Impulsgenerator / marxgenerator - kretsschema, arbetsprincip och tillämpningar

Inom elektronik är överspänningar en mycket kritisk sak och det är en mardröm för alla kretsdesigners. Dessa stigningar kallas vanligtvis impuls som kan definieras som en högspänning, vanligtvis i några få kV som existerar under en kort varaktighet. Egenskaperna hos en impulsspänning kan märkas med en hög eller låg falltid följt av en mycket hög stigningstid av spänning, Lightning är ett exempel på naturliga orsaker som orsakar impulsspänning. Eftersom denna impulsspänning kan skada elektrisk utrustning allvarligt är det viktigt att testa våra enheter för att arbeta mot impulsspänning. Det är här vi använder en impulsspänningsgenerator som genererar högspännings- eller strömspänningar i en kontrollerad testuppsättning. I den här artikeln kommer vi att lära oss mer omarbete och tillämpning av impulsspänningsgeneratorn. Så, låt oss komma igång.

Som tidigare nämnts producerar en impulsgenerator denna korta varaktighet med mycket hög spänning eller mycket hög ström. Således finns det två typer av impulsgeneratorer, impulsspänningsgenerator och impulsströmgenerator. I den här artikeln kommer vi dock att diskutera impulsspänningsgeneratorer.

Impulsspänningsvågform

För att förstå impulsspänningen bättre, låt oss ta en titt på impulsspänningsvågformen. I bilden nedan visas en enda topp med högspänningsimpulsvågform

Som du kan se, når vågen sin maximala 100-procentiga topp inom 2 us. Det här är väldigt snabbt, men högspänningen tappar sin styrka med en spänning på 40uS nästan. Därför har pulsen en mycket kort eller snabb stigningstid medan en mycket långsam eller lång falltid. Pulsens varaktighet kallas vågsvansen som definieras av skillnaden mellan 3: e tidsstämpel ts3 och ts0.

Enstegs impulsgenerator

För att förstå hur en impulsgenerator fungerar, låt oss sticka en titt på kretsschemat för en enstegs impulsgenerator som visas nedan

Ovanstående krets består av två kondensatorer och två motstånd. Gnistgapet (G) är ett elektriskt isolerat mellanrum mellan två elektroder där elektriska gnistor uppstår. En högspänningskälla visas också i bilden ovan. Varje impulsgeneratorkrets behöver minst en stor kondensator som laddas till en lämplig spänningsnivå och sedan urladdas av en belastning. I ovanstående krets är CS laddningskondensatorn. Detta är en högspänningskondensator som vanligtvis överstiger 2 kV (beror på önskad utspänning). Kondensatorn CB är lastkapacitansen som laddar ur laddningskondensatorn. Motståndet och RD och RE styr vågformen.

Om bilden ovan observeras noggrant kan vi upptäcka att G- eller gnistgapet inte har någon elektrisk anslutning. Hur får då lastkapacitansen högspänning? Här är tricket och enligt den här fungerar kretsen ovan som en impulsgenerator. Kondensatorn laddas tills kondensatorns laddade spänning räcker för att korsa gnistgapet. En elektrisk impuls som genereras över gnistgapet och högspänning överförs från den vänstra elektrodterminalen till den högra elektrodterminalen på gnistgapet och gör det därmed till en ansluten krets.

Kretsens svarstid kan styras genom att variera avståndet mellan två elektroder eller ändra kondensatorernas fulladdade spänning. Den beräkningsutgång impulsspänningen kan göras genom att beräkna den utgående spänningen vågform med

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Nackdelar med enstegsimpulsgenerator

Den största nackdelen med en enstegs impulsgeneratorkrets är den fysiska storleken. Beroende på högspänningsbetyget blir komponenterna större. Generering av högimpulsspänning kräver också en hög likspänning. Därför blir det för en enstegs impulsspänningsgeneratorkrets ganska svårt att få optimal effektivitet även efter användning av stora likströmsaggregat.

Sfärerna som används för springanslutningen kräver också mycket stor storlek. Koronan som släpps ut av impulsspänningsgenereringen är mycket svår att undertrycka och omforma. Elektrodens livslängd förkortas och kräver byte efter några repetitionscykler.

Marx generator

Erwin Otto Marx tillhandahöll en flerstegs impulsgenerator krets 1924. Denna krets används specifikt för att generera hög impuls spänning från en lågspänningskälla. Kretsen för multiplexad impulsgenerator eller vanligtvis kallad Marx-krets kan ses i bilden nedan.

