Generator napięcia impulsowego / generator Marxa - schemat, zasada działania i zastosowania

W elektronice przepięcia są bardzo krytyczną rzeczą i jest to koszmar dla każdego projektanta obwodów. Te przepięcia są powszechnie określane jako impuls, który można zdefiniować jako wysokie napięcie, zwykle o wartości kilku kV, które występuje przez krótki czas. Charakterystykę napięcia impulsowego można zauważyć przy wysokim lub niskim czasie opadania, po którym następuje bardzo wysoki czas narastania napięcia. Przykładem przyczyn naturalnych, które powodują napięcie impulsowe, jest wyładowanie atmosferyczne. Ponieważ to napięcie impulsowe może poważnie uszkodzić sprzęt elektryczny, ważne jest, aby przetestować nasze urządzenia pod kątem napięcia udarowego. Tutaj używamy generatora napięcia impulsowego, który generuje wysokie napięcie lub przepięcia prądu w kontrolowanej konfiguracji testowej. W tym artykule dowiemy się odziałanie i zastosowanie generatora napięcia impulsowego. Więc zacznijmy.

Jak powiedziano wcześniej, generator impulsów wytwarza krótkotrwałe przepięcia przy bardzo wysokim napięciu lub bardzo wysokim prądzie. Zatem istnieją dwa rodzaje generatorów impulsów, generator napięcia impulsowego i generator prądu impulsowego. Jednak w tym artykule omówimy generatory napięcia impulsowego.

Przebieg napięcia impulsu

Aby lepiej zrozumieć napięcie impulsowe, przyjrzyjmy się przebiegowi napięcia impulsowego. Na poniższym obrazku pokazano pojedynczy szczyt przebiegu impulsu wysokiego napięcia

Jak widać, fala osiąga maksymalne 100-procentowe maksimum w ciągu 2 uS. Jest to bardzo szybkie, ale wysokie napięcie traci swoją siłę przy rozpiętości prawie 40uS. Dlatego impuls ma bardzo krótki lub szybki czas narastania, podczas gdy bardzo wolny lub długi czas opadania. Czas trwania impulsu nazywany jest ogonem fali, który jest określony przez różnicę między trzecim znacznikiem czasu ts3 i ts0.

Jednostopniowy generator impulsów

Aby zrozumieć działanie generatora impulsów, przyjrzyjmy się schematowi obwodu jednostopniowego generatora impulsów, który jest pokazany poniżej

Powyższy obwód składa się z dwóch kondensatorów i dwóch rezystancji. Iskrownik (G) to elektrycznie izolowana szczelina między dwiema elektrodami, w której pojawiają się iskry elektryczne. Na powyższym obrazku pokazano również źródło zasilania wysokiego napięcia. Każdy obwód generatora impulsów wymaga co najmniej jednego dużego kondensatora, który jest ładowany do odpowiedniego poziomu napięcia, a następnie rozładowywany przez obciążenie. W powyższym obwodzie CS jest kondensatorem ładującym. Jest to kondensator wysokiego napięcia, zwykle o wartości znamionowej powyżej 2 kV (w zależności od pożądanego napięcia wyjściowego). Kondensator CB to pojemność obciążenia, która rozładuje kondensator ładujący. Rezystor oraz RD i RE kontrolują kształt fali.

Jeśli przyjrzymy się uważnie powyższemu obrazowi, możemy stwierdzić, że G lub iskiernik nie ma połączenia elektrycznego. Jak więc pojemność obciążenia uzyskuje wysokie napięcie? Oto sztuczka i dzięki temu powyższy obwód działa jako generator impulsów. Kondensator jest ładowany do momentu, gdy naładowane napięcie kondensatora będzie wystarczające do przekroczenia iskiernika. Impuls elektryczny generowany przez iskiernik i wysokie napięcie jest przenoszony z lewego zacisku elektrody do prawego zacisku elektrody iskiernika, tworząc w ten sposób połączony obwód.

Czas odpowiedzi obwodu można kontrolować zmieniając odległość między dwiema elektrodami lub zmieniając w pełni naładowane napięcie kondensatorów. Obliczenie napięcie wyjściowe impuls można zrobić poprzez obliczenie przebieg napięcia wyjściowego z

v (t) = (E ^{- α t} - E ^{- β t})

Gdzie, α = 1 / R _d C _b β = 1 / R _e C _z

Wady jednostopniowego generatora impulsów

Główną wadą jednostopniowego obwodu generatora impulsów jest rozmiar fizyczny. W zależności od wysokiego napięcia, komponenty stają się większe. Ponadto generowanie wysokiego napięcia impulsowego wymaga wysokiego napięcia stałego. Dlatego w przypadku jednostopniowego obwodu generatora napięcia impulsowego uzyskanie optymalnej wydajności jest dość trudne, nawet po zastosowaniu dużych zasilaczy prądu stałego.

Kulki używane do połączenia szczelinowego również wymagały bardzo dużych rozmiarów. Korona, która jest wyładowywana w wyniku generowania napięcia impulsowego, jest bardzo trudna do stłumienia i zmiany kształtu. Żywotność elektrody skraca się i wymaga wymiany po kilku cyklach powtórzeń.

