Impulsspanningsgenerator / Marx-generator - schakelschema, werkingsprincipe en toepassingen

In de elektronica zijn pieken een zeer kritiek iets en het is een nachtmerrie voor elke circuitontwerper. Deze pieken worden gewoonlijk impulsen genoemd, die kunnen worden gedefinieerd als een hoge spanning, meestal in een paar kV die gedurende een korte tijd bestaat. De kenmerken van een impulsspanning kunnen worden opgemerkt met een hoge of lage daaltijd gevolgd door een zeer hoge stijgtijd van de spanning. Bliksem is een voorbeeld van natuurlijke oorzaken die impulsspanning veroorzaken. Aangezien deze impulsspanning elektrische apparatuur ernstig kan beschadigen, is het belangrijk om te testen of onze apparaten tegen impulsspanning werken. Hier gebruiken we een Impulse Voltage generator die in een gecontroleerde testopstelling hoge spannings- of stroompieken genereert. In dit artikel zullen we leren over dewerking en toepassing van de Impulse Voltage Generator. Dus laten we beginnen.

Zoals eerder verteld, produceert een impulsgenerator deze kortstondige pieken met een zeer hoge spanning of een zeer hoge stroom. Er zijn dus twee soorten impulsgeneratoren, impulsspanningsgenerator en impulsstroomgenerator. In dit artikel zullen we echter impulsspanningsgeneratoren bespreken.

Impulsspanningsgolfvorm

Laten we, om de impulsspanning beter te begrijpen, de golfvorm van de impulsspanning eens bekijken. In de onderstaande afbeelding wordt een enkele piek van de hoogspanningsimpulsgolfvorm getoond

Zoals je kunt zien, bereikt de golf zijn maximale piek van 100 procent binnen 2 uS. Dit gaat erg snel, maar de hoge spanning verliest zijn kracht met een overspanning van bijna 40uS. Daarom heeft de puls een zeer korte of snelle stijgtijd, terwijl een zeer langzame of lange dalingstijd. De duur van de puls wordt de golf staart die wordt bepaald door het verschil tussen 3-tijdstempel TS3 en ts0.

Eentraps impulsgenerator

Laten we, om de werking van een impulsgenerator te begrijpen, eens kijken naar het schakelschema van een eentraps impulsgenerator dat hieronder wordt weergegeven

Het bovenstaande circuit bestaat uit twee condensatoren en twee weerstanden. De vonkbrug (G) is een elektrisch geïsoleerde opening tussen twee elektroden waar elektrische vonken optreden. In de bovenstaande afbeelding wordt ook een hoogspanningsvoedingsbron getoond. Elk impulsgeneratorcircuit heeft ten minste één grote condensator nodig die wordt opgeladen tot een geschikt spanningsniveau en vervolgens wordt ontladen door een belasting. In het bovenstaande circuit is de CS de laadcondensator. Dit is een hoogspanningscondensator die typisch meer is dan 2 kV (afhankelijk van de gewenste uitgangsspanning). De condensator CB is de belastingscapaciteit die de laadcondensator zal ontladen. De weerstand en RD en RE regelen de golfvorm.

Als de bovenstaande afbeelding zorgvuldig wordt bekeken, kunnen we zien dat de G of vonkbrug geen elektrische verbinding heeft. Hoe krijgt de belastingscapaciteit dan de hoge spanning? Hier is de truc en door deze werkt het bovenstaande circuit als een impulsgenerator. De condensator wordt opgeladen totdat de geladen spanning van de condensator voldoende is om de vonkbrug te overschrijden. Een elektrische impuls die wordt gegenereerd over de vonkbrug en hoge spanning wordt overgebracht van de linker elektrodeaansluiting naar de rechter elektrodeaansluiting van de vonkbrug en maakt er zo een verbonden circuit van.

De reactietijd van het circuit kan worden geregeld door de afstand tussen twee elektroden te variëren of door de volledig opgeladen spanning van de condensatoren te veranderen. De uitgangsimpuls spanning berekening kan worden uitgevoerd door berekening van de uitgangsspanningsgolfvorm met

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Nadelen van eentraps impulsgenerator

Het grootste nadeel van een enkeltraps impulsgeneratorcircuit is de fysieke grootte. Afhankelijk van de hoogspanning worden de componenten groter in omvang. Ook vereist het genereren van hoge impulsspanning een hoge gelijkspanning. Daarom wordt het voor een enkeltraps impulsspanningsgeneratorcircuit vrij moeilijk om optimale efficiëntie te krijgen, zelfs na gebruik van grote gelijkstroomvoedingen.

De bollen die worden gebruikt voor de spleetverbinding vereisten ook zeer grote afmetingen. De corona die wordt ontladen door de opwekking van impulsspanning is erg moeilijk te onderdrukken en opnieuw vorm te geven. De levensduur van de elektrode wordt korter en moet na enkele herhalingscycli worden vervangen.

