Bezpieczeństwo kaskady Villarda

Mój nastoletni syn ostatnio buduje mnożniki Cockcroft-Walton w wolnym czasie i jestem potencjalnie trochę zaniepokojony, jeśli sam sobie porazi prądem. Jego obwód jest zasilany szeregowo 4 ogniwami AA (6 V), a sądząc po iskierniku, udało mu się dotrzeć do około 6 kV za pomocą oscylatora i transformatora, a następnie kaskady Cockcroft-Walton. Ponieważ buduje to na prostej płycie chlebowej, nie ma między nim izolacji a częściami obwodu, a on już powiedział mi, że miał kilka wstrząsów.

Jestem fizykiem pracującym na uniwersytecie, więc sprawdziłem przepisy dotyczące urządzeń gospodarstwa domowego w Europie i myślę, że powinno być w porządku (używamy tych samych przepisów do oceny wersji demonstracyjnych generatorów Van der Graafa). Całkowita pojemność obwodu kaskady kończy się na poziomie około 1nF, więc przy 6000 V całkowite ładowanie powinno wynosić 6uC, co moim zdaniem powinno być bezpieczne (EN-60335-1), ale ponieważ nie jestem inżynierem, nie jestem pewien .

Moje pytanie brzmi: czy powinienem powstrzymać mojego syna przed budowaniem? Zawsze zachęcałem do kreatywności i jego zamiłowania do elektroniki, ale nie chcę, aby doznał kontuzji lub pogorszył się.

Wstrząs jest dobry. Zrzucanie lutu na odzież i skórę jest dobre. Dobrze jest wcierać palce w ostre metalowe krawędzie. Ludzie przetrwają, odkrywając. Ludzie uczą się z bólu. W przeciwnym razie będziemy się kulić na bagnach.

Jako dziecko czułem mrowienie w palcach 117 VAC od starych transformatorów mocy. Nauczyłem się siadać na drewnianych krzesłach i nie dotykać palcami stóp do betonowej podłogi.

Później, podczas „kalibrowania” oscyloskopu, odepchnąłem odsłonięty lunetę do metalowej ławki laboratoryjnej, dotykając gniazda rurki lunety EICO do ławki, a potem pochyliłem się do przodu z brzuszkiem o przednią część ławki przez moją koszulę, i ponownie dotknąłem mojej piersi przez koszulę do podwozia lunety, gdy sięgnąłem daleko, by wyregulować potencjometr „ogniskowania”. 3000 woltów w poprzek klatki piersiowej. Siedziałam oszołomiona przez kilka minut.

Ale miałem jeszcze kilka lekcji na temat wysokiego napięcia, których jeszcze nie mogłem się nauczyć.

Pozwól swojemu synowi obejrzeć filmy przedstawiające śmierć pod wysokim napięciem

Naucz go sztuczki „trzymaj jedną rękę w kieszeni” wokół wysokiego napięcia.

EDYCJA: Potem jest wysoki prąd; Profesor college'u powiedział o koledze, który stracił lewy palec serdeczny, ponieważ obrączka zakończyła się wysoką ścieżką prądu , powodując, że pierścień świeci na czerwono, zabijając skórę, mięśnie, ścięgna i kość.

Miałem też układy scalone sterownika bramki MOSFET wysadzające górę opakowania, podczas zdarzenia „bipolarnego snapbacku”, kiedy kondensatory magazynujące 1000 μF w ogromnym zasilaniu laboratoryjnym HP musiały rozładować swoją energię do 2 mm × 4 mm krzem sterownika bramy. Żadne z nas trzech, unoszące się dość blisko, nie zostało trafione. Ale potem zawsze umieszczałem na obwodzie arkusz papieru, aby przechwytywać kolejne zrzuty energii układu scalonego. Energia? Założono, że 1/2 * C * V ^ 2 = 0,5 * 1000uf (nie otworzyło zasilania HP) * 20v * 20v = 200 mililuli, co wyjaśnia, dlaczego plastikowy blat DIP został zdmuchnięty. I brakowało nam naszych 6 oczu (które nosiłem okulary).

