Pulssijännitegeneraattori / Marx-generaattori - kytkentäkaavio, toimintaperiaate ja sovellukset

Elektroniikassa nousut ovat erittäin kriittinen asia, ja se on painajainen jokaiselle piirisuunnittelijalle. Näitä ylijännitteitä kutsutaan yleisesti impulssiksi, joka voidaan määritellä suurjännitteeksi, tyypillisesti muutamassa kV: ssä, joka on olemassa lyhyen ajan. Pulssijännitteen ominaisuudet voidaan havaita suurella tai matalalla putoamisajalla, jota seuraa erittäin korkea jännitteen nousuaika, salama on esimerkki luonnollisista syistä, jotka aiheuttavat impulssijännitteen. Koska tämä impulssijännite voi vahingoittaa vakavasti sähkölaitteita, on tärkeää testata, että laitteemme toimivat impulssijännitettä vastaan. Tässä käytämme impulssijännitegeneraattoria, joka tuottaa suurjännite- tai virtapiikkejä kontrolloidussa testausjärjestelmässä. Tässä artikkelissa opimmeimpulssijännitegeneraattorin toiminta ja käyttö. Joten, aloitetaan.

Kuten aiemmin kerrottiin, impulssigeneraattori tuottaa tämän lyhytaikaisen ylijännitteen erittäin suurella jännitteellä tai erittäin suurella virralla. Siksi on olemassa kahden tyyppisiä impulssigeneraattoreita, impulssijännitegeneraattori ja impulssivirta-generaattori. Tässä artikkelissa keskustelemme kuitenkin impulssijännitegeneraattoreista.

Pulssijännitteen aaltomuoto

Jotta ymmärtäisimme impulssijännitteen paremmin, katsotaanpa impulssijännitteen aaltomuotoa. Alla olevassa kuvassa näkyy yksi korkeajännitteisen impulssin aaltomuodon huippu

Kuten näette, aalto saavuttaa korkeimman 100 prosentin huippunsa 2 uS: n sisällä. Tämä on erittäin nopeaa, mutta korkea jännite menettää voimansa melkein 40uS: n jännevälillä. Siksi pulssilla on hyvin lyhyt tai nopea nousuaika, kun taas erittäin hidas tai pitkä laskuaika. Keston pulssin kutsutaan aalto hännän, joka on määritelty erotus 3.-aikaleiman ts3 ja ts0.

Yksivaiheinen impulssigeneraattori

Jotta ymmärtää toiminnan impulssigeneraattorin, anna osuus katsoa piirikaavio yksivaiheista impulssi generaattori, joka on esitetty alla

Yllä oleva piiri koostuu kahdesta kondensaattorista ja kahdesta vastuksesta. Kipinän aukko (G) on sähköisesti eristetty rako kahden elektrodin välillä, joissa tapahtuu sähköisiä kipinöitä. Suurjännitelähde on myös esitetty yllä olevassa kuvassa. Mikä tahansa impulssigeneraattoripiiri tarvitsee ainakin yhden suuren kondensaattorin, joka ladataan sopivaan jännitetasoon ja puretaan sitten kuormalla. Yllä olevassa piirissä CS on latauskondensaattori. Tämä on suurjännitekondensaattori, tyypillisesti yli 2 kV: n nimellisjännite (riippuu halutusta lähtöjännitteestä). Kondensaattori CB on kuormituskapasitanssi, joka purkaa latauskondensaattorin. Vastus sekä RD ja RE ohjaavat aaltomuotoa.

Jos yllä olevaa kuvaa tarkkaillaan huolellisesti, voimme havaita, että G- tai kipinävälillä ei ole sähköliitäntää. Kuinka sitten kuormituskapasitanssi saa korkean jännitteen? Tässä on temppu, ja tällä yllä oleva piiri toimii impulssigeneraattorina. Kondensaattoria ladataan, kunnes kondensaattorin varattu jännite riittää kipinävälin ylittämiseen. Kipinävälin ja suurjännitteen yli syntyvä sähköinen impulssi siirtyy vasemmasta elektrodiliittimestä kipinävälin oikeaan elektrodiliittimeen ja tekee siitä siten kytketyn piirin.

Piirin vasteaikaa voidaan säätää muuttamalla kahden elektrodin välistä etäisyyttä tai muuttamalla kondensaattoreiden täyteen ladattua jännitettä. Lähtö impulssi jännite laskenta voidaan tehdä laskemalla lähdön jännitteen aaltomuodon kanssa

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Yksivaiheisen impulssigeneraattorin haitat

Yksivaiheisen impulssigeneraattoripiirin suurin haitta on fyysinen koko. Suurjänniteluettelosta riippuen komponenttien koko kasvaa. Suuren impulssijännitteen tuottaminen vaatii myös suurta tasajännitettä. Siksi yksivaiheisella impulssijännitegeneraattoripiirillä on melko vaikeaa saavuttaa optimaalinen hyötysuhde jopa suurten tasavirtalähteiden käytön jälkeen.

Pallot, joita käytetään aukkoyhteyteen, vaativat myös erittäin suuren koon. Impulssijännitteen muodostumisen kautta purkautuva korona on erittäin vaikea tukahduttaa ja muotoilla uudelleen. Elektrodin käyttöikä lyhenee ja vaatii vaihtamisen muutaman toistosyklin jälkeen.

