Wie kontrolliert man Überspannung bei Hochspannung?

Angenommen, wir verwenden einen Spannungsvervielfacher, um einen Hochspannungskondensator aufzuladen ( C Bigim Diagramm). Wenn Sie die Spannung des Kondensators erheblich überschreiten, zerstören Sie ihn.

schematisch

Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan

Nehmen wir nun an, wir sprechen über etwas im 4-kV-Bereich und der Kondensator hat einen sehr niedrigen ESR (10 Milli- Ω). Was sind gute Methoden, um den Kondensator vor Überspannung zu schützen?

Eine Idee, die ich hatte, war, einen Zener-Clipper am AC-Eingang anzubringen und dann den Multiplikator so zu konstruieren, dass er die Designspannung nicht überschreitet, wenn die Eingangsspannungsgrenze bekannt ist.

Aber natürlich passieren auf der C BigSeite der Rennstrecke alle möglichen aufregenden „Sachen“, die zu Rückkopplungsspitzen führen können. Aufgrund des niedrigen ESR des großen Kondensators gehe ich davon aus, dass es keine Möglichkeit gibt, Dioden zu verwenden, um ihn durch Ableiten von Spannungsspitzen zu schützen. Also, wenn es uns interessiert, wird der einzige andere Schutz über FETs erfolgen – vermutlich von Widerstandsspannungsteilern geregelt?

Haben Sie sich "Gasentladungsröhren" wie littelfuse.com/products/gas-discharge-tubes.aspx angesehen
@scorpdaddy - Ja, das ist mit ziemlicher Sicherheit die beste Antwort! Ich hatte diese Komponenten vergessen. Bitte als Antwort posten, damit ich sie akzeptieren kann.
Der Spannungsvervielfacher multipliziert nur die Netzspitzenspannung mit der Stufenzahl. Darüber hinaus vermehrt es sich nicht. Bewerten Sie C1 für diese Spannung und alles wäre in Ordnung, soweit ich sehen kann. Was ist das Problem?
@transistor - Ich nehme an, das einzige Problem auf der Angebotsseite ist das mangelnde Vertrauen in die Stromversorgung. Ich denke, es müsste mehr als ein vorübergehendes Problem sein, den Hauptkondensator durchzubrennen, aber ich weiß nie, wie sehr ich diesen billigen Hochfrequenz-DC-AC-Boostern vertrauen kann. Und dann, wie ich schon sagte, gibt es "Zeug" auf der C BigSeite, das Spitzen bei etwas erzeugen könnte, das bereits eine große Spannung ist. Ich werde das auf dem Diagramm notieren.
@feetwet: Für eine auf TVS-Dioden basierende Klemme ist der Innenwiderstand einer Spitzenquelle von Bedeutung, nicht der ESR des Kondensators. Das liegt daran, dass sich die Spannung am Kondensator niemals augenblicklich ändert. Nicht so für eine Gasentladungsröhre; Wenn die Entladung eingeleitet wird, wird der Strom durch die Röhre nur durch den ESR begrenzt und der Kondensator fast vollständig entladen.
@dmitryvm - Das erfordert eine nähere Erläuterung in einer Antwort. Ich weiß, dass die Spannung des Kondensators eine Zeitkonstante hat. Aber ich gehe davon aus, dass, wenn man eine Spannung anlegt, die weit über der Nennleistung des Kondensators liegt, dieser zerstört wird, wenn die "Überspannung" sein Dielektrikum durchbricht. Wenn dies der Fall ist, besteht das Ziel darin, zu verhindern, dass der Kondensator jemals eine übermäßige Spannung "sieht". Aber bei einem niedrigen ESR gehe ich davon aus, dass der Kondensator immer der attraktivste Strompfad wäre. Mein Verständnis der GDT-Lösung besteht darin, sie als parallelen "Shunt" zu verdrahten, um überschüssige Spannung um den Kondensator herum abzuleiten, nicht durch ihn hindurch.

Antworten (2)

Eine Funkenstrecke ist ein grober spannungsaktivierter Schalter. Es ist offen, bis sich das E-Feld bis zum kritischen Punkt aufbaut, an dem Ladungen überspringen (ein Funke). Das ionisiert die Luft noch mehr, was sie leitfähiger macht usw.

