Генератор імпульсної напруги / генератор Маркса - принципова схема, принцип роботи та застосування

В електроніці стрибки напруги - дуже важлива річ, і це кошмар для кожного конструктора схем. Ці перенапруги зазвичай називають імпульсом, який можна визначити як високу напругу, як правило, в кілька кВ, яка існує протягом короткого періоду часу. Характеристики імпульсної напруги можна помітити з високим або низьким часом падіння, за яким слідує дуже високий час зростання напруги. Блискавка є прикладом природних причин, що викликають імпульсну напругу. Оскільки ця імпульсна напруга може серйозно пошкодити електрообладнання, важливо перевірити, чи працюють наші пристрої проти імпульсної напруги. Тут ми використовуємо генератор імпульсної напруги, який генерує стрибки високої напруги або струму в контрольованій контрольній установці. У цій статті ми дізнаємося проробота та застосування імпульсного генератора напруги. Отже, давайте почнемо.

Як вже було сказано раніше, генератор імпульсів виробляє такі короткочасні стрибки напруги з дуже високою напругою або дуже високим струмом. Таким чином, існує два типи генераторів імпульсів, генератор імпульсної напруги та генератор імпульсних струмів. Однак у цій статті ми обговоримо імпульсні генератори напруги.

Форма сигналу імпульсної напруги

Щоб краще зрозуміти імпульсну напругу, давайте розглянемо форму сигналу імпульсної напруги. На зображенні нижче показано один пік високовольтної імпульсної форми сигналу

Як бачите, хвиля досягає свого максимального 100-відсоткового піку в межах 2 мкС. Це дуже швидко, але висока напруга втрачає свою силу майже з інтервалом 40 мкСа. Отже, імпульс має дуже короткий або швидкий час наростання, тоді як дуже повільний або тривалий час падіння. Тривалість імпульсу називається хвильовим хвостом, який визначається різницею між штампом 3-го часу ts3 і ts0.

Одноступеневий генератор імпульсів

Для того, щоб зрозуміти роботу імпульсного генератора, давайте розглянемо принципову схему одноступінчастого імпульсного генератора, яка показана нижче

Зазначена схема складається з двох конденсаторів і двох опорів. Іскровий проміжок (G) - це електрично ізольований зазор між двома електродами, де трапляються електричні іскри. На наведеному вище зображенні також показано джерело високої напруги. Будь-яка схема генератора імпульсів потребує принаймні одного великого конденсатора, який заряджається до відповідного рівня напруги, а потім розряджається навантаженням. У наведеній вище схемі CS є зарядним конденсатором. Це конденсатор високої напруги, який зазвичай перевищує номінал 2 кВ (залежить від бажаної вихідної напруги). Конденсатор CB - це ємність навантаження, яка буде розряджати зарядний конденсатор. Резистор і RD і RE контролюють форму хвилі.

Якщо ретельно спостерігати за наведеним вище зображенням, ми можемо виявити, що G або іскровий зазор не має електричного з'єднання. Тоді як навантажувальна ємність отримує високу напругу? Ось у чому фокус, і за цим вищезазначена схема діє як генератор імпульсів. Конденсатор заряджається до тих пір, поки зарядженої напруги конденсатора не вистачить для перетину іскрового зазору. Електричний імпульс, що генерується через іскровий проміжок і високу напругу, передається від лівого електродного терміналу до правого електродного терміналу іскрового зазору і, таким чином, робить його підключеною ланцюгом.

Час відгуку ланцюга можна регулювати, змінюючи відстань між двома електродами або змінюючи повністю заряджену напругу конденсаторів. Розрахунок напруги вихідної імпульсної напруги можна зробити, обчисливши форму сигналу вихідної напруги за допомогою

V (T) = (е ^{- α т} - е ^{- β т})

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

Недоліки одностадійного імпульсного генератора

Основним недоліком однокаскадної схеми генератора імпульсів є фізичний розмір. Залежно від номіналу високої напруги, компоненти отримують більші розміри. Крім того, генерація високої імпульсної напруги вимагає високої напруги постійного струму. Тому для одноступінчастої схеми генератора імпульсної напруги стає досить важко отримати оптимальну ефективність навіть після використання великих джерел живлення постійного струму.

Сфери, які використовуються для зазору, також вимагали дуже великих розмірів. Корону, яка розряджається в результаті генерації імпульсної напруги, дуже важко придушити і змінити. Термін служби електрода скорочується і вимагає заміни через кілька циклів повторення.

