Impulsspenningsgenerator / marxgenerator - kretsskjema, arbeidsprinsipp og applikasjoner

I elektronikk er overspenninger en veldig kritisk ting, og det er et mareritt for alle kretsdesignere. Disse overspenningene blir ofte referert til som impuls som kan defineres som en høyspenning, vanligvis i noen få kV som eksisterer i kort tid. Karakteristikkene til en impulsspenning kan legges merke til med høy eller lav falltid etterfulgt av en veldig høy økningstid for spenning. Lyn er et eksempel på naturlige årsaker som forårsaker impulsspenning. Siden denne impulsspenningen kan skade elektrisk utstyr, er det viktig å teste enhetene våre for å arbeide mot impulsspenningen. Det er her vi bruker en impulsspenningsgenerator som genererer høyspennings- eller strømspenninger i et kontrollert testoppsett. I denne artikkelen vil vi lære omarbeid og anvendelse av impulsspenningsgeneratoren. Så la oss komme i gang.

Som tidligere fortalt produserer en impulsgenerator denne korte varigheten med meget høy spenning eller veldig høy strøm. Dermed er det to typer impulsgeneratorer, impulsspenningsgenerator og impulsstrømgenerator. Imidlertid vil vi i denne artikkelen diskutere impulsspenningsgeneratorer.

Impulsspenningsbølgeform

For å forstå impulsspenningen bedre, la oss ta en titt på impulsspenningsbølgeformen. I bildet nedenfor vises en enkelt topp med høyspenningsimpulsbølgeform

Som du kan se, kommer bølgen til sin maksimale 100 prosent topp innen 2 us. Dette er veldig raskt, men høyspenningen mister styrken med et spenn på 40uS nesten. Derfor har pulsen en veldig kort eller rask økningstid, mens en veldig langsom eller lang falltid. Varigheten av pulsen er kalt den bølge hale som er definert ved differansen mellom tredje-tidsstempel ts3 og ts0.

Enkelt trinns impulsgenerator

For å forstå hvordan en impulsgenerator fungerer, la oss ta en titt på kretsskjemaet til en en-trinns impulsgenerator som er vist nedenfor

Ovennevnte krets består av to kondensatorer og to motstander. Gnistgapet (G) er et elektrisk isolert gap mellom to elektroder der det oppstår elektriske gnister. En høyspent strømkilde er også vist i bildet ovenfor. Enhver impulsgeneratorkrets trenger minst en stor kondensator som blir ladet til et passende spenningsnivå og deretter utladet av en belastning. I kretsen ovenfor er CS ladekondensatoren. Dette er en høyspenningskondensator som vanligvis er mer enn 2 kV (avhenger av ønsket utgangsspenning). Kondensatoren CB er lastekapasitansen som vil lade ut ladekondensatoren. Motstanden og RD og RE styrer bølgeformen.

Hvis bildet ovenfor observeres nøye, kan vi finne at G- eller gnistgapet ikke har noen elektrisk forbindelse. Så hvordan får lastkapasitansen høyspenningen? Her er trikset, og av denne fungerer kretsen ovenfor som en impulsgenerator. Kondensatoren er ladet til kondensatorens ladede spenning er nok til å krysse gnistgapet. En elektrisk impuls generert over gnistgapet og høyspenning blir overført fra venstre elektrodeterminal til høyre elektrodeterminal av gnistgapet og dermed gjør det til en tilkoblet krets.

Kretsens responstid kan styres ved å variere avstanden mellom to elektroder eller endre kondensatorene fulladet spenning. Den Beregningen utgangsimpulsspenning kan gjøres ved å beregne utgangsspenningens kurveform med

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Ulemper med enfaset impulsgenerator

Den største ulempen med en-trinns impulsgeneratorkrets er den fysiske størrelsen. Avhengig av høyspenningsverdien blir komponentene større. Dessuten krever generering av høyimpuls spenning en høy DC-spenning. Derfor, for en en-trinns impulsspenningsgeneratorkrets, blir det ganske vanskelig å få optimal effektivitet selv etter bruk av store DC-strømforsyninger.

Kulene som brukes til gapforbindelsen krevde også veldig høy størrelse. Koronaen som blir utladet av impulsspenningsgenerering er veldig vanskelig å undertrykke og omforme. Elektrodens levetid blir kortere og krever utskifting etter noen gjentagelsessykluser.

