Wysokonapięciowe źródło prądowe - zaprojektowanie

Question

Witam Zajmuję się badaniem emisji polowej. DO tej pory używałem jedynie zasilacza wysokonapięciowego, jednak prąd emisji był bardzo niestabilny. Chcę zrobić przetwornicę DC-DC ze stabilizacją napięcia i tutaj chciałbym zrobić też stabilizację prądu wiązki. Do tego celu chcę wykorzystać źródło...

Konto nie istnieje · Accepted Answer

A czym się różni stabilizacja prądu od stabilnego prądu emisji?

jarek_lnx · Accepted Answer

Ja to bym wysokonapieciowe źródło prądowe robił albo na szeregu MOSFETów połaczonych szeregowo, albo poprzez regulację napiecia zasilającego przetwornicę wysokonapięciową, w pętli sprzężenia zwrotnego sterowanej napieciem na boczniku.

V1 to źródło wysokiego napiecia, V3 sterowanie prądem R8 obciążenie, R6 robi za bocznik, jesli potrzeba lepszej dokładności w pętli sprzężęnia można dodać wzmacniacz, pewną wadą układu jest ograniczenie na minimalną wartość prądu - dzielnik na moim schemacie ma 50MΩ więc przy 2,5kV popłynie przez niego 50uA (oczywiście mozna zmienić tą wartość ale dolny próg zawsze będzie), tranzystory wziąłem z biblioteki symulatora wg zasady wysokonapieciowe na najmniejszy prąd i o małym ładunku bramki.

Konto nie istnieje · Answer

Ale po co chcesz mierzyć prąd na źródle prądowym? Źródło prądowe samo z siebie daje stały prąd, więc nie ma po co go mierzyć. Chyba że w celu weryfikacji.
Natomiast co do samego zasilacza to najprościej chyba zastosować element wykonawczy w postaci lampy elektronowej.

kula001 · Answer

Pomiar na źródle ma właśnie na celu weryfikacje faktycznego prądu emisji. Tylko czy znasz jakieś rozwiązanie, które zadziała dla tak wysokiego napięcia i tak nikłego prądu?
A w zasilaczu właśnie tak się zastanawiałem nad lampą elektronową, ewentualnie nad drugą wyrzutnia taką jaka ma być obiektem sterowania. Wyrzutnia jaką się zajmuje to zimna katoda krzemowa z nanorurkami, z lampami nie mam żadnego doświadczenia. Jakie są typowe potencjały siatek sterujących? Gdybym zastosował tranzystor IGBT (w DC-DC) mógłbym go wysterować bezpośrednio z uC. Tyle że nie wiem jakiego poziomu szumów się spodziewać.

Konto nie istnieje · Answer

Piszesz też coś o wysterowaniu potencjału elektrod.
To to Twoje działo polowe ma elektrody sterujące?
Bo jak tak to jak rozumiem chcesz mieć dwa źródła prądowe w szeregu.
Jedno w zasilaczu. A drugie z wyrzutni polowej. No to tak to nie zadziała.
Trzeba:
1. Albo zasilacz ze stabilizacją prądu i wyrzutnię pracującą na pełnym wysterowaniu.
2. Albo zasilacz bez stabilizacji prądu ale z rezystorem pomiarowym na którym dokonasz pomiaru prądu i odpowiednio wysterujesz elektrody sterujące w wyrzutni. I tym sposobem również uzyskasz stabilizację prądu (prąd stabilizowała będzie sama wyrzutnia).

kula001 · Answer

Do tej pory badałem układ składający się z samej katody i anody, później dodałem bramkę, którą ustalałem prąd emisji, i jeszcze jedną elektrodę sterującą do sterowania przekrojem poprzecznym wiązki. Pisząc o tranzystorze IGBT miałem na myśli tranzystor jaki zamierzam wykorzystać do kluczowania w przetwornicy DC-DC. Ale chyba najlepszym i najprostszym rozwiązaniem dla stabilizacji będzie to drugie, które przedstawiłeś. Spróbuję na razie skonstruować wyrzutnie z trzech elektrod. Na anodę dam stabilne napięcie, a prąd wiązki będę stabilizował potencjałem bramki i to będzie najlepsze rozwiązanie jak sądzę.