EDYCJA: Rozgrywka w bramce była przypadkowa, ponieważ wziąłem lekcję do serca i zdałem sobie sprawę z niebezpieczeństwa gromadzenia energii w 1000 mikroprocesorach. Nauczyłem się drażnić smoka w ocenie bipolarnego snapbacka, pozwalając tylko 1000 pF na całej bramce sterownika, z rezystorem 220 Ω na (eksperymentalnie zmiennym) Vdd. Używając długiego ołowiu 1000 pF (3 ″ odprowadzeń, łącznie 6 ″ lub 100 nanohenry) wraz z zewnętrznym 1000 pF i wewnętrznym podłożem studni ~ 1000 pF, podczas zdarzeń przełączania krzem VDD_GND zapadnie się, a następnie odbije 5 lub 10 lub 15 woltów powyżej wartości znamionowej 18 woltów. Na pewnym poziomie opóźnienie dzwonienia (100 nH i 500 pF pierścieni przy 22 MHz) indukowało wystarczającą przejściową ładunek do krzemu, że nastąpiło bipolarne snapback, a VDD (dostarczone przez 1, 000 pF) zostanie zassane do 16 lub 17 woltów, po czym snapback sam się wygaśnie. Uruchomiłem te urządzenia, w trybie snapback z częstotliwością 100 kHz, bez żadnych uszkodzeń, ponieważ zdiagnozowałem ścieżkę ładunku przejściowego i zdałem sobie sprawę, że reguły układu wymagają zmiany. Serendipity. Energia? 0,5 * C * V ^ 2 = 0,5 * {total protoboard + krzemu Cap = 2000 pF} * 31,6 woltów ^ 2 = 1000 pF * 1000 (wolty ^ 2) = 1 mikroJoule.

Kilkadziesiąt lat temu, wracając z lunchu, kazano iść do laboratorium i badać „śmieci” na ławce XXXX. Była 6-panelowa deska do owijania (30 * 6 = 180 układów scalonych), wiele układów scalonych ze zdjętymi blatami. Okazuje się, że zwisający luźny drut zwinął się wokół i pod krawędzią przedniej ławki oraz ** INTO * kontakt na gorąco o mocy 117VAC. W ten sposób zarząd chciał, aby wszyscy inżynierowie, technicy i przerobili ludzi, aby zrozumieli niebezpieczeństwo, że sprężyste, kręcone druty z drutu pozostaną zawieszone.

Ahhhh Z jakiegoś powodu przydzielony do 400-watowego przełączania Tritek na kilka tygodni. Żeby dać mi doświadczenie w przełącznikach; Nie byłem projektantem. Wielokrotnie, protektorowe oporniki drutowe 5-watowe 5 Ω - wybuchły - ich ceramiczne rdzenie wysadzono w ogrzewanej obudowie i po przejściu między ławkami, drut oporowy ciągnął się za drutem naprowadzającym jak rakieta TOW. Nauczyliśmy się nie przeszkadzać.

Dla bezpieczeństwa i bez szumu we wzmacniaczach high-gain (100dB i 120dB) nauczyłem się korzystać z akumulatorów 9volt „B” 3 ”na 3” na 4 ”. Wysoki Rout powodował oscylacje, prawie cały czas, aż nauczyłem się implementować „lokalne baterie” z RC LPF w stopniach VDD do LNA. Całkiem zbiór 5000 kapsli, które miałem.

Wygląda bezpiecznie przed tym, co opisujesz, o ile używa tylko baterii i utrzymuje małe kondensatory. Mnożniki CW zwiększają napięcie, ale zmniejszają prąd, więc na końcu wyjściowym będzie tylko kilkaset mikroamperów.

EN60335-1 sugeruje, że przy 15 kV, o ile całkowity ładunek szoku jest mniejszy niż 45 mikrokolumb, nie powinno być niebezpieczeństwa. Obwód twojego syna wygląda na znacznie niższy niż Q = CV. Oczywiście, jeśli zacznie podnosić coraz wyższe napięcia, będzie musiał zmniejszyć rozmiar czapek, aby zachować bezpieczeństwo. Przy 6000 V i 1 nF każdy „wstrząs” będzie przypominał wyładowanie elektrostatyczne z klamki drzwi. Jest to również podobny rodzaj produkcji, jaki mają komercyjne produkty do bydła.

Inną właściwością kaskad CW jest to, że napięcie wyjściowe i prąd zależą od obciążenia: im niższa rezystancja obciążenia, tym niższy prąd, co czyni je naprawdę nieefektywnymi, ale może również uratować bekon, jeśli chcesz się do niego przywiązać.

Zgadzam się również, że powinien być nadzorowany, myślę, że to prawie oczywiste.

Myślę, że jedynym sposobem, aby 4 baterie AA (lub D itp.) Były niebezpieczne w obwodzie, byłoby użycie takiego obwodu jak wyżej do naładowania ogromnego kondensatora. Mogę się jednak mylić.

Sejf to pojęcie względne, to, co jest bezpieczne dla jednej osoby, może nie być dla innej, a jako profesjonalista nie mogę powiedzieć, że jest w 100% bezpieczny. Wygląda na to, że zaangażowane energie są dość trywialne, ale to nie znaczy, że nie podłączy się do transformatora mocy za godzinę, aby uzyskać większą iskrę. Ponadto, nawet przy tych wartościach, mógłby przepalić kondensator i spowodować jego gwałtowne uszkodzenie. Okulary ochronne byłyby dobrym pomysłem na to i na inne projekty.

