5µs 10kV Pulsgenerator

[Gottfried M. (gottfried_m)]

Ich bin auf der Suche nach einem Beispiel um für einen Materialtest sehr 
kurze Hochspannungspulse zu erstellen. Der Puls soll ziemlich Steil sein 
und eine an Zeit von 5µs haben und dann eine aus Zeit von 95µs. Es wird 
nur ca 100µA Strom benötigt.

Mein erster Intuitiver Gedanke wäre jetzt das über einen gewickelten 
Transformator zu machen mit entsprechendem Tastverhältnis und einem 
Mosfet an der Primärseite. Gibt es für so etwas Beispiele zur Auslegung 
und kann mir da jemand Literatur empfehlen.

[Michael B. (laberkopp)]

Gottfried M. schrieb:
> Es wird nur ca 100µA Strom benötigt.

Deine Kapazität liegt unter 5 Femtofarad ??? )(0.5us Anstiegsflanke).

Kaum zu glauben.

Ich denke bei dir fehlt es massiv an physikalischen Grundlagen.

[Christoph E. (stoppi)]

Wie wäre es mit einem kleinen Marxgenerator gespeist von einem kleinen 
HV-DC-Modul, was um die 2 kV liefert?

Mein Youtube-Video davon: https://www.youtube.com/watch?v=teOs30OGobE

[Falk B. (falk)]

Gottfried M. schrieb:
> Ich bin auf der Suche nach einem Beispiel um für einen Materialtest sehr
> kurze Hochspannungspulse zu erstellen. Der Puls soll ziemlich Steil sein
> und eine an Zeit von 5µs haben und dann eine aus Zeit von 95µs.

Du meinst vermutlich nicht Einzelpulse sondern dauerhafte Pulse dieser 
Art.

> Es wird
> nur ca 100µA Strom benötigt.

Sicher nicht, denn die parasitären Kapazitäten des Ausbaus müssen 
schnell geladen werden. Bestenfalls der ohmsche Anteil deiner Probe 
braucht so wenig Strom.

> Mein erster Intuitiver Gedanke wäre jetzt das über einen gewickelten
> Transformator zu machen mit entsprechendem Tastverhältnis und einem
> Mosfet an der Primärseite.

Nennt sich Zündspule und kann für sowas genutzt werden. Dazu gibt es 
reichlich Beispiele im Internet. Den Trafo will man eher nicht selber 
bauen, viel zu aufwändig.

Für die Pulsformung braucht es einen passenden Spannungsteiler mit 
Kondensator, siehe Anhang. Logischerweise müssen die Widerstände und 
Kondensatoren entsprechend spannungsfest sein.

Um zu prüfen, ob dein Puls aber auch die richtige Spannung und Form hat, 
braucht es einen breitbandigen HV-Tastkopf. Sowas hier.

https://de.farnell.com/testec/15010/hochspannungstastkopf-40mhz-oszilloskop/dp/3373859

https://www.eleparts.co.kr/EPXHTA3Wbrand

[K. F. (ntguser)]

Gottfried M. schrieb:
> Der Puls soll ziemlich Steil sein
> und eine an Zeit von 5µs haben
Welche Spannungsdifferenz ist gefordert?
Es macht einen Unterschied ob es 100 oder 1000V sind.

Michael B. schrieb:
> Deine Kapazität liegt unter 5 Femtofarad ??? )(0.5us Anstiegsflanke).
Woran hast du die denn abgelesen? Erst braucht er das Kabel, dann die 
Länge. Ein Coax hätte z.B. 150pF/m. Sonderlich abgeschirmte Kabel noch 
mehr.
Dann ließe sich die Ladung und der Strom ausrechnen.

Typische Anstiegszeiten für Leistungen sind 30-40V/us. Das könnte noch 
klappen. Der Strom um 50cm Kabel auf zu laden, erfordert aber einen 
Leistungsverstärker.

Gottfried M. schrieb:
> das über einen gewickelten
> Transformator zu machen
Trafos sind nicht für ihre guten Anstiegszeiten bekannt, oder?

[Michael B. (laberkopp)]

K. F. schrieb:
> Woran hast du die denn abgelesen

Ablesen ? 10kV/0.5us/100uA schrieb er doch, der Rest ist 
Grundschulmathematik.