Konto nie istnieje · Answer

No zależy co chcesz osiągnąć.
Do samego stabilizowania prądu to będzie najprostsze.
Nie wiem jaka jest charakterystyka sterowania tej wyrzutni.
Jeżeli zbliżoną do triody to do jako takiej stabilizacji wystarczył by szeregowy rezystor z katodą przy siatce/bramce zwartej do masy.
Na siatce wytworzył by się automatyczny minus i miał byś jaki tako ograniczony prąd emisji katody.
Ja nie to wzmacniacz operacyjny i sygnał z rezystora w katodzie podajesz na wejście wzmacniacza. Drugie wejście do jakiegoś napięcia referencyjnego. Wyjście wzmacniacza na bramkę. Tylko pewnie potrzebne będzie ujemne napięcie o to wysokie.

kula001 · Answer

Na razie chcę osiągnąć jedynie stabilizację prądu. Później będę chciał też osiągnąć stabilny prąd emisji i stały ustalony przekrój wiązki. Tutaj będę musiał określić wpływ potencjału poszczególnych elektrod na kształt i utrzymywać stałe proporcje między nimi.

kula001 · Answer

Przepraszam chodziło mi o stabilizację prądu emisji w pierwszym zdaniu właśnie.

kula001 · Answer

Próbowałem zrobić podobną kaskadę na fetach. Znalazłem tranzystor na 1,5kV za rozsądne pieniądze, więc mógłbym ograniczyć się do dwóch tranzystorów. Jednak coraz bardziej przekonuję się do pomysłu z przetwornicą i pętlą z bocznikiem. Dzięki za schemat!

jarek_lnx · Answer

W symulacji działa nawet lepiej niż się spodziewałem, ale z symulacjami to zazwyczaj tak jest (; Jakbym miał budować taki ukłąd wolał bym więcej małych, mają mniejsze pojemności i jest większy wybór, a przy okazji dzielnik będzie dłuższy - bedzie miał większą rezystancję. Tylko trzeba mieć odpowiednią przetwornicę którą da sie regulować w szerokim zakresie, proponował bym push-pull zasilany regulowanym napieciem, na wyjściu to można jescze powielacz dołożyć, żeby było mniej zwojów na wtórnym. Takie rozwiązanie bedzie miało gorsze parametry dynamiczne od tranzystora. Sam jestem ciekaw jak jest z lampami jaki można uzyskać najmniejszy prąd zatkanej lampy, kaskodę lampowo tranzystorową nie było by trudno zrobić.

Konto nie istnieje · Answer

Lampa z natury zatyka się całkowicie przy odpowiednio wysokim ujemnym napięciu na siatce.
Ewentualnego prądu można się spodziewać z siatki gdy będzie ona dostatecznie nagrzana przez katodę. Oraz oczywiście można się spodziewać prądów upływu przez szkło.
Ale przy odpowiednich warunkach powinno się dać zejść do pojedynczych uA.
Szkoda że nie podają takich parametrów w datasheetach lamp.
Ja bym użył PL500/PL504 ale tam podane charakterystyki kończą się na Va = 250V.
A tutaj trzeba by z 10 razy tyle.
(Normalnie te lampy pracują do 7kV, ale w datascheecie podali charakterystyki tylko do 250V)
Ujemne napięcie siatki potrzebne do zatkania lampy przy takim napięciu anodowym może wynieść setki V. Choć to może jeszcze nie jest problem, bo zawsze można użyć drugiej lampy jako sterującej. I ona się już zadowoli kilkoma V.

