Generátor impulzného napätia / generátor marxa - schéma zapojenia, princíp práce a aplikácie

V elektronike sú prepätia veľmi kritická vec a pre každého návrhára obvodov je to nočná mora. Tieto prepätia sa bežne označujú ako impulzy, ktoré možno definovať ako vysoké napätie, zvyčajne v niekoľkých kV, ktoré existujú na krátke časové obdobie. Charakteristiky impulzného napätia si môžete všimnúť pri vysokej alebo nízkej dobe poklesu, po ktorej nasleduje veľmi vysoká doba nárastu napätia. Blesk je príkladom prirodzených príčin, ktoré spôsobujú impulzné napätie. Pretože toto impulzné napätie môže vážne poškodiť elektrické zariadenie, je dôležité vyskúšať naše zariadenia, aby fungovali proti impulznému napätiu. Toto je miesto, kde používame generátor impulzného napätia, ktorý generuje vysoké napätie alebo prúdové rázy v riadenom testovacom nastavení. V tomto článku sa dozvieme opráca a použitie generátora impulzného napätia. Takže poďme na to.

Ako už bolo povedané, generátor impulzov produkuje tieto krátkodobé rázy s veľmi vysokým napätím alebo veľmi vysokým prúdom. Existujú teda dva typy generátorov impulzov, generátor impulzného napätia a generátor impulzného prúdu. V tomto článku si však rozoberieme generátory impulzného napätia.

Priebeh impulzného napätia

Aby sme lepšie pochopili impulzné napätie, poďme sa pozrieť na priebeh impulzného napätia. Na nasledujúcom obrázku je znázornený jeden vrchol vysokonapäťového impulzného priebehu

Ako vidíte, vlna sa dostáva na svoj maximálny stopercentný vrchol v priebehu 2 uS. To je veľmi rýchle, ale vysoké napätie stráca takmer na sile s rozpätím 40uS. Preto má impulz veľmi krátky alebo rýchly čas nábehu, zatiaľ čo veľmi pomalý alebo dlhý čas poklesu. Trvanie impulzu sa nazýva vlnový koniec, ktorý je definovaný rozdielom medzi treťou známkou ts3 a ts0.

Jednostupňový generátor impulzov

Aby sme pochopili fungovanie generátora impulzov, pozrime sa na schému zapojenia jednostupňového generátora impulzov, ktorá je uvedená nižšie.

Vyššie uvedený obvod pozostáva z dvoch kondenzátorov a dvoch odporov. Iskrová medzera (G) je elektricky izolovaná medzera medzi dvoma elektródami, kde dochádza k elektrickým iskrám. Na vyššie uvedenom obrázku je tiež zobrazený zdroj vysokého napätia. Akýkoľvek obvod generátora impulzov potrebuje najmenej jeden veľký kondenzátor, ktorý je nabitý na príslušnú úroveň napätia a potom vybitý záťažou. Vo vyššie uvedenom obvode je CS nabíjací kondenzátor. Jedná sa o vysokonapäťový kondenzátor, ktorý má zvyčajne viac ako 2 kV hodnotenie (závisí od požadovaného výstupného napätia). Kondenzátor CB je záťažová kapacita, ktorá vybije nabíjací kondenzátor. Rezistor a RD a RE riadia tvar vlny.

Ak pozorne sledujeme vyššie uvedený obrázok, môžeme zistiť, že G alebo iskrisko nemajú elektrické spojenie. Ako potom získa záťažová kapacita vysoké napätie? Tu je trik a pri tomto funguje vyššie uvedený obvod ako generátor impulzov. Kondenzátor sa nabíja, kým nabíjané napätie kondenzátora nestačí na prekonanie iskriska. Elektrický impulz generovaný cez iskrisko a vysoké napätie sa prenáša z ľavej svorky elektródy na pravú elektródovú svorku iskry, čím sa stáva pripojeným obvodom.

Čas odozvy obvodu je možné riadiť zmenou vzdialenosti medzi dvoma elektródami alebo zmenou plne nabitého napätia kondenzátorov. Výpočet výstupného impulzného napätia je možné vykonať výpočtom krivky výstupného napätia pomocou

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Nevýhody jednofázového generátora impulzov

Hlavnou nevýhodou obvodu jednostupňového generátora impulzov je fyzická veľkosť. V závislosti od vysokého napätia sa veľkosť komponentov zväčšuje. Tiež generovanie vysokého impulzného napätia vyžaduje vysoké jednosmerné napätie. Preto je pre obvod jednostupňového generátora impulzného napätia dosť ťažké dosiahnuť optimálnu účinnosť aj po použití veľkých zdrojov jednosmerného prúdu.

Gule, ktoré sa používajú na spojenie medzier, tiež vyžadovali veľmi veľké rozmery. Koróna, ktorá sa vybíja generovaním impulzného napätia, je veľmi ťažké potlačiť a zmeniť jej tvar. Životnosť elektródy sa skracuje a vyžaduje si výmenu po niekoľkých cykloch opakovania.

