Impulzusfeszültség-generátor / marx-generátor - kapcsolási rajz, működési elv és alkalmazások

Az elektronikában a túlfeszültség nagyon kritikus dolog, és ez minden áramkörtervező számára rémálom. Ezeket a túlfeszültségeket általában impulzusnak nevezik, amelyet nagyfeszültségként lehet definiálni , jellemzően néhány kV-ban, amely rövid ideig tart. Az impulzusfeszültség jellemzői magas vagy alacsony esési idővel, majd nagyon magas feszültség emelkedési idővel figyelhetők meg, a villám az impulzusfeszültséget okozó természetes okok példája. Mivel ez az impulzusfeszültség súlyosan károsíthatja az elektromos berendezéseket, fontos, hogy teszteljük készülékeinket az impulzusfeszültség ellen. Itt használunk egy impulzusfeszültség-generátort, amely egy ellenőrzött tesztbeállításban nagyfeszültségű vagy áramlökéseket generál. Ebben a cikkben megismerjük aaz impulzusfeszültség-generátor működése és alkalmazása. Tehát kezdjük.

Mint korábban elmondtuk, egy impulzusgenerátor ezt a rövid időtartamú túlfeszültséget hozza létre nagyon nagy feszültséggel vagy nagyon nagy árammal. Így kétféle impulzusgenerátor létezik, az impulzusfeszültség- generátor és az impulzusáram-generátor. Ebben a cikkben azonban az impulzusfeszültség-generátorokat tárgyaljuk.

Impulzusfeszültség hullámformája

Az impulzusfeszültség jobb megértése érdekében vessünk egy pillantást az impulzusfeszültség hullámalakjára. Az alábbi képen a nagyfeszültségű impulzus hullámalakjának egyetlen csúcsa látható

Mint látható, a hullám 2 uS-en belül eléri a maximális 100 százalékos csúcsot. Ez nagyon gyors, de a nagyfeszültség szinte 40uS-os fesztávval veszít erejéből. Ezért a pulzusnak nagyon rövid vagy gyors emelkedési ideje van, míg nagyon lassú vagy hosszú esési ideje van. Az impulzus időtartamát hullámfarknak nevezzük, amelyet a ts3 3. időbélyeg és a ts0 közötti különbség határoz meg.

Egyfokozatú impulzusgenerátor

Az impulzusgenerátor működésének megértése érdekében vessen egy pillantást az alábbiakban bemutatott egyfokozatú impulzusgenerátor kapcsolási rajzára.

A fenti áramkör két kondenzátorból és két ellenállásból áll. A szikraköz (G) egy elektromosan elkülönített rés két elektróda között, ahol elektromos szikrák történnek. A fenti képen nagyfeszültségű áramforrás is látható. Bármely impulzusgenerátor áramkörhöz legalább egy nagy kondenzátorra van szükség, amelyet megfelelő feszültségszintre töltenek fel, majd terheléssel kisütnek. A fenti áramkörben a CS a töltőkondenzátor. Ez egy nagyfeszültségű kondenzátor, általában nagyobb, mint 2 kV névleges érték (a kívánt kimeneti feszültségtől függ). A CB kondenzátor az a terhelési kapacitás, amely lemeríti a töltőkondenzátort. Az ellenállás, valamint az RD és a RE szabályozza a hullám alakját.

Ha a fenti képet gondosan megfigyeljük, megállapíthatjuk, hogy a G vagy a szikrahézagnak nincs elektromos csatlakozása. Akkor hogyan éri el a terhelési kapacitás a nagy feszültséget? Itt van a trükk, és ez által a fenti áramkör impulzusgenerátorként működik. A kondenzátort addig töltik, amíg a kondenzátor feltöltött feszültsége nem elegendő a szikra rés áthaladásához. A szikraközön és a nagyfeszültségen keresztül generált elektromos impulzus a bal elektróda kapcsa és a szikra közötti elektród jobb oldali kapcsa felé kerül, és ezáltal összekapcsolt áramkör lesz.

Az áramkör válaszideje szabályozható két elektróda közötti távolság változtatásával vagy a teljesen feltöltött kondenzátorok feszültségének megváltoztatásával. A kimeneti impulzus feszültség kiszámítása a kimeneti feszültség hullámalakjának számításával végezhető el

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Az egyfokozatú impulzusgenerátor hátrányai

Az egylépcsős impulzusgenerátor áramkör fő hátránya a fizikai méret. A nagyfeszültségtől függően az alkatrészek mérete nagyobb lesz. A nagy impulzusfeszültség előállításához magas DC feszültségre van szükség. Ezért egy egylépcsős impulzusfeszültség-generátor áramkör esetén meglehetősen nehéz lesz optimális hatékonyságot elérni még akkor is, ha nagy egyenáramú tápegységeket használunk.

A rések csatlakoztatásához használt gömbök szintén nagyon nagy méretűek. Az impulzusfeszültség-generáció által kisütött koronát nagyon nehéz elnyomni és átalakítani. Az elektróda élettartama lerövidül, és néhány ismétlés után ismét cserére szorul.

