Impulsspændingsgenerator / marx-generator - kredsløbsdiagram, arbejdsprincip og anvendelser

I elektronik er overspændinger en meget kritisk ting, og det er et mareridt for enhver kredsløbsdesigner. Disse overspændinger omtales almindeligvis som impuls, der kan defineres som en højspænding, typisk i nogle få kV, der eksisterer i en kort varighed. Karakteristikken ved en impulsspænding kan bemærkes med en høj eller lav faldtid efterfulgt af en meget høj stigningstid for spænding, Lyn er et eksempel på naturlige årsager, der forårsager impulsspænding. Da denne impulsspænding kan beskadige elektrisk udstyr alvorligt, er det vigtigt at teste vores enheder til at arbejde mod impulsspænding. Det er her, vi bruger en impulsspændingsgenerator, der genererer højspændings- eller strømstød i en kontrolleret testopsætning. I denne artikel vil vi lære omarbejde og anvendelse af impulsspændingsgeneratoren. Så lad os komme i gang.

Som tidligere nævnt producerer en impulsgenerator denne korte varighed med meget høj spænding eller meget høj strøm. Der er således to typer impulsgeneratorer, impulsspændingsgenerator og impulsstrømgenerator. I denne artikel vil vi dog diskutere impulsspændingsgeneratorer.

Impulsspændingsbølgeform

For at forstå impulsspændingen bedre, lad os se på impulsspændingsbølgeformen. I nedenstående billede vises en enkelt top af højspændingsimpulsbølgeform

Som du kan se, kommer bølgen til sit maksimale 100 procent-højdepunkt inden for 2 us. Dette er meget hurtigt, men højspændingen mister sin styrke med et span på 40uS næsten. Derfor har pulsen en meget kort eller hurtig stigningstid, hvorimod en meget langsom eller lang faldtid. Varigheden af impulsen kaldes bølge hale som er defineret ved forskellen mellem 3. tidsstempel TS3 og ts0.

Single Stage Impulse Generator

For at forstå funktionen af ​​en impulsgenerator, lad os kigge på kredsløbsdiagrammet for en enkelt-trins impulsgenerator, der er vist nedenfor

Ovenstående kredsløb består af to kondensatorer og to modstande. Gnistgabet (G) er et elektrisk isoleret hul mellem to elektroder, hvor der forekommer elektriske gnister. En højspændingskilde er også vist i ovenstående billede. Ethvert impulsgenerator kredsløb har brug for mindst en stor kondensator, der oplades til et passende spændingsniveau og derefter aflades af en belastning. I ovenstående kredsløb er CS ladekondensatoren. Dette er en højspændingskondensator, der typisk er mere end en 2kV-vurdering (afhænger af den ønskede udgangsspænding). Kondensator CB er den belastningskapacitans, der aflader opladningskondensatoren. Modstanden og RD og RE styrer bølgeformen.

Hvis ovenstående billede observeres nøje, kan vi finde ud af, at G- eller gnistgabet ikke har nogen elektrisk forbindelse. Så hvordan får lastkapacitansen den høje spænding? Her er tricket, og ved denne fungerer ovenstående kredsløb som en impulsgenerator. Kondensatoren oplades, indtil kondensatorens opladede spænding er nok til at krydse gnistgabet. En elektrisk impuls, der genereres over gnistgabet, og højspænding overføres fra den venstre elektrodeterminal til den højre elektrodeterminal af gnistgabet og gør det således til et tilsluttet kredsløb.

Kredsløbets responstid kan styres ved at variere afstanden mellem to elektroder eller ændre kondensatorernes fuldt opladede spænding. Den beregning output impuls spænding kan gøres ved at beregne udgangsspænding bølgeform med

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Ulemper ved Single Stage Impulse Generator

Den største ulempe ved et enkelt-trins impulsgenerator kredsløb er den fysiske størrelse. Afhængigt af højspændingsvurderingen bliver komponenterne større. Generering af højimpuls spænding kræver også en høj jævnstrømsspænding. Derfor bliver det for et enkelt trins impulsspændingsgenerator kredsløb ret vanskeligt at opnå optimal effektivitet, selv efter brug af store jævnstrømsforsyninger.

Kuglerne, der bruges til mellemrumsforbindelsen, krævede også meget høj størrelse. Den korona, der bliver afladet af impulsspændingen, er meget vanskelig at undertrykke og omforme. Elektrodens levetid forkortes og kræver udskiftning efter nogle få gentagelsescyklusser.