Marxov generátor

Erwin Otto Marx poskytol viacstupňový obvod generátora impulzov v roku 1924. Tento obvod sa špeciálne používa na generovanie vysokého impulzného napätia zo zdroja nízkeho napätia. Obvod multiplexovaného generátora impulzov alebo všeobecne nazývaný Marxov obvod je možné vidieť na nasledujúcom obrázku.

Vyššie uvedený obvod používa 4 kondenzátory (môže ich byť n), ktoré sú nabíjané zdrojom vysokého napätia v podmienkach paralelného nabíjania nabíjacími rezistormi R1 až R8.

Počas stavu vybitia iskra, ktorá bola počas nabíjania otvorená v obvode, funguje ako spínač a spája sériovú cestu cez kondenzátorovú banku a vytvára veľmi vysoké impulzné napätie naprieč záťažou. Stav vybitia je na obrázku vyššie zobrazený fialovou čiarou. Napätie prvého kondenzátora je potrebné dostatočne prekročiť, aby sa odbúrala iskierka a aktivoval obvod generátora Marx.

Ak k tomu dôjde, prvá iskricová medzera spája dva kondenzátory (C1 a C2). Preto sa napätie na prvom kondenzátore zdvojnásobí o dve napätia C1 a C2. Následne sa tretia iskrište automaticky rozpadne, pretože napätie na tretej iskrišti je dostatočne vysoké a začne do zásobníka pridávať napätie tretieho kondenzátora C3, a to pokračuje až k poslednému kondenzátoru. Nakoniec, keď sa dosiahne posledná a posledná iskrište, je napätie dostatočne veľké na to, aby sa posledná iskra prerušila cez záťaž, ktorá má medzi zapaľovacími sviečkami väčšiu medzeru.

Konečné výstupné napätie cez konečnú medzeru bude nVC (kde n je počet kondenzátorov a VC je napätie nabité kondenzátorom), ale to platí pre ideálne obvody. V skutočných scenároch bude výstupné napätie obvodu generátora Marx Impulse oveľa nižšie ako skutočná požadovaná hodnota.

Tento posledný bod zapaľovania však musí mať väčšie medzery, pretože bez toho sa kondenzátory nedostanú do úplne nabitého stavu. Niekedy sa vypúšťanie robí zámerne. Existuje niekoľko spôsobov, ako vybiť kondenzátorovú banku v generátore Marx.

Techniky vybíjania kondenzátorov v generátore Marx:

Pulzovanie prídavnej spúšťacej elektródy : Pulzovanie prídavnej spúšťacej elektródy je efektívny spôsob zámerného spustenia generátora Marx počas úplného nabitia alebo v špeciálnom prípade. Prídavná spúšťacia elektróda sa nazýva Trigatron. Existujú rôzne tvary a veľkosti, ktoré má Trigatron k dispozícii s rôznymi špecifikáciami.

Ionizácia vzduchu v medzere : Ionizovaný vzduch je účinná cesta, ktorá je prospešná pri vedení iskry. Ionizácia sa uskutočňuje pomocou pulzného laseru.

Zníženie tlaku vzduchu vo vnútri medzery : Zníženie tlaku vzduchu je účinné aj vtedy, ak je iskra navrhnutá vo vnútri komory.

Nevýhody Marxovho generátora

Dlhá doba nabíjania: Generátor Marx používa na nabíjanie kondenzátora odpory. Tým sa zvyšuje doba nabíjania. Kondenzátor, ktorý je bližšie k napájaciemu zdroju, sa nabíja rýchlejšie ako ostatné. Je to spôsobené zväčšenou vzdialenosťou kvôli zvýšenému odporu medzi kondenzátorom a napájacím zdrojom. Toto je hlavná nevýhoda generátorovej jednotky Marx.

Strata účinnosti: Z rovnakého dôvodu, ktorý bol opísaný vyššie, pretože prúd preteká odpormi, je účinnosť obvodu generátora Marxa nízka.

Krátka životnosť iskierovej medzery: Opakovaný cyklus výboja iskrovou medzerou skracuje životnosť elektród iskrovej medzery, ktorú je potrebné z času na čas vymeniť.

Opakovací čas cyklu nabíjania a vybíjania: Kvôli vysokej dobe nabíjania je doba opakovania generátora impulzov veľmi pomalá. Toto je ďalšia veľká nevýhoda obvodu generátora Marxa.

Aplikácia obvodu generátora impulzov

Hlavnou aplikáciou obvodu generátora impulzov je testovanie vysokonapäťových zariadení. Zvodiče blesku, poistky, diódy TVS, rôzne typy prepäťových chráničov atď. Sa testujú pomocou generátora napätia Impulse. Nielen v oblasti testovania, ale obvod generátora impulzov je tiež nevyhnutným nástrojom, ktorý sa používa v experimentoch jadrovej fyziky, ako aj v priemysle laserov, fúzie a plazmy.

Generátor Marx sa používa na simulačné účely bleskových efektov na napájacích zariadeniach a v leteckom priemysle. Používa sa tiež v röntgenových a Z prístrojoch. Ďalšie použitia, ako napríklad testovanie izolácie elektronických zariadení, sa testujú pomocou obvodov generátora impulzov.