Praca z elektrycznością zawsze wiąże się z ryzykiem. Mogą to być porażenie prądem, eksplozja, oparzenia, pożar, ekspozycja chemiczna i kilka innych. To właśnie wiąże się z charakterem pracy.

Powinieneś go zatrzymać? Cóż, możesz spróbować, ale lepiej, aby był odpowiednio poinformowany o ryzyku i środkach bezpieczeństwa, które powinien podjąć, aby ograniczyć swoją podatność na ryzyko. Środki te powinny obejmować ścisłe ograniczenie: „Nie bawimy się elektrycznością, gdy nikogo nie ma w pobliżu!” .

Istnieje wiele prostych i złożonych wytycznych on-line.

Być może spędzić z nim trochę czasu podczas eksperymentów. Może ci się to podobać i jestem pewien, że twój syn to doceni.

DODATEK: Jednak jako rodzic podejmowałbym środki, aby upewnić się, że miejsce pracy chłopca jest odpowiednio wyposażone. Ważne są odpowiednie narzędzia, sprzęt, gniazdka z uziemieniem, oświetlenie, wentylacja.

ZAGROŻENIE! Uderzenie serca wyładowaniem nasadki zależy od energii, a nie od kulombów.

Zobacz pdf: IEEE 2009: system klasyfikacji zagrożeń elektrycznych

Ogólnie rzecz biorąc, źle jest pozwolić, aby kondensatory dostały się do zakresu 10 dżuli i więcej. Oczywiście dotyczy to zrzutów przez klatkę piersiową. Znaczące zagrożenie ze strony serca zaczyna się od wyładowań 20 dżuli. Poniżej 10 dżuli głównym problemem są skurcze mięśni, krojenie przez trzaskanie ostrych przedmiotów itp.

0,001uF i 6KV daje 36 milijouli. Całkiem bezpieczne, choć trochę bolesne.

Mimo to efekty sercowe zależą od gęstości energii, a nie tylko dżuli. Jeśli włożysz do klatki piersiowej ostro zakończony kondensator, energia dostarczona do układu rozrusznika serca byłaby o rząd wielkości większa niż w przypadku dotknięcia tych samych zacisków kondensatora dwiema rękami.

Podczas pracy z systemami wyrzucania nasadek używaj tylko jednej ręki. W ten sposób przypadkowe wyładowania nie przejdą przez twoją klatkę piersiową. Albo jeszcze lepiej, zawsze pozostań bardzo przerażony i paranoikiem, że popełnisz błąd i otrzymasz zły zap. Pewien poważny szacunek (jeśli nie zwykły terror) posuwa się daleko w zachęcaniu do odpowiednich badań z wyprzedzeniem i unikaniu rozwijania jakichkolwiek nieświadomych ryzykownych zachowań w kontaktach z kondensatorami kilowoltowymi.

Było kilka wskazówek na temat „zasilania z baterii, kropka”. Jest dobry powód, aby tego nie robić w przypadku eksperymentów, w których generowanych jest kilka kilowoltów, nawet jeśli używane jest normalnie bezpieczne źródło zasilania podłączone do sieci, a tak naprawdę nie zostało to tutaj wspomniane.

Wysokie napięcia w ilości (maksymalny podtrzymany prąd, zmagazynowana energia), które normalnie nie byłyby w stanie wyrządzić ci wielu trwałych uszkodzeń, wciąż niosą przynajmniej następujące zagrożenia:

• może zniszczyć izolację pierwotną do wtórnej nawet w solidnym zasilaczu - w najgorszym przypadku na stałe, więc rzeczy, które nie powinny być teraz podłączone bezpośrednio do sieci . Nawet zasilacz zbudowany perfekcyjnie zgodnie ze standardami bezpieczeństwa może mieć awarię izolacji, jeśli omyłkowo doprowadzisz do ziemi więcej niż około 3-4 kV do któregokolwiek z jego zacisków

• Wysokie napięcie bardzo łatwo uderza w łuki. Jeśli uda ci się uderzyć łukiem w cokolwiek, co ma pod napięciem sieć zasilającą (może to być niedokładnie izolowane złącze w pobliżu twojego zestawu, jak na przykład nasadka przewodu nie włożona do końca do gniazda lub coś odsłoniętego przez otwór wentylacyjny w zasilaniu skrzynka zasilająca ...), ten łuk jest teraz przewodnikiem doskonale zdolnym do przewodzenia wszystkiego, co jest z nim połączone (jeśli masz szczęście, łuk trwa tylko do momentu przejścia przez zero prądu przemiennego).