Marx generator

Erwin Otto Marx sørget for en flertrinns impulsgeneratorkrets i 1924. Denne kretsen brukes spesielt til å generere høy impulsspenning fra en lavspent strømkilde. Kretsen til multiplekset impulsgenerator eller ofte kalt Marx-krets kan sees på bildet nedenfor.

Ovennevnte krets bruker 4 kondensatorer (det kan være et antall kondensatorer) som lades av en høyspenningskilde i parallell ladetilstand av lademotstandene R1 til R8.

Under utladningstilstanden fungerer gnistgapet som var en åpen krets under ladetilstanden som en bryter og kobler en seriebane gjennom kondensatorbanken og genererer en veldig høy impulsspenning over belastningen. Utslippstilstanden er vist i bildet over med den lilla linjen. Spenningen til den første kondensatoren må overskrides tilstrekkelig for å bryte ned gnistgapet og aktivere Marx-generatorkretsen.

Når dette skjer, kobler det første gnistgapet til to kondensatorer (C1 og C2). Derfor blir spenningen over den første kondensatoren dobbelt med to spenninger på C1 og C2. Deretter bryter det tredje gnistgapet automatisk ned fordi spenningen over det tredje gnistgapet er høy nok, og det begynner å legge den tredje kondensator C3-spenningen inn i stabelen, og dette fortsetter opp til den siste kondensatoren. Til slutt, når den siste og siste gnistgapet er nådd, er spenningen stor nok til å bryte den siste gnistgapet over lasten som har et større gap mellom tennpluggene.

Den endelige utgangsspenningen over den siste spalten vil være nVC (der n er antall kondensatorer og VC er kondensatorens ladede spenning), men dette gjelder i ideelle kretser. I virkelige scenarier vil utgangsspenningen til Marx Impulse generator krets være mye lavere enn den faktiske ønskede verdien.

Imidlertid må dette siste gnistpunktet ha større hull fordi kondensatorene uten dette kommer i fulladet tilstand. Noen ganger gjøres utslippet med vilje. Det er flere måter å tømme kondensatorbanken i Marx-generatoren.

Kondensatorutladningsteknikker i Marx Generator:

Pulsering av ekstra triggerelektrode : Pulsering av en ekstra triggerelektrode er en effektiv måte å med vilje utløse Marx-generatoren under fulladet tilstand eller i et spesielt tilfelle. Den ekstra triggerelektroden kalles Trigatron. Det er forskjellige former og størrelser Trigatron tilgjengelig med forskjellige spesifikasjoner.

Ionisering av luften i gapet : Ionisert luft er en effektiv vei som er gunstig for å lede gnistgapet. Ioniseringen gjøres ved å bruke en pulserende laser.

Redusere lufttrykket inne i gapet : Reduksjonen av lufttrykket er også effektivt hvis gnistgapet er utformet inne i et kammer.

Ulemper med Marx Generator

Lang ladetid: Marx-generator bruker motstander til å lade kondensatoren. Dermed blir ladetiden høyere. Kondensatoren som er nærmere strømforsyningen blir ladet raskere enn de andre. Dette skyldes økt avstand på grunn av økt motstand mellom kondensatoren og strømforsyningen. Dette er en stor ulempe ved Marx-generatorenheten.

Tap av effektivitet: På grunn av samme grunn som tidligere beskrevet, da strømmen strømmer gjennom motstandene, er effektiviteten til Marx-generatorkretsen lav.

Den korte levetiden til gnistgapet: Den gjentatte syklusen av utladning gjennom gnistgapet forkorter levetiden til elektrodene til et gnistgap som må byttes ut fra tid til annen.

Gjentakelsestiden for lading og utladningssyklus: På grunn av den høye ladetiden er impulsgeneratorens repetisjonstid veldig langsom. Dette er en annen stor ulempe ved Marx-generatorkretsen.

Anvendelse av impulsgeneratorkrets

Den viktigste anvendelsen av impulsgeneratorkretsen er å teste høyspenningsenheter. Lynavledere, sikringer, TVS-dioder, forskjellige typer overspenningsvern, osv. Testes ved hjelp av impulsspenningsgeneratoren. Ikke bare i testfeltet, men impulsgeneratorkretsen er også et viktig instrument som brukes i kjernefysikkeksperimenter, så vel som i lasere, fusjons- og plasmaenheter.

Marx-generatoren brukes til å simulere lyneffekter på kraftledningsutstyr og i luftfartsindustri. Den brukes også i røntgen- og Z-maskiner. Andre bruksområder, for eksempel isolasjonstesting av elektroniske enheter, testes også ved hjelp av impulsgeneratorkretser.