kula001 · Answer

No właśnie prąd kanału mosfetu przy Ugs=0 to w najlepszym przypadku 150uA. Dlatego też zastanawiam się nad lampami. Z tym, że nie wspomniałem o tym wcześniej, rozmiary urządzenia muszą być miniaturowe. Jak to ujął profesor paczka papierosów. I tu chyba lampy będą przeszkodą. Dlatego właśnie skłaniam się raczej do przetwornicy z pętlą sprzężenia zwrotnego. Pusch-Pull wymagałby użycia miniaturowego transformatora, ale to chyba nie będzie wielki problem. Do tej pory myślałem nad zwykłym boost'em. Jaka jest przewaga pusch-pull'a? Izolacja galwaniczna? Samą przetwornicę chcę zaprojektować w oparciu o jakiś mikrokontroler z 12 lub 16 bitowym przetwornikiem a/c, a tranzystory kluczujące sterować PWM-em. No i pewnie jakieś zabezpieczenia, chociaż na to nie mam pomysłu za bardzo.

jarek_lnx · Answer

Dlatego proponowałem użycie wielu małych tranzystorów te nie mają tak duzych upływności. Taka rola profesora żeby ci skomplikować zadanie, ale miniaturyzacja urządzeń wysokonapięciowych źle się kończy (widziałem kilka popalonych płytek). Jeśli zmieścisz się z odpowiednimi odstępami izolacyjnymi to dobrze, jeśli miał byś coś upychać na siłę - lepiej nie. Przy projektowaniu zazwyczaj trzeba decydować które parametry są ważniejsze, lampy szczególnie te dawno nieprodukowane, to nie jest rozwiązanie którym można sie pochwalić w pracy naukowej, ale jeśli miały by dać lepsze parametry od nowoczesnych rozwiązań to nie należy o nich zapominać. Byle uzwojenie wtórne nie było tak zminiaturyzowane że zabraknie miejsca na izolację (; Mógł byś użyć gotowego transformatora od CCFL. Boost zasilany z niskiego napiecia który da na wyjściu 1kV jest praktycznie niewykonalny, taki na 2,5kV jest jeszcze bardziej niewykonalny (znowu te tranzystory i diody na kV) i pojemności rozproszone ci uniemożliwią uzyskanie takiego napięcia. Transformatory HV mają to do siebie że przebiegi prostokątne raczej nie przechodzą przez nie w postaci prostokątnej więc PWM może nie działać tak jak byś tego oczekiwał.

Konto nie istnieje · Answer

A tak się zastanawiałem dlaczego kula001 napisał że się nie zna na lampach. Bo przecież to co zrobił to właśnie lampa i to nie byle jaka (lampa z odchylaniem strumienia). Myślałem że jedyna wymówka może być to że to jakaś praca naukowa którą tutaj teraz robimy za niego I chyba tak to właśnie wygląda. Swoją drogą można by tu użyć lampy samoróbki z katodą w postaci działa polowego (skoro i tak robisz taką lampę do badań). Nie wymagała by żarzenia i ze względu na małe prądy mogła by być dużo mniejsza.

jarek_lnx · Answer

Nie wiesz jak to jest ze studentami, nie zna sie na lampach, bo zna sie tylko na jednej lampie, umie rozwiązać tylko te zadania które będą na egzaminie (; Ja podaję tylko ogólnie znane rozwiązania, nie mam złudzeń, ludzie zajmujący sie pracą naukową, nie mają takiego poziomu ogólnej wiedzy technicznej jak przecietny konstruktor. Tylko jesli to jest praca naukowa ta lampa może być niedopracowana i mogła by mieć nieprzewidywalne parametry, poza tym jesli wydajność takiej eksperymentalnej katody jest kiepska, to może sprzęt do badań powinien być zrobiony na czymś co dostarczy więcej prądu niż obiekt badany.

