Генератор на импулсно напрежение / генератор на Маркс - електрическа схема, принцип на работа и приложения

В електрониката пренапреженията са много критично нещо и това е кошмар за всеки дизайнер на вериги. Тези пренапрежения обикновено се наричат ​​импулс, който може да се определи като високо напрежение, обикновено в няколко kV, което съществува за кратко време. Характеристиките на импулсно напрежение могат да бъдат забелязани с високо или ниско време на падане, последвано от много високо време на нарастване на напрежението, Светкавицата е пример за естествени причини, които причиняват импулсно напрежение. Тъй като това импулсно напрежение може сериозно да повреди електрическото оборудване, важно е да тестваме нашите устройства за работа срещу импулсно напрежение. Тук използваме генератор на импулсно напрежение, който генерира скокове с високо напрежение или ток в контролирана тестова настройка. В тази статия ще научим заработа и приложение на генератора на импулсно напрежение. И така, нека започнем.

Както беше казано по-рано, генераторът на импулси произвежда този кратък пренапрежение с много високо напрежение или много висок ток. По този начин, има два типа на импулсни генератори, генератор на импулси на напрежението и импулс генератор на ток. В тази статия обаче ще обсъдим генератори на импулсно напрежение.

Импулсно напрежение

За да разберем по-добре импулсното напрежение, нека разгледаме формата на вълната на импулсното напрежение. На изображението по-долу е показан един пик на импулсната форма на вълната с високо напрежение

Както можете да видите, вълната достига своя максимум от 100 процента в рамките на 2 uS. Това е много бързо, но високото напрежение губи силата си с почти 40uS. Следователно импулсът има много кратко или бързо време на нарастване, докато много бавно или дълго падане. Продължителността на импулса се нарича опашка на вълната, която се определя от разликата между печат ts3 и ts0 за 3-ти път.

Едноетапен генератор на импулси

За да разберете работата на импулсен генератор, нека да разгледаме схемата на едноетапния импулсен генератор, която е показана по-долу

Горната схема се състои от два кондензатора и две съпротивления. Искрената междина (G) е електрически изолирана междина между два електрода, където се случват електрически искри. Източник на високо напрежение също е показан на горното изображение. Всяка схема на импулсен генератор се нуждае от поне един голям кондензатор, който се зарежда до подходящо ниво на напрежение и след това се разрежда от товар. В горната схема CS е кондензаторът за зареждане. Това е кондензатор с високо напрежение, обикновено над 2kV (зависи от желаното изходно напрежение). Кондензаторът CB е капацитетът на товара, който ще разреди кондензатора за зареждане. Резисторът и RD и RE контролират формата на вълната.

Ако горното изображение се наблюдава внимателно, можем да открием, че G или искрената междина няма електрическа връзка. Тогава как товарният капацитет получава високото напрежение? Тук е трикът и по този начин горната схема действа като генератор на импулси. Кондензаторът се зарежда, докато зареденото напрежение на кондензатора е достатъчно, за да премине искрената междина. Електрически импулс, генериран през искрената междина и високо напрежение, се прехвърля от клемата на левия електрод към десния електрод на клемата на искрената междина и по този начин го прави свързана верига.

Времето за реакция на веригата може да се контролира чрез промяна на разстоянието между два електрода или промяна на напълно зареденото напрежение на кондензаторите. Изчисляването на изходното импулсно напрежение може да се извърши чрез изчисляване на формата на вълната на изходното напрежение с

о (т) = (Е ^{- α т} - д ^{- β т})

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

Недостатъци на едноетапния импулсен генератор

Основният недостатък на едноетапната схема на импулсния генератор е физическият размер. В зависимост от високото напрежение, компонентите стават по-големи по размер. Също така, генерирането на високо импулсно напрежение изисква високо DC напрежение. Следователно за едноетапна верига на генератор на импулсно напрежение е доста трудно да се постигне оптимална ефективност дори след използване на големи DC захранвания.

Сферите, които се използват за пролука, също изискват много големи размери. Короната, която се разрежда от генерирането на импулсно напрежение, е много трудна за потискане и преоформяне. Животът на електродите се съкращава и изисква подмяна след няколко цикъла на повторение.

