Generátor impulsního napětí / generátor marxe - schéma zapojení, pracovní princip a aplikace

V elektronice jsou přepětí velmi kritická věc a pro každého designéra obvodů je to noční můra. Tyto přepětí se běžně označují jako impuls, který lze definovat jako vysoké napětí, obvykle v několika kV, které existuje po krátkou dobu. Charakteristiky impulzního napětí lze zaznamenat při vysoké nebo nízké době poklesu následované velmi vysokou dobou nárůstu napětí. Blesk je příkladem přirozených příčin, které způsobují impulsní napětí. Protože toto impulsní napětí může vážně poškodit elektrická zařízení, je důležité otestovat naše zařízení, aby fungovalo proti impulznímu napětí. Zde používáme generátor impulsního napětí, který generuje přepětí vysokého napětí nebo proudu v řízeném testovacím nastavení. V tomto článku se dozvíme opráce a aplikace generátoru impulsního napětí. Pojďme tedy začít.

Jak již bylo řečeno, generátor impulsů produkuje tyto krátkodobé rázy s velmi vysokým napětím nebo velmi vysokým proudem. Existují tedy dva typy generátorů impulzů, generátor impulzního napětí a generátor impulzního proudu. V tomto článku se však budeme zabývat generátory impulzního napětí.

Křivka impulzního napětí

Abychom lépe porozuměli impulznímu napětí, podívejme se na průběh impulzního napětí. Na níže uvedeném obrázku je zobrazen jediný vrchol vysokonapěťové křivky impulsu

Jak vidíte, vlna se během 2 uS dostává na svůj maximální stoprocentní vrchol. To je velmi rychlé, ale vysoké napětí ztrácí svou sílu s téměř rozpětím 40uS. Proto má puls velmi krátký nebo rychlý čas náběhu, zatímco velmi pomalý nebo dlouhý čas pádu. Doba trvání pulzu se nazývá vlnový konec, který je definován rozdílem mezi časovým razítkem ts3 a ts0.

Jednostupňový generátor impulsů

Abychom pochopili fungování generátoru impulsů, podívejme se na schéma zapojení jednostupňového generátoru impulzů, které je uvedeno níže

Výše uvedený obvod se skládá ze dvou kondenzátorů a dvou odporů. Jiskřiště (G) je elektricky izolovaná mezera mezi dvěma elektrodami, kde dochází k elektrickým jiskrám. Na výše uvedeném obrázku je také zobrazen zdroj vysokého napětí. Jakýkoli obvod generátoru impulsů potřebuje alespoň jeden velký kondenzátor, který je nabit na příslušnou úroveň napětí a poté vybit zátěží. Ve výše uvedeném obvodu je CS nabíjecí kondenzátor. Jedná se o vysokonapěťový kondenzátor, který je obvykle vyšší než 2 kV (v závislosti na požadovaném výstupním napětí). Kondenzátor CB je zátěžová kapacita, která vybije nabíjecí kondenzátor. Rezistor a RD a RE řídí tvar vlny.

Pokud je výše uvedený obrázek pozorně pozorován, můžeme zjistit, že G nebo jiskřiště nemají žádné elektrické spojení. Jak tedy získá zátěžová kapacita vysoké napětí? Tady je trik a tímto funguje výše uvedený obvod jako generátor impulzů. Kondenzátor se nabíjí, dokud nabité napětí kondenzátoru nestačí k překročení jiskřiště. Elektrický impuls generovaný přes jiskřiště a vysoké napětí se přenáší z levé elektrodové svorky na pravou elektrodovou svorku jiskřiště, čímž se stává připojeným obvodem.

Dobu odezvy obvodu lze řídit změnou vzdálenosti mezi dvěma elektrodami nebo změnou plně nabitého napětí kondenzátorů. Výpočet výstupního impulzního napětí lze provést výpočtem průběhu výstupního napětí pomocí

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Nevýhody jednofázového generátoru impulsů

Hlavní nevýhodou obvodu jednostupňového generátoru impulsů je fyzická velikost. V závislosti na jmenovitém napětí vysokého napětí se komponenty zvětšují. Také generování vysokého impulzního napětí vyžaduje vysoké stejnosměrné napětí. Proto je pro obvod jednostupňového generátoru impulzního napětí docela obtížné dosáhnout optimální účinnosti i po použití velkých stejnosměrných napájecích zdrojů.

Koule, které se používají pro připojení mezery, také vyžadovaly velmi velké rozměry. Korona, která se vybije generováním impulzního napětí, je velmi obtížné potlačit a změnit její tvar. Životnost elektrody se zkrátí a vyžaduje výměnu po několika cyklech opakování.