[Günter L. (Firma: Privat) (guenter_l)]

von Gottfried M. schrieb:
>Gedanke wäre jetzt das über einen gewickelten
>Transformator zu machen mit entsprechendem Tastverhältnis und einem
>Mosfet an der Primärseite.

Über einen Trafo kann man keine Gleichspannung übertragen,
auch wenn der Mosfet primärseitig einen Gleichstromimpuls
drauf gibt, entsteht sekundärseitig eine positive und
negative Halbwelle. Die negative Halbwelle ist auch noch
sehr lastabhängig. Bei geringer oder keiner Last entsteht
auch noch mit der parasitären Kapazität ein Schwingkreis.
Das bedeutet, der Impuls ist dann eine abklingende
Wechselspannungsschwingung.

[Uwe B. (Firma: TU Darmstadt) (uwebonnes)]

https://highvoltageshop.com/ -> Hochspannungsmodule koennte evt. ein 
Startpunkt sein.

[Andrew T. (marsufant)]

Gottfried M. schrieb:
> Ich bin auf der Suche nach einem Beispiel um für einen Materialtest sehr
> kurze Hochspannungspulse zu erstellen.

Dieser zum Beispiel:

https://www.brltest.com/index.php?main_page=product_info&cPath=3_40_4007&products_id=6134

Preis ist etwas höher .-)

[Günter L. (Firma: Privat) (guenter_l)]

Eine Ide wäre vieleicht sekundärseitig die negative Halbwelle mit
einer Diode kurz zuschließen. Wie steil der Impuls dann ist
hängt dann von der parasitären Kapazität der Wicklung und
vom Kernmaterial des Trafos ab.
Der Kurzschluß der Diode bewirkt aber einen langsamen
Magnetfeldabbau im Kern.

[Christian M. (likeme)]

Gottfried M. schrieb:
> Ich bin auf der Suche nach einem Beispiel um für einen
> Materialtest sehr
> kurze Hochspannungspulse zu erstellen. Der Puls soll ziemlich Steil sein
> und eine an Zeit von 5µs haben und dann eine aus Zeit von 95µs. Es wird
> nur ca 100µA Strom benötigt.
>
> Mein erster Intuitiver Gedanke wäre jetzt das über einen gewickelten
> Transformator zu machen mit entsprechendem Tastverhältnis und einem
> Mosfet an der Primärseite. Gibt es für so etwas Beispiele zur Auslegung
> und kann mir da jemand Literatur empfehlen.

Kriegst du niemals hin gebastelt. Schau dich nach gebrauchten ESD 
Generatoren um. Noiseken z.B.

[Kilo S. (kilo_s)]

Falk B. schrieb:
> Den Trafo will man eher nicht selber bauen, viel zu aufwändig.

10kV, DC? Wozu der Aufwand, da nimmt man einen fertigen aus einem CCFL 
Inverter. Drei bis vier Stufen kaskade dahinter sollten reichen.

Für mehr und AC hingegen, da lohnt sich das selber wickeln schon. ;-)

Gottfried M. schrieb:
> Mein erster Intuitiver Gedanke wäre jetzt das über einen gewickelten
> Transformator zu machen mit entsprechendem Tastverhältnis und einem
> Mosfet an der Primärseite. Gibt es für so etwas Beispiele zur Auslegung
> und kann mir da jemand Literatur empfehlen.

Gibt sogar ein bisschen was dazu im forum.

Beitrag "Kleine HV Basteleien."

Ist leider etwas eingeschlafen weil ich aktuell wenig Zeit habe, kommt 
aber bald was neues dazu. ;-)

[Gottfried M. (gottfried_m)]

Es muss nicht DC sein es geht nur um die Steilheit und die benötigte 
maximale Spannung.

[Purzel H. (hacky)]

Eine uebliche Schaltung ist der R.J.Baker Avalanche Switch.
"High voltage pulse generation using current mode second breakdown in a 
bipolar junction transistor"
Hier das Paper : https://doi.org/10.1063/1.1142054

Hier koennen sie 2kV in 50 Ohm schalten, mit einer Risetime von 1ns und 
einem Jitter von < 100ps. Der Aufbau ist aber skalierbar

Schalter kann uebrigens bei Behlke (behlke.de) kaufen, bis in die 
duzenden kV

[Gottfried M. (gottfried_m)]

Ich habe folgende Veröffentlichung gefunden: 
https://ietresearch.onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1049/pel2.12438

Mir ist allerdings nicht klar, wie die Isolation funktioniert, wenn die 
nur 5kV Isolation DC/DC Konverter für die Gate Treiber benutzen.

