Γεννήτρια τάσης ώθησης / γεννήτρια marx - διάγραμμα κυκλώματος, αρχή λειτουργίας και εφαρμογές

Στην ηλεκτρονική, οι υπερτάσεις είναι πολύ κρίσιμο πράγμα και είναι ένας εφιάλτης για κάθε σχεδιαστή. Αυτές οι υπερτάσεις συνήθως αναφέρονται ως ώθηση που μπορεί να οριστεί ως υψηλή τάση, συνήθως σε λίγα kV που υπάρχει για σύντομο χρονικό διάστημα. Τα χαρακτηριστικά μιας τάσης παλμών μπορούν να παρατηρηθούν με ένα χρόνο πτώσης Υψηλής ή Χαμηλής ακολουθούμενης από πολύ υψηλό χρόνο αύξησης τάσης, Ο κεραυνός είναι ένα παράδειγμα φυσικών αιτιών που προκαλούν τάση ώθησης. Δεδομένου ότι αυτή η τάση παλμών μπορεί να προκαλέσει σοβαρή ζημιά στον ηλεκτρικό εξοπλισμό, είναι σημαντικό να δοκιμάσουμε τις συσκευές μας να λειτουργούν ενάντια στην τάση παλμών. Εδώ χρησιμοποιούμε μια γεννήτρια τάσης παλμών που παράγει υπερτάσεις τάσης ή ρεύματος σε ελεγχόμενη ρύθμιση δοκιμών. Σε αυτό το άρθρο, θα μάθουμε για τολειτουργία και εφαρμογή της γεννήτριας τάσης ώθησης. Ας ξεκινήσουμε λοιπόν.

Όπως ειπώθηκε νωρίτερα, μια γεννήτρια παλμών παράγει αυτό το σύντομο κύμα διάρκειας με πολύ υψηλή τάση ή πολύ υψηλό ρεύμα. Έτσι, υπάρχουν δύο τύποι γεννητριών ώθησης, η γεννήτρια τάσης ώθησης και η γεννήτρια ρεύματος ώθησης. Ωστόσο, σε αυτό το άρθρο, θα συζητήσουμε τις γεννήτριες τάσης παλμών.

Κυματομορφή τάσης ώθησης

Για να κατανοήσουμε καλύτερα την τάση παλμού ας ρίξουμε μια ματιά στην κυματομορφή τάσης παλμού. Στην παρακάτω εικόνα, εμφανίζεται μία μόνο κορυφή κυματομορφής παλμού υψηλής τάσης

Όπως μπορείτε να δείτε, το κύμα φτάνει στο μέγιστο 100 τοις εκατό της κορυφής εντός 2 uS. Αυτό είναι πολύ γρήγορο, αλλά η υψηλή τάση χάνει τη δύναμή της με μια έκταση 40uS σχεδόν. Επομένως, ο παλμός έχει πολύ μικρό ή γρήγορο χρόνο ανόδου, ενώ πολύ αργός ή μεγάλος χρόνος πτώσης. Η διάρκεια του παλμού ονομάζεται κυματική ουρά που καθορίζεται από τη διαφορά μεταξύ της σφραγίδας 3ης φορά ts3 και ts0.

Γεννήτρια παλμών μονής φάσης

Για να κατανοήσετε τη λειτουργία μιας γεννήτριας παλμών, ας ρίξουμε μια ματιά στο διάγραμμα κυκλώματος μιας γεννήτριας παλμού ενός σταδίου που φαίνεται παρακάτω

Το παραπάνω κύκλωμα αποτελείται από δύο πυκνωτές και δύο αντιστάσεις. Ο σπινθήρας Gap (G) είναι ένα ηλεκτρικά απομονωμένο κενό μεταξύ δύο ηλεκτροδίων όπου συμβαίνουν ηλεκτρικοί σπινθήρες. Στην παραπάνω εικόνα εμφανίζεται επίσης μια πηγή ισχύος υψηλής τάσης. Οποιοδήποτε κύκλωμα γεννήτριας ώθησης χρειάζεται τουλάχιστον έναν μεγάλο πυκνωτή που φορτίζεται στο κατάλληλο επίπεδο τάσης και στη συνέχεια εκφορτίζεται από φορτίο. Στο παραπάνω κύκλωμα, το CS είναι ο πυκνωτής φόρτισης. Αυτός είναι ένας πυκνωτής υψηλής τάσης συνήθως περισσότερο από μια βαθμολογία 2kV (εξαρτάται από την επιθυμητή τάση εξόδου). Ο πυκνωτής CB είναι η χωρητικότητα φορτίου που θα εκφορτίσει τον πυκνωτή φόρτισης. Η αντίσταση και τα RD και RE ελέγχουν το σχήμα κύματος.