Diese Dinge weisen daher eine Hysterese auf . Es ist nicht klar, ob das in Ihrem Fall wünschenswert ist oder nicht. Mit anderen Worten, eine Funkenstrecke löst nicht bis zu einem bestimmten Spannungspegel aus, aber sobald sie ausgelöst wurde, hört sie erst bei einer viel niedrigeren Spannung auf zu leiten.

Sie können Ihre eigenen Funkenstrecken leicht genug herstellen, aber sie sind nicht sehr genau, da die Durchschlagsspannung der Luft vom Druck und der Luftfeuchtigkeit abhängt, die Sie im Allgemeinen nicht kontrollieren können. Es gibt sogenannte Gasentladungsröhren , die ähnlich wie Funkenstrecken in einer kontrollierten Umgebung sind, sodass strengere Spezifikationen möglich sind.

In diesem Szenario mit einem GDT parallel zum Big Cap und unter der Annahme, dass der Spannungsmultiplikator die Quelle der Überspannung war, würde der GDT vermutlich leiten, bis er den Multiplikator entleert hat? Oder schließt es den Multiplikator effektiv kurz, bis die Spannung des Multiplikators erheblich abfällt? Besser als einen Kondensator braten. Es sei denn, es brät etwas im Multiplikator. Wenn die Stromversorgung vor Überstrom geschützt ist (z. B. durch eine Sicherung oder einen Trennschalter), besteht die Gefahr einer Beschädigung der Vervielfacherkaskade?
@feet: Wie gesagt, eine Funkenstrecke weist eine Hysterese auf, was bedeutet, dass sie auf einem Niveau auslöst, aber weiter leitet, bis die Spannung ein deutlich niedrigeres Niveau erreicht.

Dies ist nicht die vollständige Antwort auf die Frage. Ich werde versuchen, die Rolle der ESR in der Schaltung zu klären, da der Wortlaut der Frage ein Missverständnis darüber enthält.

Nehmen Sie einen ESR von Null an (dh einen idealen Kondensator) und versuchen Sie, die Schaltung wie folgt zu modellieren:

schematisch

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R z e N e R ist kein "externer" Widerstand. Es ist der intrinsische Serienwiderstand einer nicht idealen Zenerdiode (sog. Differenzwiderstand). Jede echte Zener-Diode (TVS) hat einen Differenzwiderstand ungleich Null, der als idealer Zener in Reihe mit einem Widerstand modelliert werden kann. Differenzwiderstand ist keine Konstante; er hängt stark von einem Arbeitspunkt (= Strom durch eine Diode) ab.

Auf welche maximale Spannung wird der Kondensator geladen? Um diese Frage zu beantworten, nehmen Sie an v S P ich k e > v C l A M P , Wo v C l A M P die Klemmspannung der Zenerdiode ist.

Dann wird im stationären Zustand der Strom durch die Zenerdiode sein

ICH z e N e R = v S P ich k e − v z e N e R R S P ich k e + R z e N e R
nach dem Ohmschen Gesetz. Dies ist der stationäre Zustand, was bedeutet, dass der Kondensator für die gegebene maximale Spannung aufgeladen wurde v S P ich k e Pegel, und es fließt kein Strom durch den Kondensator.

Die Spannung am Kondensator wird sein

v C A P = v z e N e R + R z e N e R ICH z e N e R
ersetzen ICH z e N e R wir bekommen
v C A P = v z e N e R + ( v S P ich k e − v z e N e R ) ⏟ Überspannung R z e N e R R S P ich k e + R z e N e R

Sie können sehen, dass es auf den Ausdruck ankommt

R z e N e R R S P ich k e + R z e N e R
das ist der Ausdruck für Spannungsteiler.

Wenn wir einen ESR ungleich Null annehmen, wirkt sich dies nicht auf die Formel aus, da kein Strom durch den voll geladenen Kondensator fließt, was bedeutet, dass am ESR kein Spannungsabfall auftritt.