Маркс генератор

През 1924 г. Ервин Ото Маркс предоставя многостепенна схема на генератор на импулси. Тази схема се използва специално за генериране на високо импулсно напрежение от източник на захранване с ниско напрежение. Веригата на мултиплексиран генератор на импулси или често наричана схема на Маркс може да се види на изображението по-долу.

Горната схема използва 4 кондензатора (може да има n броя кондензатори), които се зареждат от източник на високо напрежение при паралелно зареждане от зареждащите резистори R1 до R8.

По време на разреждането искрата, която е била отворена верига по време на зареждането, действа като превключвател и свързва последователен път през кондензаторната банка и генерира много високо импулсно напрежение в товара. Състоянието на разреждане е показано на горното изображение с лилавата линия. Напрежението на първия кондензатор трябва да бъде надвишено в достатъчна степен, за да се разруши искрата и да се активира веригата на генератора на Маркс.

Когато това се случи, първата искрова междина свързва два кондензатора (C1 и C2). Следователно напрежението на първия кондензатор се удвоява с две напрежения C1 и C2. Впоследствие третата искрова междина автоматично се разпада, тъй като напрежението на третата искрова междина е достатъчно високо и тя започва да добавя напрежението на третия кондензатор C3 в стека и това продължава до последния кондензатор. И накрая, когато бъде достигната последната и последна искрова междина, напрежението е достатъчно голямо, за да прекъсне последната искрова междина на товара, който има по-голяма междина между свещите.

Крайното изходно напрежение през крайната междина ще бъде nVC (където n е броят на кондензаторите, а VC е кондензаторното заредено напрежение), но това е вярно в идеалните вериги. В реални сценарии изходното напрежение на веригата на генератора на импулси на Маркс ще бъде много по-ниско от действителната желана стойност.

Тази последна искрова точка обаче трябва да има по-големи пропуски, тъй като без това кондензаторите не влизат в напълно заредено състояние. Понякога изписването се извършва умишлено. Има няколко начина за разреждане на кондензаторната батерия в генератора на Маркс.

Техники за разреждане на кондензатор в генератора на Маркс:

Пулсиране на допълнителен задействащ електрод : Пулсирането на допълнителен задействащ електрод е ефективен начин за умишлено задействане на генератора на Маркс по време на пълно зареждане или в специален случай. Допълнителният задействащ електрод се нарича Trigatron. Предлагат се различни форми и размери Trigatron с различни спецификации.

Йонизиране на въздуха в процепа : Йонизираният въздух е ефективен път, който е от полза за провеждане на искрената междина. Йонизацията се извършва с помощта на импулсен лазер.

Намаляване на въздушното налягане в процепа : Намаляването на въздушното налягане също е ефективно, ако искровото пространство е проектирано вътре в камера.

Недостатъци на генератора на Маркс

Дълго време на зареждане: Генераторът на Маркс използва резистори за зареждане на кондензатора. Така времето за зареждане се увеличава. Кондензаторът, който е по-близо до захранването, се зарежда по-бързо от останалите. Това се дължи на увеличеното разстояние поради увеличеното съпротивление между кондензатора и захранването. Това е основен недостатък на генераторния блок на Маркс.

Загуба на ефективност: Поради същата причина, както е описана по-горе, тъй като токът протича през резисторите, ефективността на веригата на генератора на Маркс е ниска.

Краткият живот на искрата: Повтарящият се цикъл на разреждане през искрата съкращава живота на електродите на искрената междина, която трябва да се подменя от време на време.

Времето на повторение на цикъла на зареждане и разреждане: Поради голямото време на зареждане, времето за повторение на генератора на импулси е много бавно. Това е още един основен недостатък на генераторната верига на Маркс.

Прилагане на схема на генератор на импулси

Основното приложение на веригата на импулсния генератор е да се тестват устройства с високо напрежение. Мълниезащити, предпазители, TVS диоди, различни видове предпазители от пренапрежение и др. Се тестват с помощта на генератор на импулсно напрежение. Не само в областта на тестовете, но веригата на генератора на импулси също е основен инструмент, който се използва в експериментите по ядрена физика, както и в лазерите, производството на термоядрен синтез и плазмени устройства.

Генераторът на Маркс се използва за целите на симулация на мълниеносни ефекти върху електропроводи и в авиационната индустрия. Използва се и в рентгенови и Z машини. Други приложения, като изпитване на изолация на електронни устройства, също се тестват с помощта на импулсни схеми на генератора.