Marx-generaattori

Erwin Otto Marx toimitti monivaiheisen impulssigeneraattoripiirin vuonna 1924. Tätä virtapiiriä käytetään erityisesti korkean impulssijännitteen tuottamiseen matalajännitteisestä virtalähteestä. Multipleksoidun impulssigeneraattorin tai yleisesti Marx-piirinä kutsuttu piiri voidaan nähdä alla olevasta kuvasta.

Yllä oleva piiri käyttää 4 kondensaattoria (kondensaattoreita voi olla n), jotka latautuvat suurjännitelähteestä rinnakkaislataustilassa latausvastuksilla R1 - R8.

Purkaustilan aikana kipinäväli, joka oli avoin piiri lataustilan aikana, toimii kytkimenä ja yhdistää sarjapolun kondensaattoripankin läpi ja tuottaa erittäin korkean impulssijännitteen kuorman yli. Purkaustila näkyy yllä olevassa kuvassa violetilla viivalla. Ensimmäisen kondensaattorin jännite on ylitettävä riittävästi kipinävälin hajottamiseksi ja Marx-generaattoripiirin aktivoimiseksi.

Kun tämä tapahtuu, ensimmäinen kipinäväli yhdistää kaksi kondensaattoria (C1 ja C2). Siksi ensimmäisen kondensaattorin jännite kaksinkertaistuu kahdella jännitteellä C1 ja C2. Sen jälkeen kolmas kipinäväli hajoaa automaattisesti, koska jännite kolmannen kipinävälin yli on riittävän korkea ja se alkaa lisätä kolmatta kondensaattorin C3 jännitettä pinoon ja tämä jatkuu viimeiseen kondensaattoriin asti. Lopuksi, kun viimeinen ja viimeinen kipinäväli on saavutettu, jännite on riittävän suuri murtamaan viimeinen kipinäväli kuorman yli, jolla on suurempi rako sytytystulppien välillä.

Lopullinen lähtöjännite lopullisen aukon yli on nVC (missä n on kondensaattoreiden lukumäärä ja VC on kondensaattorin varaama jännite), mutta tämä pätee ihanteellisissa piireissä. Todellisissa skenaarioissa Marx Impulse -generaattoripiirin lähtöjännite on paljon pienempi kuin todellinen haluttu arvo.

Viimeisellä kipinäkohdalla on kuitenkin oltava suuremmat aukot, koska ilman tätä kondensaattorit eivät pääse täysin ladattuun tilaan. Joskus vastuuvapaus tehdään tarkoituksella. Marx-generaattorissa on useita tapoja purkaa kondensaattoripankki.

Kondensaattorin purkutekniikat Marx Generatorissa:

Lisälaukaisuelektrodin sykkiminen : Lisäliipaisuelektrodin sykkiminen on tehokas tapa laukaista Marx-generaattori tarkoituksellisesti täyteen tai erityistapauksessa. Lisäliipaisuelektrodia kutsutaan nimellä Trigatron. Trigatronia on saatavana eri muodoilla ja kokoisina erilaisilla tiedoilla.

Raon ilman ionisointi: Ionisoitu ilma on tehokas polku, joka on hyödyllinen kipinävälin johtamiseksi. Ionisointi tapahtuu käyttämällä pulssilaseria.

Ilmanpaineen alentaminen aukon sisällä : Ilmanpaineen alentaminen on tehokasta myös, jos kipinäväli on suunniteltu kammion sisään.

Marx-generaattorin haitat

Pitkä latausaika: Marx-generaattori käyttää vastuksia kondensaattorin lataamiseen. Näin latausaika nousee. Virtalähdettä lähempänä oleva kondensaattori latautuu nopeammin kuin muut. Tämä johtuu suuremmasta etäisyydestä johtuen kondensaattorin ja virtalähteen välisen vastuksen lisääntymisestä. Tämä on Marx-generaattoriyksikön merkittävä haittapuoli.

Tehokkuuden menetys: Samasta syystä kuin aikaisemmin on kuvattu, virran kulkiessa vastusten läpi Marx-generaattoripiirin hyötysuhde on alhainen.

Kipinävälin lyhyt käyttöikä: Toistuva purkaussyke kipinävälin läpi lyhentää kipinävälien elektrodien käyttöikää, joka on aika ajoin vaihdettava.

Lataus- ja purkausjakson toistoaika: Suuresta latausaikasta johtuen impulssigeneraattorin toistoaika on hyvin hidasta. Tämä on toinen suuri haitta Marx-generaattoripiirissä.

Impulssigeneraattoripiirin käyttö

Pulssigeneraattoripiirin tärkein sovellus on suurjännitelaitteiden testaaminen. Salamanestimet, sulakkeet, TVS-diodit, erityyppiset ylijännitesuojat jne. Testataan impulssijännitegeneraattorilla. Pulssigeneraattoripiiri ei ole vain testausalalla, vaan se on myös tärkeä väline, jota käytetään ydinfysiikan kokeissa sekä lasereissa, fuusio- ja plasmalaitteissa.

Marx-generaattoria käytetään salamavaikutusten simulointiin voimajohdon vaihteisiin ja ilmailuteollisuuteen. Sitä käytetään myös röntgen- ja Z-koneissa. Myös muut käyttötarkoitukset, kuten elektronisten laitteiden eristystestaus, testataan impulssigeneraattoripiireillä.