[Uwe (neuexxer)]

Mal überschlagen:

Prüfling mit 1 nF (inkl. Kabel etc.) innerhalb 1µs auf 10 kV
aufgeladen: Dann flössen 10 A.  ---

In Hochspannungstechnik mal gerechnet, wie man sowas mit
Kugelfunkenstrecken und nachgeschalteten Kondensatoren/Widerständen
realisieren kann;
(auch) wg. der Spannung wird Selbstbau in SMD schwierig...

Such' mal unter:    "Blitzschutz 8/20 µs"

[Purzel H. (hacky)]

Diese Marx Kaskade mit Kugelfunkenstrecken basiert auf Parallel Laden 
und Seriell Entladen. Dabei muss nur eine Stufe schalten, dann kommen 
alle von selbst.

[Falk B. (falk)]

Purzel H. schrieb:
> Hier koennen sie 2kV in 50 Ohm schalten, mit einer Risetime von 1ns und
> einem Jitter von < 100ps. Der Aufbau ist aber skalierbar

Das war keine Sekunde gefragt. Aber immer schön Overengineering 
betreiben. Der OP sucht vermutlich nur einen Burst-Generator mit 
moderaten Anstiegszeiten von ein paar hundert Nanosekunden. Allerdings 
sind da 10kV eher exotisch.

[Michael B. (laberkopp)]

Falk B. schrieb:
> Der OP sucht vermutlich nur einen Burst-Generator mit moderaten
> Anstiegszeiten von ein paar hundert Nanosekunden.

Der OP ist vor allem ahnungslos was er sucht.

Nehmen wir nur an, er hat 100pF Last, die er in 100us ein Mal auf 10kV 
aufladen und dann wieder entladen will. Dann braucht er alleine dafür 
10mA aus seiner 10kV Quelle. Und setzt im Schaltelement (Aufladen, 
Entladen, Kondensatorparadoxon) 200W um.

Aber über die Kapazität der Last weiss man ja nichts weil der OP zu 
ahnungslos ist um zu wissen, dass die Info wichtig ist. Selbst nachdem 
man es erwähnt schweigt er sich darüber aus.

[Gottfried M. (gottfried_m)]

Ich hatte mich geäußert und einen Link zu einer Veröffentlichung gezeigt 
wo ich mich frage wie die Gateansteuerung im Detail aussieht. Das wird 
nämlich nicht gezeigt. Insbesondere wie die Isolation aussieht.

[Uwe (neuexxer)]

> Der OP sucht vermutlich nur einen Burst-Generator mit
> moderaten Anstiegszeiten von ein paar hundert Nanosekunden.
> Allerdings sind da 10kV eher exotisch.

Untoppbar!         SCNR

[Falk B. (falk)]

Gottfried M. schrieb:
> Ich hatte mich geäußert und einen Link zu einer Veröffentlichung gezeigt
> wo ich mich frage wie die Gateansteuerung im Detail aussieht. Das wird
> nämlich nicht gezeigt. Insbesondere wie die Isolation aussieht.

Das ist im Moment auch unwichtig. Viel wichtiger ist eine gescheite 
Beschreibung deiner Pulsform und der Last.

5us Pulsbreite, 100us Periodendauer (10kHz)
Welche Anstiegszeiten?
Einzelpuls oder Dauerpulse?
Welchen ohmschen Widerstand und welche Kapazität hat die Last?
Muss es wirklich ein lehrbuchhaftes Rechteck sein oder eher die üblichen 
Pulse für EMV-Test?
Soll die Spannung variable sein?
Wie genau soll die Spannung sein?

Je anch Anforderungen kann die Schaltung/das Gerät eher einfach oder 
auch sehr aufwänig werden.