Marx generátor

Erwin Otto Marx 1924-ben többlépcsős impulzusgenerátor áramkört biztosított. Ezt az áramkört kifejezetten alacsony impulzusú áramforrásból származó nagy impulzusfeszültség előállítására használják. A multiplexált impulzusgenerátor vagy általában Marx-áramkör néven látható áramköre az alábbi képen látható.

A fenti áramkör 4 kondenzátort használ (n lehet kondenzátorok száma), amelyeket egy nagyfeszültségű forrás tölt fel párhuzamos töltési körülmények között az R1 - R8 töltőellenállások által.

A kisülési állapot alatt az a szikraköz, amely nyitott áramkör volt a töltési állapot alatt, kapcsolóként működik, és soros utat köt össze a kondenzátorban, és nagyon nagy impulzusfeszültséget generál a terhelésen. A kisülési állapotot a fenti képen lila vonal mutatja. Az első kondenzátor feszültségét kellően túllépni kell ahhoz, hogy megbontsa a szikra rést és aktiválja a Marx generátor áramkört.

Amikor ez bekövetkezik, az első szikrahézag két kondenzátort (C1 és C2) köt össze. Ezért az első kondenzátor feszültsége megduplázódik két C1 és C2 feszültséggel. Ezt követően a harmadik szikrahézag automatikusan megszakad, mert a feszültség a harmadik szikraközön elég magas, és elkezdi hozzáadni a harmadik C3 kondenzátor feszültségét a verembe, és ez az utolsó kondenzátorig folytatódik. Végül, amikor elérkezik az utolsó és a végső szikrahézag, a feszültség elég nagy ahhoz, hogy megtörje az utolsó szikrahézagot a terhelésen, amelynek nagyobb a rése a gyújtógyertyák között.

A végső résen a végső kimeneti feszültség nVC lesz (ahol n a kondenzátorok száma és VC a töltött kondenzátor feszültsége), de ez ideális áramkörökben igaz. Valódi esetekben a Marx Impulse generátor áramkörének kimeneti feszültsége jóval alacsonyabb lesz, mint a tényleges kívánt érték.

Ennek az utolsó szikrapontnak azonban nagyobb hézagokkal kell rendelkeznie, mert enélkül a kondenzátorok nem kerülnek teljesen feltöltött állapotba. Néha a mentesítést szándékosan végzik. A Marx generátor kondenzátorbankjának kisütése többféle módon lehetséges.

Kondenzátor kisütési technikák a Marx Generatorban:

További indító elektród pulzálása: Egy további indító elektróda pulzálása hatékony módja a Marx generátor szándékos beindításának teljes feltöltési állapotban vagy speciális esetben. A kiegészítő trigger elektródot Trigatronnak hívják. Különböző formájú és méretű Trigatron kapható, különböző specifikációkkal.

A rés levegőjének ionizálása: Az ionizált levegő hatékony út, amely előnyös a szikraköz vezetésére. Az ionizációt pulzáló lézerrel végezzük.

A résen belüli légnyomás csökkentése: A légnyomás csökkentése akkor is hatékony, ha a szikrahézagot egy kamra belsejében tervezték.

A Marx Generator hátrányai

Hosszú töltési idő: A Marx generátor ellenállásokkal tölti fel a kondenzátort. Így a töltési idő magasabb lesz. Az áramforráshoz közelebb eső kondenzátor gyorsabban töltődik fel, mint a többi. Ez a kondenzátor és a tápegység közötti megnövekedett ellenállás miatt megnövekedett távolságnak köszönhető. Ez a Marx generátor egység fő hátránya.

A hatékonyság elvesztése: A korábban leírt okból kifolyólag, mivel az áram átfolyik az ellenállásokon, a Marx generátor áramkör hatékonysága alacsony.

A szikrahézag rövid élettartama: A szikraközön keresztüli ismételt kisütési ciklus lerövidíti az időközönként pótolni szükséges szikraköz elektródáinak élettartamát.

A töltési és kisütési ciklus ismétlési ideje: A magas töltési idő miatt az impulzusgenerátor ismétlési ideje nagyon lassú. Ez a Marx generátor áramkör másik fő hátránya.

Impulzusgenerátor áramkör alkalmazása

Az impulzusgenerátor áramkör fő alkalmazása a nagyfeszültségű eszközök tesztelése. Az impulzus feszültséggenerátor segítségével megvizsgálják a villámvédőket, a biztosítékokat, a TVS diódákat, a különböző típusú túlfeszültség-védőket stb. Nemcsak a tesztelés területén, hanem az Impulse generátor áramköre is alapvető eszköz, amelyet a nukleáris fizika kísérleteiben, valamint a lézerekben, a fúziós és a plazmaeszköz-iparban használnak.

A Marx generátort villamoshatások szimulációs céljaira használják az erőátviteli hajtóműveken és a repülési iparban. Röntgensugaras és Z gépekben is használják. Más felhasználásokat, például az elektronikus eszközök szigetelésének tesztelését is impulzusgenerátor áramkörök segítségével tesztelik.