Генератор Маркса

Ервін Отто Маркс забезпечив багатоступеневу схему генератора імпульсів в 1924 році. Ця схема спеціально використовується для генерації високої імпульсної напруги від джерела живлення низької напруги. Схему мультиплексованого генератора імпульсів або зазвичай називають ланцюгом Маркса можна побачити на зображенні нижче.

У вищезазначеній схемі використовуються 4 конденсатори (конденсаторів може бути n), які заряджаються джерелом високої напруги в паралельному режимі зарядки зарядними резисторами R1-R8.

Під час розряду іскровий зазор, який був розімкнутим під час зарядного стану, діє як перемикач і з'єднує послідовний шлях через конденсаторну батарею і генерує дуже високу імпульсну напругу на навантаженні. Стан розряду показано на наведеному вище зображенні фіолетовою лінією. Напруга першого конденсатора повинна бути перевищена настільки, щоб пробити іскровий проміжок і активувати ланцюг генератора Маркса.

Коли це відбувається, перший іскровий зазор з'єднує два конденсатори (С1 і С2). Тому напруга на першому конденсаторі збільшується вдвічі на дві напруги C1 і C2. Згодом третій іскровий проміжок автоматично зривається, оскільки напруга на третьому іскровому зазорі досить висока, і він починає додавати напругу третього конденсатора С3 в стек, і це продовжується до останнього конденсатора. Нарешті, коли досягається остання і остання іскрова щілина, напруга є достатньо великою, щоб розбити останню іскрову щілину через навантаження, яка має більший зазор між свічками запалювання.

Кінцева вихідна напруга на кінцевому зазорі буде nVC (де n - кількість конденсаторів, а VC - заряджена напруга конденсатора), але це вірно в ідеальних схемах. У реальних сценаріях вихідна напруга схеми генератора імпульсів Маркса буде значно нижчою від фактичного бажаного значення.

Однак ця остання точка іскри повинна мати більші проміжки, оскільки без цього конденсатори не потрапляють у повністю заряджений стан. Іноді розряд роблять навмисно. Існує кілька способів розряду конденсаторної батареї в генераторі Маркса.

Методи розрядки конденсатора в генераторі Маркса:

Пульсуючий додатковий тригерний електрод : Пульсуючий додатковий тригерний електрод є ефективним способом навмисного спрацьовування генератора Маркса під час повністю зарядженого стану або в спеціальному випадку. Додатковий тригерний електрод називається Трігатрон. Існують різні форми та розміри Trigatron, доступні з різними характеристиками.

Іонізуюче повітря в зазорі : Іонізоване повітря - це ефективний шлях, який корисний для проведення іскрового зазору. Іонізація здійснюється за допомогою імпульсного лазера.

Зниження тиску повітря всередині зазору : Зниження тиску повітря також ефективно, якщо іскровий зазор сконструйований всередині камери.

Недоліки генератора Маркса

Тривалий час заряду: генератор Маркса використовує резистори для зарядки конденсатора. Таким чином час заряду збільшується. Конденсатор, який знаходиться ближче до джерела живлення, заряджається швидше, ніж інші. Це пов'язано зі збільшенням відстані через збільшення опору між конденсатором та джерелом живлення. Це основний недолік генераторного агрегату Маркса.

Втрата ефективності: З тієї ж причини, що описана раніше, коли струм протікає через резистори, ефективність схеми генератора Маркса низька.

Короткий термін служби іскрового проміжку: Повторюваний цикл розряду через іскровий проміжок скорочує термін служби електродів іскрового проміжку, який потрібно час від часу замінювати.

Час повторення циклу заряду та розряду: Через великий час заряду час повторення генератора імпульсів дуже повільний. Це ще один серйозний недолік схеми генератора Маркса.

Застосування схеми генератора імпульсів

Основним застосуванням схеми генератора імпульсів є випробування пристроїв високої напруги. Блискавковідводи, запобіжники, діоди TVS, різні типи захисних перенапруг тощо перевіряються за допомогою імпульсного генератора напруги. Не тільки в області випробувань, але і схема генератора імпульсів також є важливим інструментом, який використовується в експериментах з ядерної фізики, а також у виробництві лазерів, термоядерного синтезу та плазмових пристроїв.

Генератор Маркса використовується для цілей імітації блискавичних ефектів на електромережі та в авіаційній промисловості. Він також використовується в рентгенівських та Z-апаратах. Інші способи використання, такі як випробування ізоляції електронних пристроїв, також перевіряються за допомогою схем генератора імпульсів.