Ovanstående krets använder fyra kondensatorer (det kan finnas ett antal kondensatorer) som laddas av en högspänningskälla i parallellt laddningstillstånd av laddningsmotstånden R1 till R8.

Under urladdningsförhållandet fungerar gnistgapet som var en öppen krets under laddningstillståndet som en omkopplare och ansluter en seriebana genom kondensatorbanken och genererar en mycket hög impulsspänning över belastningen. Urladdningsförhållandet visas i bilden ovan med den lila linjen. Spänningen i den första kondensatorn måste överskridas tillräckligt för att bryta ner gnistgapet och aktivera Marx-generatorkretsen.

När detta inträffar ansluter det första gnistgapet två kondensatorer (C1 och C2). Därför blir spänningen över den första kondensatorn dubbel med två spänningar på C1 och C2. Därefter bryts det tredje gnistgapet automatiskt ner eftersom spänningen över det tredje gnistgapet är tillräckligt hög och det börjar lägga till den tredje kondensatorns C3-spänning i stacken och detta fortsätter upp till den sista kondensatorn. Slutligen, när det sista och sista gnistgapet uppnås, är spänningen tillräckligt stor för att bryta det sista gnistgapet över lasten som har ett större gap mellan tändstiftet.

Den slutliga utspänningen över slutgapet är nVC (där n är antalet kondensatorer och VC är kondensatorns laddade spänning) men detta gäller i ideala kretsar. I verkliga scenarier kommer Marx Impulsgenerator-kretsens utspänning att vara mycket lägre än det faktiska önskade värdet.

Den här sista gnistpunkten måste dock ha större luckor eftersom kondensatorerna utan detta inte hamnar i fulladdat tillstånd. Ibland görs urladdningen avsiktligt. Det finns flera sätt att urladda kondensatorbanken i Marx-generatorn.

Tekniker för urladdning av kondensatorer i Marx Generator:

Pulserande ytterligare triggerelektrod : Pulserande av en extra triggerelektrod är ett effektivt sätt att avsiktligt utlösa Marx-generatorn under fulladdat tillstånd eller i ett speciellt fall. Den extra utlösarelektroden kallas Trigatron. Det finns olika former och storlekar Trigatron tillgängliga med olika specifikationer.

Jonisering av luften i springan : Joniserad luft är en effektiv väg som är fördelaktig för att leda gnistgapet. Joniseringen görs med en pulserande laser.

Minska lufttrycket inuti springan : Reduktionen av lufttrycket är också effektivt om gnistgapet är utformat inuti en kammare.

Nackdelar med Marx Generator

Lång laddningstid: Marx-generator använder motstånd för att ladda kondensatorn. Således laddningstiden blir högre. Kondensatorn som är närmare strömförsörjningen laddas snabbare än de andra. Detta beror på det ökade avståndet på grund av ökat motstånd mellan kondensatorn och strömförsörjningen. Detta är en stor nackdel med Marx-generatorenheten.

Förlust av effektivitet: På grund av samma anledning som tidigare beskrivits, då strömmen flödar genom motstånden, är effektiviteten hos Marx-generatorkretsen låg.

Gnistgapets korta livslängd: Den repetitiva urladdningscykeln genom gnistgapet förkortar elektrodernas livslängd för ett gnistgap som behöver bytas ut då och då.

Upprepningstiden för laddning och urladdningscykel: På grund av den höga laddningstiden är impulsgeneratorns repetitionstid mycket långsam. Detta är en annan stor nackdel med Marx-generatorkretsen.

Tillämpning av impulsgeneratorkrets

Den huvudsakliga tillämpningen av impulsgeneratorkretsen är att testa högspänningsenheter. Blixtavledare, säkringar, TVS-dioder, olika typer av överspänningsskydd etc. testas med hjälp av impulsspänningsgeneratorn. Inte bara inom testfältet utan även impulsgeneratorkretsen är ett viktigt instrument som används i kärnfysiksexperiment såväl som inom lasrar, fusions- och plasmanordningsindustrier.

Marx-generatorn används för simuleringsändamål för blixteffekter på kraftledningar och inom flygindustrin. Det används också i röntgen- och Z-maskiner. Andra användningsområden, såsom isoleringstestning av elektroniska enheter testas också med hjälp av impulsgeneratorkretsar.