Diseño de un generador de señales de CA de alta tensión

Question

Estoy tratando de diseñar un generador de señales de CA de alto voltaje para algunos experimentos de laboratorio.

Este esquema es lo más lejos que he llegado y quería comprobar la cordura del enfoque básico antes de continuar, ya que estoy acostumbrado a trabajar en cosas de bajo voltaje de CC.

EDITADO porque me equivoqué completamente en la naturaleza de las formas de onda:

Necesito generar varios pulsos bipolares con un pico de tensión sin carga de alrededor de 120V, pero a muy baja potencia - alrededor de 3 vatios como máximo. Los pulsos son de una longitud fija, pero se envían a una frecuencia variable (Así que hay espacios entre los pulsos para cualquier cosa por debajo de la frecuencia máxima.

Por ejemplo: Una onda de diente de sierra cuya longitud de onda es de 2,5 milisegundos, y una onda completa puede enviarse desde una vez cada segundo hasta 400 veces por segundo.

Lo he basado en torno a un amplificador de audio totalmente diferencial de 3 vatios impulsado por dos DAC de 12 bits (una MCU controlará los dos DAC). La salida del amplificador impulsa la bobina secundaria de un transformador - actualmente secundario de 6V y primario de 240V 50/60Hz. Las bobinas primarias pasan por un relé para poder desconectarlas del terminal de salida del equipo.

El equipo debe ser portátil para que funcione con una batería.

¿Funcionará este enfoque, o voy en la dirección equivocada?

Como mínimo necesito reproducir la siguiente forma de onda. Tiene una duración de 5ms y equivaldría, a la velocidad máxima, a 200Hz. Cualquier cosa más allá de esto es un bono.

Hice algunas pruebas en el banco con un DAC, un amplificador de audio (NO el del esquema) y un transformador de 6V 2,5VA a 240V 50/60Hz. Por desgracia, la salida del amplificador de audio está un poco distorsionada.

Answer 1

Puede funcionar entre 50 Hz y 400 Hz. En ese rango, el transformador evitará la saturación. Si quiere que funcione hasta 1 Hz, tendrá que aplicar un máximo de sólo 1/50 de la tensión nominal de su transformador a cada devanado, y puede esperar obtener sólo 1/50 de la tensión nominal de cualquier devanado. Una frecuencia mínima de 10 Hz significará que no debe aplicar más de 1/5 de la tensión nominal, y así sucesivamente.

Un transformador de red de bajo coste puede tener problemas de pérdidas a 400 Hz. Se pueden conseguir transformadores para 400 Hz, pero cuestan más debido a las láminas más finas.

Puedes conseguir transformadores de audio de potencia, que tendrán el tipo de voltaje adecuado si están diseñados para ser accionados por válvulas y conducir un altavoz de baja impedancia. De nuevo, la respuesta de baja frecuencia será limitada.

Answer 2

El conjunto debe generar señales en una gama de frecuencias de 1-400Hz.

Este es su mayor obstáculo. A 1 Hz, la reactancia inductiva de magnetización del transformador será minúscula comparada con la que tiene normalmente el transformador (alrededor de 50 Hz) y tendrá problemas de saturación del núcleo que sólo se pueden aliviar asegurando que la tensión de accionamiento de CA sea al menos diez veces menor que la tensión secundaria nominal.

A 400 Hz, es probable que funcione bien, pero las pérdidas debidas a las corrientes parásitas pueden causar un problema.

También hay que tener en cuenta que, aunque la relación de reducción puede ser (digamos) de 10:1, probablemente sólo sea de 9:1 para tener en cuenta los problemas de regulación a plena carga. Esto significa que la relación de aumento en una situación sin carga es sólo de 1:9 y, con carga, podría parecer de 1:8.

¿Funcionará este enfoque, o estoy yendo en la dirección equivocada? dirección?

Dirección equivocada. Busca un amplificador que pueda funcionar con una tensión continua mucho mayor y no uses un transformador de salida.

Answer 3

Nunca llegarás a esa forma de onda debido a la inductancia de fuga del transformador, un transformador más pequeño tiene mayor inductancia de fuga, por lo que el dV/dt no puede ser infinito.

Si la forma de la onda no es variable, entonces podrías utilizar un condensador y una resistencia. Encontrarás muchos artículos y cálculos si buscas generador Marx, de una sola etapa para tus necesidades. Ver ejemplo

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Si el transformador tiene un primario de 6V@50Hz, entonces el flujo máximo es proporcional a la integral \$\Phi_{max}\propto\int{V_p dt}\$ de un semiperiodo, donde \$V_p=6\cdot\sqrt{2}\cdot sin100\pi \$ . Si la integral de su forma de onda es menor que \$\Phi_{max}\$ el debería estar bien.

Answer 4

Estoy de acuerdo en que debes utilizar un amplificador de corriente continua. Para amplificar su señal de CA hasta 120V, a continuación es una etapa de refuerzo útil de esta nota de aplicación de Texas Instruments, AN-272 Diseños de amplificadores operacionales (Figura 6).