kula001 · Answer

@atom1477 z całym szacunkiem, ale wyrzutnia jaką skonstruowałem pokazała mi jak bardzo parametry geometryczne wpływają na parametry elektryczne, zwłaszcza w przypadku zimnej katody. Napięcie bramki może wahać się od dziesiątków woltów do kilowolta. Nigdy nie używałem lamp elektronowych a faktycznie praca jaką robiłem to było moje pierwsze zetkniecie z emisją polową, zatem nie znam parametrów typowych lamp elektronowych. Jestem studentem i sądzę, że to odpowiedni moment by nabyć wiedzę i początkowe doświadczenie, a forum jest po to by pytać i pomagać. Zwłaszcza, że moje studia nie kładą nacisku jedynie na elektronikę. Nie odwalacie za mnie roboty bo jak zauważył @jarek_lnx dajecie mi bardzo cenne wskazówki, jednak nie wykonacie tego za mnie, a od projektu do działającego urządzenia jeszcze daleko. Dziękuję bardzo za zainteresowanie i pomoc. Pozdrawiam

Konto nie istnieje · Answer

A ten cały szacunek to z jakiej okazji? Przecież Ci nie pojechałem. Wręcz przeciwnie, napisałem że jakąś wiedzę jednak masz mimo że piszesz że nie masz. No oczywiście. Nie mniej jednak musisz chociaż sprecyzować co chcesz zrobić. Żebyśmy chociaż tych wskazówek mogli udzielać. Np. co to konkretnie ma robić. Bo zakładałem na początku że ma być układem pomiarowym. Albo testowym. Czyli że mogło by to być duże. A teraz wyszło że to ma mieć wymiary pudełka papierosów, i nie wiadomo dlaczego. Tak mały układ wysokiego napięcia będzie niewygodny w użyciu. Łatwo może spaść ze stołu, można za jakiś kabel pociągnąć i tym samym pociągnąć cały układ. Układy pomiarowe jakieś minimalne wymiary muszą mieć. Nawet multimetry są robione w określonych wymiarach od lat, mimo że dzisiaj by się dało je upchać w obudowę wielkości pudełka zapałek. A właśnie chodzi o wygodę użytkowania. Tak samo ta wyrzutnia. Skoro miała być testowana to znaczy że miała by być za zewnątrz. A teraz już nie wiadomo. Może ma być wbudowana w to całe urządzenie? I pytanie z ciekawości: czy to jest zrobione na trwałe? Tzn. zmontowane w jakiejś obudowie do której napuściłeś próżni i uszczelniłeś? Czy nie, i za każdym razem montujesz to na stanowisku pompowym i uruchamiasz dopiero tam?

kula001 · Answer

Docelowo ma być to labolatoryjne urządzenie pomiarowe, rozwiązanie prekursorskie w skali światowej ja robię tylko małą część tego projektu. Prace nad nim są dopiero w fazie wstępnej. Docelowo ma być to coś w rodzaju soczewki einzel'a, do tej pory skonstruowałem działo o którym pisałem wcześniej, w obecnej chwili dążę do ustabilizowania prądu wiązki, a następnym etapem będzie dołożenie pozostałych elektrod sterujących. Póki co jest to prototyp jednak głównym celem projektu jest miniaturyzacja istniejącego już urządzenia, stąd te wymogi odnośnie wymiarów. Być może będzie to urządzenie przenośne wchodzące w skład mobilnego laboratorium tzw LOC (laboratory on chip). Na obecną chwilę chcę osiągnąć wspomnianą stabilizację, jednak muszę mieć na uwadze wymiary, by później nie okazało się, że urządzenie działa, ale nie spełnia podstawowego założenia.

Wysokonapięciowe źródło prądowe - zaprojektowanie

Post #1

Post #2

Post #3

Post #4

Post #5

Post #6

Post #7

Post #8

Post #9

Post #10

Post #11

Post #12

Post #13

Post #14

Post #15

Post #16

Post #17

Post #18

Post #19

Post #20

Podsumowanie tematu