Marx generator

Erwin Otto Marx leverede et flertrins impulsgenerator kredsløb i 1924. Dette kredsløb bruges specifikt til at generere høj impuls spænding fra en lav spænding strømkilde. Kredsløbet til den multipleksede impulsgenerator eller almindeligvis kaldet Marx-kredsløb kan ses i nedenstående billede.

Ovenstående kredsløb bruger 4 kondensatorer (der kan være et antal kondensatorer), der oplades af en højspændingskilde i parallel opladningstilstand af lademodstandene R1 til R8.

Under udladningstilstanden fungerer gnistgabet, som var et åbent kredsløb under opladningstilstanden, som en switch og forbinder en seriesti gennem kondensatorbanken og genererer en meget høj impulsspænding over belastningen. Udladningstilstanden vises i ovenstående billede med den lilla linje. Spændingen i den første kondensator skal overskrides tilstrækkeligt til at nedbryde gnistgabet og aktivere Marx-generatorkredsløbet.

Når dette sker, forbinder det første gnistgab to kondensatorer (C1 og C2). Derfor bliver spændingen over den første kondensator dobbelt med to spændinger på C1 og C2. Derefter nedbrydes det tredje gnistgab automatisk, fordi spændingen over det tredje gnistgab er høj nok, og det begynder at tilføje den tredje kondensator C3-spænding i stakken, og dette fortsætter op til den sidste kondensator. Når det sidste og sidste gnistgab er nået, er spændingen endelig stor nok til at bryde det sidste gnistgab over belastningen, som har et større mellemrum mellem tændrørene.

Den endelige udgangsspænding over det endelige hul er nVC (hvor n er antallet af kondensatorer og VC er kondensatorens ladede spænding), men dette gælder i ideelle kredsløb. I virkelige scenarier vil udgangsspændingen fra Marx Impulse generator kredsløbet være meget lavere end den faktiske ønskede værdi.

Dette sidste gnistpunkt skal dog have større huller, fordi kondensatorerne uden dette ikke kommer i en fuldt opladet tilstand. Nogle gange sker udledningen med vilje. Der er flere måder at aflade kondensatorbanken i Marx-generatoren.

Kondensatorudladningsteknikker i Marx Generator:

Pulsering af yderligere triggerelektrode : Pulsering af en ekstra triggerelektrode er en effektiv måde at forsætligt udløse Marx-generatoren under fuldt opladet tilstand eller i et specielt tilfælde. Den ekstra triggerelektrode kaldes Trigatron. Der findes forskellige former og størrelser Trigatron med forskellige specifikationer.

Ionisering af luften i mellemrummet : Ioniseret luft er en effektiv vej, der er gavnlig for at lede gnistgabet. Ioniseringen udføres ved hjælp af en pulserende laser.

Reduktion af lufttrykket inde i spalten : Reduktionen af ​​lufttrykket er også effektivt, hvis gnistgabet er designet inde i et kammer.

Ulemper ved Marx Generator

Lang opladningstid: Marx generator bruger modstande til at oplade kondensatoren. Således bliver opladningstiden højere. Kondensatoren, der er tættere på strømforsyningen, oplades hurtigere end de andre. Dette skyldes den øgede afstand på grund af øget modstand mellem kondensatoren og strømforsyningen. Dette er en stor ulempe ved Marx-generatorenheden.

Tab af effektivitet: Af samme årsag som tidligere beskrevet, da strømmen strømmer gennem modstandene, er effektiviteten af ​​Marx-generatorkredsløbet lav.

Den korte levetid for gnistgabet: Den gentagne afladningscyklus gennem gnistgabet forkorter elektrodernes levetid for et gnistgab, der skal udskiftes fra tid til anden.

Gentagelsestid for opladning og afladningscyklus: På grund af den høje opladningstid er impulsgeneratorens gentagelsestid meget langsom. Dette er en anden stor ulempe ved Marx-generatorens kredsløb.

Anvendelse af impulsgenerator kredsløb

Den største anvendelse af impulsgenerator kredsløbet er at teste højspændingsenheder. Lynafledere, sikringer, TVS-dioder, forskellige typer overspændingsbeskyttere osv. Testes ved hjælp af impulsspændingsgeneratoren. Ikke kun inden for testfeltet, men Impulsgenerator-kredsløbet er også et vigtigt instrument, der bruges i nuklearfysikeksperimenter såvel som i lasere, fusions- og plasmaenhedsindustrier.

Marx-generatoren bruges til simuleringsformål med lyneffekter på kraftledningsudstyr og i luftfartsindustrien. Det bruges også i røntgen- og Z-maskiner. Andre anvendelser, såsom isoleringstest af elektroniske enheder, testes også ved hjælp af impulsgenerator kredsløb.