Marx generator

Erwin Otto Marx leverde in 1924 een meertraps impulsgeneratorcircuit. Dit circuit wordt specifiek gebruikt om hoge impulsspanning te genereren uit een laagspanningsvoedingsbron. Het circuit van een gemultiplexte impulsgenerator of gewoonlijk Marx-circuit genoemd, is te zien in de onderstaande afbeelding.

Het bovenstaande circuit maakt gebruik van 4 condensatoren (er kunnen n aantal condensatoren zijn) die worden opgeladen door een hoogspanningsbron in parallelle laadtoestand door de laadweerstanden R1 tot R8.

Tijdens de ontladingstoestand werkt de vonkbrug, die tijdens de laadtoestand een open circuit was, als een schakelaar en verbindt een serieschakeling door de condensatorbank en wekt een zeer hoge impulsspanning op over de belasting. De ontladingstoestand wordt in de bovenstaande afbeelding weergegeven door de paarse lijn. De spanning van de eerste condensator moet voldoende worden overschreden om de vonkbrug te doorbreken en het Marx-generatorcircuit te activeren.

Wanneer dit gebeurt, verbindt de eerste vonkbrug twee condensatoren (C1 en C2). Daarom wordt de spanning over de eerste condensator verdubbeld met twee spanningen van C1 en C2. Vervolgens wordt de derde vonkbrug automatisch afgebroken omdat de spanning over de derde vonkbrug hoog genoeg is en het de derde condensator C3-spanning begint toe te voegen aan de stapel en dit gaat door tot aan de laatste condensator. Ten slotte, wanneer de laatste en laatste vonkbrug is bereikt, is de spanning groot genoeg om de laatste vonkbrug over de belasting te doorbreken, die een grotere opening tussen de bougies heeft.

De uiteindelijke uitgangsspanning over de laatste opening is nVC (waarbij n het aantal condensatoren is en VC de geladen spanning van de condensator), maar dit is waar in ideale circuits. In reële scenario's zal de uitgangsspanning van het Marx Impulse-generatorcircuit veel lager zijn dan de werkelijk gewenste waarde.

Dit laatste vonkpunt moet echter grotere openingen hebben omdat, zonder dit, de condensatoren niet volledig opgeladen raken. Soms wordt de ontlading opzettelijk gedaan. Er zijn verschillende manieren om de condensatorbank in de Marx-generator te ontladen.

Condensatorontladingstechnieken in Marx Generator:

Pulserende extra trigger-elektrode : Het pulseren van een extra trigger-elektrode is een effectieve manier om de Marx-generator opzettelijk te activeren tijdens volledig opgeladen toestand of in een speciaal geval. De extra trigger-elektrode wordt Trigatron genoemd. Er zijn verschillende soorten en maten Trigatron verkrijgbaar met verschillende specificaties.

Ionisatie van de lucht in de opening : geïoniseerde lucht is een effectief pad dat gunstig is om de vonkbrug te geleiden. De ionisatie gebeurt met behulp van een gepulseerde laser.

Verlaging van de luchtdruk in de opening : De vermindering van de luchtdruk is ook effectief als de vonkbrug is ontworpen in een kamer.

Nadelen van de Marx Generator

Lange oplaadtijd: Marx-generator gebruikt weerstanden om de condensator op te laden. De oplaadtijd wordt dus hoger. De condensator die zich dichter bij de voeding bevindt, wordt sneller opgeladen dan de andere. Dit komt door de grotere afstand vanwege de verhoogde weerstand tussen de condensator en de voeding. Dit is een groot nadeel van de Marx-generatoreenheid.

Verlies van efficiëntie: vanwege dezelfde reden als eerder beschreven, terwijl de stroom door de weerstanden vloeit, is het rendement van het Marx-generatorcircuit laag.

De korte levensduur van de vonkbrug: De zich herhalende ontladingscyclus door de vonkbrug verkort de levensduur van de elektroden van een vonkbrug die van tijd tot tijd moet worden vervangen.

De herhalingstijd van de laad- en ontlaadcyclus: vanwege de hoge laadtijd is de herhalingstijd van de impulsgenerator erg traag. Dit is een ander groot nadeel van het Marx-generatorcircuit.

Toepassing van een impulsgeneratorcircuit

De belangrijkste toepassing van het impulsgeneratorcircuit is het testen van hoogspanningsapparatuur. Bliksemafleiders, zekeringen, TVS-diodes, verschillende soorten overspanningsbeveiligingen, enz. Worden getest met behulp van de impuls-spanningsgenerator. Niet alleen op het gebied van testen, maar het impulsgeneratorcircuit is ook een essentieel instrument dat wordt gebruikt in nucleaire fysica-experimenten en in de lasers-, fusie- en plasma-apparaatindustrieën.

De Marx-generator wordt gebruikt voor simulatiedoeleinden van blikseminslagen op hoogspanningsapparatuur en in de luchtvaartindustrie. Het wordt ook gebruikt in röntgen- en Z-machines. Andere toepassingen, zoals isolatietesten van elektronische apparaten, worden ook getest met behulp van pulsgeneratorcircuits.