заряжаться конденсатор? Для ответа на этот вопрос предположим В с п я к е > В с л а м п , где В с л а м п напряжение фиксации стабилитрона.

Тогда в установившемся режиме ток через стабилитрон будет

я г е н е р "=" В с п я к е − В г е н е р р с п я к е + р г е н е р
по закону Ома. Это стационарное состояние, означающее, что конденсатор заряжен до максимального напряжения для данного В с п я к е уровне, и ток через конденсатор не течет.

Напряжение на конденсаторе будет

В с а п "=" В г е н е р + р г е н е р я г е н е р
замена я г е н е р мы получаем
В с а п "=" В г е н е р + ( В с п я к е − В г е н е р ) ⏟ перенапряжение р г е н е р р с п я к е + р г е н е р

Вы можете видеть, что имеет значение выражение

р г е н е р р с п я к е + р г е н е р
что является выражением для делителя напряжения.

Если принять ненулевое ESR, то это не повлияет на формулу, так как через полностью заряженный конденсатор ток отсутствует, а значит, нет и падения напряжения на ESR.

Как я уже упоминал в комментарии, ESR играет роль, если в качестве защитного устройства будет использоваться газоразрядная трубка (ГРТ). Это связано с тем, что ВАХ ГРТ резко отличается от ВАХ стабилитрона. Как только достигается напряжение пробоя ГДС, начинается разряд и напряжение на трубке падает до десятков вольт (дуговое напряжение). Взгляните на https://www.bourns.com/pdfs/bourns_gdt_white_paper.pdf . Таким образом, ESR будет ограничивать ток ГРТ.

Предположение и озабоченность в исходном вопросе заключаются в том, что скачок напряжения может пробить диэлектрик крышки, поэтому не имеет значения, каков заряд крышки. Но похоже, что здесь вы могли бы построить делитель напряжения, чтобы позволить стабилитрону с «низким» напряжением шунтировать напряжение вокруг конденсатора? Предположим, у нас есть источник питания 1 кВ, цоколь рассчитан на 1 кВ и стабилитрон с зажимом на 100 В. Оказалось, что сопротивление Зенера уменьшается с увеличением тока, например, с 3000 до 300 Ом . Можно ли поставить «R-делитель» перед стабилитроном, чтобы это сработало?
Смысл моего ответа в том, что всплеск не может зарядить конденсатор до напряжения, намного превышающего напряжение зажима Зенера, если внутреннее сопротивление источника всплеска намного больше, чем последовательное сопротивление Зенера. СОЭ вообще роли не играют (что не совсем верно, но является очень хорошим приближением). Я не имел в виду, что можно использовать низковольтный диод Зернера с делителем. Ни за что!
@feetwet: во избежание недоразумений: Rzener не является внешним резистором. Это собственное последовательное сопротивление неидеального стабилитрона (так называемое дифференциальное сопротивление). Любой реальный стабилитрон (TVS) имеет ненулевое дифференциальное сопротивление, которое можно смоделировать как идеальный стабилитрон, включенный последовательно с резистором.
Я не уверен, как связать сопротивление с перенапряжением. Предположим, что мы случайно подключили схему к источнику питания, генерирующему двойное предельное напряжение конденсатора Vc ? И предположим, что нам удалось найти стабилитрон с фиксирующим напряжением Vc . В таком случае мы в порядке. Проблема в том, что нет стабилитронов с фиксирующими напряжениями в диапазоне кВ.
Предположим, что источник питания 2 В пост. тока является идеальным источником напряжения, т. е. имеет нулевое внутреннее сопротивление (Rspike = 0). Посмотрите на формулу в моем ответе. Как видите, напряжение на конденсаторе будет 2 В, а не В, и конденсатор будет разрушен. Вот почему внутреннее сопротивление источника импульса играет решающую роль. Правда, может быть трудно или невозможно найти диоды TVS (или Zener) в киловольтном диапазоне. Но однозначно можно использовать диоды вне зависимости от любого значения ESR, если такие диоды существуют. Возможно, у вас получится соединить несколько TVS-диодов последовательно: vishay.ru/docs/88451/stacking.pdf
Я думал о последовательно включенных диодах. Я думал, что это не сработает, потому что, как только напряжение пробоя (или «зажимное напряжение») превышено для одного, оно будет превышено для всех. Но я предполагаю, что дифференциальное сопротивление вызывает падение напряжения на каждом из них в серии ... но только при протекании тока. Я хотел бы увидеть четкую динамическую модель того, как ведет себя такая серия диодов!
Как контролировать перенапряжение при высоком напряжении?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v