Ein sehr einfacher Ansatz ist eine Funkenstrecke (Gasableiter) und ein 
paar passende Widerstände und Kondensatoren. Damit baut man sich einen 
HV-Kippschwinger, der dann das Burstsignal erzeugt. Nicht super genau, 
dafür super einfach und billig.

[Andrew T. (marsufant)]

Gottfried M. schrieb:
> Mir ist allerdings nicht klar, wie die Isolation funktioniert, wenn die
> nur 5kV Isolation DC/DC Konverter für die Gate Treiber benutzen.

die ist ja auch nicht der kritische Punkt.

Denn: Die eigentliche Isolation zur Ansteuerung geht über die 
Lichtleitfaser,
Details sind ja in Kap. 4.4 auf p.923 der Veröffentlichung beschrieben.
Das kannst Du je nach Länge der Faser bis in den MV Bereich bringen.

Der Rest an Elektronik:  ist je eine Standard Applikation der dort im 
Detail gelisteten Komponenten.



Noch mal als Tip an den TE wenn man schon in der Welt der 
Wissenschaftlichen Bibliotheken sucht:
Für solche Detailfragen schreibt/mailt/chattet man die Autoren des paper 
an.
Wenn man da freundlich fragt und den (wissenschaftlichen) Hintergrund 
der eigenen Fragen etwas beleuchtet, kriegt man auch gute Antworten.

Ist besser und deutlich effizienter, als hier  "wild" in uC.net zu 
stochern.

[K. F. (ntguser)]

Falk B. schrieb:
> Ein sehr einfacher Ansatz ist eine Funkenstrecke (Gasableiter) und ein
> paar passende Widerstände und Kondensatoren. Damit baut man sich einen
> HV-Kippschwinger, der dann das Burstsignal erzeugt. Nicht super genau,
> dafür super einfach und billig.

Das ist jetzt nicht dein Ernst?

[Falk B. (falk)]

K. F. schrieb:
>> HV-Kippschwinger, der dann das Burstsignal erzeugt. Nicht super genau,
>> dafür super einfach und billig.
>
> Das ist jetzt nicht dein Ernst?

Aber sicher. Je nach Anforderungen KANN das reichen. McGyver rulez! ;-)

[Kilo S. (kilo_s)]

Gottfried M. schrieb:
> Es muss nicht DC sein es geht nur um die Steilheit und die benötigte
> maximale Spannung.

Dann verabschiede dich vom Gedanken das mit den üblichen billigen 
Modulen hin zu bekommen.

Einer meiner Trafos (Zeilentrafo kernmaterial) Wickelkörper aus einem 
alten OBIT (Ölheizung, Zündtrafo) schafft bisher maximal 18kV AC bei 
geringem Strom. Gut, bei 0,3mm Draht dürftest du die geforderten 10kV 
haben und könntest auch mehr Strom entnehmen, das du damit so "Schnell" 
10kV auf einen Punkt entladen bekommst glaub ich allerdings nicht.
Die Ansteuerung mit Fet und NE555 ist auch so ne Sache, ich hab 
zwischenzeitlich den Kühlkörper zur Hälfte in einer Schale Wasser 
versenkt um die Hitze los zu werden.
Die Tage sind mir noch mal zwei neue HV Trafos aus einem großen (>1m 
diagonale) TV CCFL Inverter zugelaufen. Fiese kleine Dinger! Nur so um 
die 3-5kV (nur kurz grob geschätzt über funkenstrecke) aber genug Strom 
um das plasma nach dem zünden auf +/-11mm zu ziehen und den plasmakanal 
recht stabil aufrecht zu halten.
Allerdings noch immer nicht genug Strom für deinen fall.

Hohe Spannung AC heißt viel Isolation, sonst brutzeln die Wicklungen 
gerne mal weg.

HV DC geht da schon besser, du kannst Trafos mit kleinerer 
Ausgangsspannung und höherem Strom verwenden, Dioden mit 12-15kV und 
einigen hundert mA gibt's für 5€/10stk. Und 20 HV Kondensatoren mit 30kV 
gibt's für 10€.
Dazu ein Neontrafo, der kann je nach Größe auch viel Strom.

Dann bräuchte es nur noch einen großen HV Kondensator, den muss man nur 
noch schnell genug auf das DUT schalten.

Wenn du einen Schalter findest der das kann.