Marxův generátor

Erwin Otto Marx poskytl vícestupňový obvod generátoru impulsů v roce 1924. Tento obvod se konkrétně používá ke generování vysokého impulzního napětí ze zdroje nízkého napětí. Obvod multiplexovaného generátoru impulsů nebo běžně nazývaný jako Marxův obvod je vidět na následujícím obrázku.

Výše uvedený obvod používá 4 kondenzátory (může existovat n počet kondenzátorů), které jsou nabíjeny zdrojem vysokého napětí v podmínkách paralelního nabíjení nabíjecími odpory R1 až R8.

Během stavu vybití jiskřiště, které bylo během nabíjení rozpojeno, funguje jako spínač a spojuje sériovou cestu skrz kondenzátorovou banku a generuje velmi vysoké impulsní napětí na zátěži. Stav vybití je na obrázku výše zobrazen fialovou čarou. Je třeba dostatečně překročit napětí prvního kondenzátoru, aby se rozbila jiskřiště a aktivoval obvod generátoru Marx.

Když k tomu dojde, první jiskřiště spojí dva kondenzátory (C1 a C2). Proto se napětí na prvním kondenzátoru zdvojnásobí o dvě napětí C1 a C2. Následně se třetí jiskřiště automaticky rozpadne, protože napětí přes třetí jiskřiště je dostatečně vysoké a začne do zásobníku přidávat napětí třetího kondenzátoru C3 a to pokračuje až k poslednímu kondenzátoru. Nakonec, když je dosaženo poslední a poslední jiskřiště, je napětí dostatečně velké, aby rozbilo poslední jiskřiště přes zátěž, která má větší mezeru mezi zapalovacími svíčkami.

Konečné výstupní napětí přes konečnou mezeru bude nVC (kde n je počet kondenzátorů a VC je napětí nabité kondenzátorem), ale to platí v ideálních obvodech. Ve skutečných scénářích bude výstupní napětí obvodu generátoru Marx Impulse mnohem nižší než skutečná požadovaná hodnota.

Tento poslední bod jiskry však musí mít větší mezery, protože bez toho se kondenzátory nedostanou do plně nabitého stavu. Někdy se výtok provádí záměrně. Existuje několik způsobů vybití kondenzátorové banky v generátoru Marx.

Techniky vybíjení kondenzátorů v generátoru Marx:

Pulzování přídavné spouštěcí elektrody : Pulzování přídavné spouštěcí elektrody je efektivní způsob, jak záměrně spustit generátor Marx během plně nabitého stavu nebo ve zvláštním případě. Přídavná spouštěcí elektroda se nazývá Trigatron. Existují různé tvary a velikosti, které má Trigatron k dispozici s různými specifikacemi.

Ionizace vzduchu v mezeře : Ionizovaný vzduch je efektivní cesta, která je prospěšná pro vedení jiskřiště. Ionizace se provádí pomocí pulzního laseru.

Snížení tlaku vzduchu uvnitř mezery : Snížení tlaku vzduchu je také účinné, pokud je jiskřiště navrženo uvnitř komory.

Nevýhody generátoru Marx

Dlouhá doba nabíjení: Marxův generátor používá k nabíjení kondenzátoru rezistory. Doba nabíjení se tak zvyšuje. Kondenzátor, který je blíže napájecímu zdroji, se nabíjí rychleji než ostatní. To je způsobeno zvýšenou vzdáleností kvůli zvýšenému odporu mezi kondenzátorem a napájecím zdrojem. To je hlavní nevýhoda generátorové jednotky Marx.

Ztráta účinnosti: Ze stejného důvodu, jaký byl popsán výše, protože proud protéká odpory, je účinnost obvodu generátoru Marx nízká.

Krátká životnost jiskřiště: Opakovaný cyklus výboje jiskřištěm zkracuje životnost elektrod jiskřiště, které je třeba čas od času vyměnit.

Opakovací doba cyklu nabíjení a vybíjení: Vzhledem k vysoké době nabíjení je doba opakování generátoru impulzů velmi pomalá. To je další hlavní nevýhoda obvodu generátoru Marx.

Použití obvodu generátoru impulzů

Hlavní aplikací obvodu generátoru impulzů je testování vysokonapěťových zařízení. Svodiče blesku, pojistky, diody TVS, různé typy přepěťových chráničů atd. Jsou testovány pomocí generátoru napětí Impulse. Nejen v oblasti testování, ale obvod generátoru impulsů je také základním nástrojem, který se používá v experimentech jaderné fyziky i v laserových, fúzních a plazmových zařízeních.

Generátor Marx se používá pro účely simulace účinků blesku na vedení elektrického vedení a v leteckém průmyslu. Používá se také v rentgenových a Z přístrojích. Jiná použití, jako je testování izolace elektronických zařízení, se také testují pomocí obvodů generátoru impulzů.