Εάν η παραπάνω εικόνα παρατηρηθεί προσεκτικά, μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι το διάκενο G ή σπινθήρα δεν έχει ηλεκτρική σύνδεση. Τότε πώς η χωρητικότητα φορτίου παίρνει την υψηλή τάση; Εδώ είναι το τέχνασμα και από αυτό, το παραπάνω κύκλωμα λειτουργεί ως γεννήτρια ώθησης. Ο πυκνωτής φορτίζεται έως ότου η φορτισμένη τάση του πυκνωτή είναι αρκετή για να ξεπεράσει το διάκενο σπινθήρα. Μια ηλεκτρική ώθηση που δημιουργείται κατά μήκος του διακένου σπινθήρα και της υψηλής τάσης μεταφέρεται από τον αριστερό ακροδέκτη ηλεκτροδίου στον δεξιό ακροδέκτη ηλεκτροδίου του διακένου σπινθήρα και καθιστώντας το έτσι ένα συνδεδεμένο κύκλωμα.

Ο χρόνος απόκρισης του κυκλώματος μπορεί να ελεγχθεί μεταβάλλοντας την απόσταση μεταξύ δύο ηλεκτροδίων ή αλλάζοντας την πλήρως φορτισμένη τάση των πυκνωτών. Ο υπολογισμός της τάσης παλμού εξόδου μπορεί να γίνει με τον υπολογισμό της κυματομορφής τάσης εξόδου με

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Μειονεκτήματα της γεννήτριας παλμών μονής φάσης

Το κύριο μειονέκτημα ενός κυκλώματος γεννήτριας παλμού ενός σταδίου είναι το φυσικό μέγεθος. Ανάλογα με την υψηλή τάση, τα εξαρτήματα μεγαλώνουν σε μέγεθος. Επίσης, η παραγωγή υψηλής τάσης παλμού απαιτεί υψηλή τάση DC. Επομένως, για ένα κύκλωμα γεννήτριας τάσης παλμού ενός σταδίου, είναι πολύ δύσκολο να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση ακόμα και μετά τη χρήση μεγάλων τροφοδοτικών DC.

Οι σφαίρες που χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση διακένου απαιτούσαν επίσης πολύ μεγάλο μέγεθος. Η κορώνα που αποφορτίζεται από την παραγωγή τάσης παλμών είναι πολύ δύσκολο να κατασταλεί και να αναμορφωθεί. Η διάρκεια ζωής του ηλεκτροδίου μειώνεται και απαιτεί αντικατάσταση μετά από μερικούς κύκλους επανάληψης.

Γεννήτρια Μαρξ

Ο Erwin Otto Marx παρείχε ένα κύκλωμα γεννήτριας παλμών πολλαπλών σταδίων το 1924. Αυτό το κύκλωμα χρησιμοποιείται ειδικά για την παραγωγή υψηλής τάσης από μια πηγή ισχύος χαμηλής τάσης. Το κύκλωμα της γεννήτριας πολλαπλών παλμών ή που ονομάζεται συνήθως κύκλωμα Marx φαίνεται στην παρακάτω εικόνα.

Το παραπάνω κύκλωμα χρησιμοποιεί 4 πυκνωτές (μπορεί να υπάρχει αριθμός n πυκνωτών) που φορτίζονται από πηγή υψηλής τάσης σε παράλληλη κατάσταση φόρτισης από τις αντιστάσεις φόρτισης R1 έως R8.

Κατά τη διάρκεια της εκφόρτισης, το διάκενο σπινθήρα που ήταν ανοικτό κύκλωμα κατά την κατάσταση φόρτισης, λειτουργεί ως διακόπτης και συνδέει μια διαδρομή σειράς μέσω της τράπεζας πυκνωτών και παράγει μια πολύ υψηλή τάση ώθησης σε όλο το φορτίο. Η κατάσταση εκφόρτισης φαίνεται στην παραπάνω εικόνα από την πορφυρή γραμμή. Η τάση του πρώτου πυκνωτή πρέπει να ξεπεραστεί επαρκώς για να μειωθεί το διάκενο σπινθήρα και να ενεργοποιηθεί το κύκλωμα γεννήτριας Marx.