Wie ich bereits im Kommentar erwähnt habe, spielt der ESR eine Rolle, wenn Gasentladungsröhren (GDT) als Schutzvorrichtung verwendet werden. Das liegt daran, dass sich die IV-Charakteristik einer GDT dramatisch von der IV-Charakteristik einer Zenerdiode unterscheidet. Sobald eine GDS-Durchbruchspannung erreicht ist, beginnt die Entladung und die Spannung über der Röhre fällt auf mehrere zehn Volt (Bogenspannung) ab. Sehen Sie sich https://www.bourns.com/pdfs/bourns_gdt_white_paper.pdf an . Somit begrenzt ESR den GDT-Strom.

Die Annahme und Sorge in der ursprünglichen Frage ist, dass eine Spannungsspitze das Dielektrikum der Kappe durchbrechen kann, sodass es keine Rolle spielt, wie hoch die Ladung der Kappe ist. Aber es sieht so aus, als könnten Sie hier einen Spannungsteiler konstruieren, damit ein Zener mit "niedriger" Spannung Spannung um einen Kondensator herum leiten kann? Angenommen, wir haben eine 1-kV-Versorgung mit einer Kapazität von 1 kV und einen Zener mit einer 100-V-Klemme. Es scheint, dass der Zener-Widerstand mit dem Strom abnimmt – z. B. 3000 bis 300 Ohm . Kann ein "R-Teiler" vor den Zener gestellt werden, damit das funktioniert?
Der Punkt meiner Antwort ist, dass eine Spitze den Kondensator nicht auf eine Spannung aufladen kann, die viel größer als die Zener-Klemmspannung ist, wenn der Innenwiderstand einer Spitzenquelle viel größer als der Zener-Serienwiderstand ist. Die ESR spielen überhaupt keine Rolle (was nicht ganz stimmt, aber eine sehr gute Annäherung ist). Ich meinte nicht, dass Sie eine Niederspannungs-Zerner-Diode mit einem Teiler verwenden können. Auf keinen Fall!
@feetwet: um Missverständnisse auszuräumen: Rzener ist kein externer Widerstand. Es ist der intrinsische Serienwiderstand einer nicht idealen Zenerdiode (sogenannter Differenzwiderstand). Jede echte Zener-Diode (TVS) hat einen Differenzwiderstand ungleich Null, der als idealer Zener in Reihe mit einem Widerstand modelliert werden kann.
Ich bin mir nicht sicher, wie ich einen Widerstand mit einer Überspannung in Verbindung bringen soll. Angenommen, wir haben die Schaltung versehentlich an eine Stromversorgung angeschlossen, die die doppelte Spannungsgrenze der Kappe Vc erzeugt ? Und nehmen wir an, wir haben es geschafft, einen Zener mit der Klemmspannung Vc zu finden . In diesem Fall geht es uns gut. Das Problem ist, dass es keine Zener mit Klemmspannungen im kV-Bereich gibt.
Angenommen, die 2Vc-Stromversorgung ist eine ideale Spannungsquelle, dh sie hat einen Innenwiderstand von null (Rspike = 0). Schauen Sie sich die Formel in meiner Antwort an. Wie Sie sehen können, beträgt die Spannung am Kondensator 2 Vc, nicht Vc, und der Kondensator wird zerstört. Deshalb spielt der Innenwiderstand der Spike-Quelle eine entscheidende Rolle. Es stimmt, es kann schwierig oder unmöglich sein, TVS- (oder Zener-) Dioden im kV-Bereich zu finden. Aber es ist durchaus möglich, Dioden unabhängig von jedem ESR-Wert zu verwenden, falls solche Dioden vorhanden sind. Wahrscheinlich können Sie mehrere TVS-Dioden in Reihe schalten: vishay.ru/docs/88451/stacking.pdf
Ich hatte mich über Dioden in Reihe gewundert. Ich dachte, das könnte nicht funktionieren, denn sobald die Durchbruchspannung (oder "Klemmspannung") für einen überschritten wird, wird sie für alle überschritten. Aber ich denke, der Differenzwiderstand verursacht einen Spannungsabfall über jedem in der Reihe ... aber nur, während Strom fließt. Ich würde gerne ein klares dynamisches Modell sehen, wie sich eine solche Diodenserie verhält!
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