Generator Marksa

Erwin Otto Marx dostarczył wielostopniowy obwód generatora impulsów w 1924 r. Obwód ten jest specjalnie używany do generowania wysokiego napięcia impulsowego ze źródła zasilania o niskim napięciu. Obwód multipleksowanego generatora impulsów lub potocznie nazywany obwodem Marxa można zobaczyć na poniższym obrazku.

Powyższy obwód wykorzystuje 4 kondensatory (może być ich liczba n), które są ładowane przez źródło wysokiego napięcia w warunkach równoległego ładowania przez rezystory ładowania R1 do R8.

Podczas stanu rozładowania iskiernik, który był obwodem otwartym podczas stanu ładowania, działa jak przełącznik i łączy szeregową ścieżkę przez baterię kondensatorów i generuje bardzo wysokie napięcie impulsowe na obciążeniu. Stan rozładowania jest pokazany na powyższym obrazku za pomocą fioletowej linii. Napięcie pierwszego kondensatora należy przekroczyć na tyle, aby rozbić iskiernik i aktywować obwód generatora Marxa.

W takim przypadku pierwszy iskiernik łączy dwa kondensatory (C1 i C2). Dlatego napięcie na pierwszym kondensatorze podwaja się o dwa napięcia C1 i C2. Następnie trzeci iskiernik automatycznie się psuje, ponieważ napięcie na trzecim iskierniku jest wystarczająco wysokie i zaczyna dodawać napięcie trzeciego kondensatora C3 do stosu, a to idzie aż do ostatniego kondensatora. Wreszcie, gdy osiągnięta zostanie ostatnia i ostatnia przerwa iskrowa, napięcie jest wystarczająco duże, aby przerwać ostatnią przerwę iskrową na obciążeniu, która ma większą szczelinę między świecami zapłonowymi.

Końcowe napięcie wyjściowe w końcowej szczelinie będzie równe nVC (gdzie n to liczba kondensatorów, a VC to napięcie naładowane kondensatora), ale jest to prawdą w idealnych obwodach. W rzeczywistych scenariuszach napięcie wyjściowe obwodu generatora impulsów Marxa będzie znacznie niższe niż rzeczywista pożądana wartość.

Jednak ta ostatnia iskra musi mieć większe przerwy, ponieważ bez tego kondensatory nie przechodzą w stan pełnego naładowania. Czasami zrzut jest wykonywany celowo. Istnieje kilka sposobów rozładowania baterii kondensatorów w generatorze Marxa.

Techniki rozładowania kondensatorów w generatorze Marksa:

Pulsacja dodatkowej elektrody wyzwalającej : Pulsowanie dodatkowej elektrody wyzwalającej jest skutecznym sposobem celowego wyzwalania generatora Marxa w stanie pełnego naładowania lub w specjalnym przypadku. Dodatkowa elektroda wyzwalająca nosi nazwę Trigatron. Dostępne są różne kształty i rozmiary Trigatron z różnymi specyfikacjami.

Jonizowanie powietrza w szczelinie : Zjonizowane powietrze jest skuteczną ścieżką, która jest korzystna dla przewodzenia iskiernika. Jonizacja odbywa się za pomocą lasera impulsowego.

Zmniejszenie ciśnienia powietrza wewnątrz szczeliny : Zmniejszenie ciśnienia powietrza jest również skuteczne, jeśli iskiernik jest zaprojektowany wewnątrz komory.

Wady generatora Marksa

Długi czas ładowania: generator Marxa wykorzystuje rezystory do ładowania kondensatora. W ten sposób czas ładowania rośnie. Kondensator znajdujący się bliżej zasilacza ładuje się szybciej niż pozostałe. Wynika to ze zwiększonej odległości z powodu zwiększonej rezystancji między kondensatorem a zasilaczem. Jest to główna wada generatora Marxa.

Utrata sprawności: z tego samego powodu, co wcześniej opisano, ponieważ prąd przepływa przez rezystory, sprawność obwodu generatora Marxa jest niska.

Krótka żywotność iskiernika: powtarzający się cykl wyładowania przez iskiernik skraca żywotność elektrod iskiernika, które wymagają okresowej wymiany.

Czas powtarzania cyklu ładowania i rozładowania: Ze względu na długi czas ładowania, czas powtarzania generatora impulsów jest bardzo długi. To kolejna poważna wada obwodu generatora Marksa.

Zastosowanie obwodu generatora impulsów

Głównym zastosowaniem obwodu generatora impulsów jest testowanie urządzeń wysokiego napięcia. Odgromniki, bezpieczniki, diody TVS, różne typy zabezpieczeń przeciwprzepięciowych itp. Są testowane za pomocą generatora napięcia impulsowego. Nie tylko na polu testowym, ale obwód generatora impulsów jest również podstawowym instrumentem używanym w eksperymentach fizyki jądrowej, a także w przemyśle laserowym, syntezie jądrowej i urządzeniach plazmowych.

Generator Marxa jest używany do celów symulacji efektów wyładowań atmosferycznych na osprzęcie sieciowym oraz w przemyśle lotniczym. Jest również używany w maszynach X-Ray i Z. Inne zastosowania, takie jak testowanie izolacji urządzeń elektronicznych, są również testowane za pomocą obwodów generatora impulsów.