Όταν συμβεί αυτό, το πρώτο κενό σπινθήρα συνδέει δύο πυκνωτές (C1 και C2). Επομένως, η τάση στον πρώτο πυκνωτή διπλασιάζεται με δύο τάσεις των C1 και C2. Στη συνέχεια, το τρίτο διάκενο σπινθήρων καταρρέει αυτόματα επειδή η τάση στο τρίτο διάκενο σπινθήρων είναι αρκετά υψηλή και αρχίζει να προσθέτει την τρίτη τάση πυκνωτή C3 στη στοίβα και αυτό συνεχίζεται μέχρι τον τελευταίο πυκνωτή. Τέλος, όταν επιτευχθεί το τελευταίο και τελευταίο διάκενο σπινθήρα, η τάση είναι αρκετά μεγάλη για να σπάσει το τελευταίο διάκενο σπινθήρα στο φορτίο που έχει μεγαλύτερο κενό μεταξύ των μπουζί.

Η τελική τάση εξόδου στο τελικό κενό θα είναι nVC (όπου το n είναι ο αριθμός των πυκνωτών και το VC είναι η φορτισμένη τάση πυκνωτή), αλλά αυτό ισχύει σε ιδανικά κυκλώματα. Σε πραγματικά σενάρια, η τάση εξόδου του κυκλώματος γεννήτριας Marx Impulse θα είναι πολύ χαμηλότερη από την πραγματική επιθυμητή τιμή.

Ωστόσο, αυτό το τελευταίο σημείο σπινθήρα πρέπει να έχει μεγαλύτερα κενά επειδή, χωρίς αυτό, οι πυκνωτές δεν μπαίνουν σε πλήρως φορτισμένη κατάσταση. Μερικές φορές, η απόρριψη γίνεται σκόπιμα. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για την εκφόρτιση της τράπεζας πυκνωτών στη γεννήτρια Marx.

Τεχνικές εκφόρτισης πυκνωτή στη γεννήτρια Marx:

Παλμός επιπρόσθετου ηλεκτροδίου ενεργοποίησης : Η παλλόμενη επιπρόσθετη ηλεκτρόδιο ενεργοποίησης είναι ένας αποτελεσματικός τρόπος για να προκαλέσετε σκόπιμα τη γεννήτρια Marx σε κατάσταση πλήρους φόρτισης ή σε ειδική περίπτωση. Το πρόσθετο ηλεκτρόδιο ενεργοποίησης ονομάζεται Trigatron. Υπάρχουν διαφορετικά σχήματα και μεγέθη Trigatron διαθέσιμα με διαφορετικές προδιαγραφές.

Ιονισμός του αέρα στο κενό : Ο ιονισμένος αέρας είναι ένα αποτελεσματικό μονοπάτι που είναι ευεργετικό για τη διεξαγωγή του κενού σπινθήρων. Ο ιονισμός γίνεται χρησιμοποιώντας παλμικό λέιζερ.

Μείωση της πίεσης του αέρα μέσα στο διάκενο : Η μείωση της πίεσης του αέρα είναι επίσης αποτελεσματική εάν το διάκενο σπινθήρα έχει σχεδιαστεί μέσα σε έναν θάλαμο.

Μειονεκτήματα του Marx Generator

Μεγάλος χρόνος φόρτισης: Η γεννήτρια Marx χρησιμοποιεί αντιστάσεις για τη φόρτιση του πυκνωτή. Έτσι ο χρόνος φόρτισης αυξάνεται. Ο πυκνωτής που είναι πιο κοντά στο τροφοδοτικό φορτίζεται γρηγορότερα από τους άλλους. Αυτό οφείλεται στην αυξημένη απόσταση λόγω της αυξημένης αντίστασης μεταξύ του πυκνωτή και του τροφοδοτικού. Αυτό είναι ένα σημαντικό μειονέκτημα της μονάδας γεννήτριας Marx.

Απώλεια απόδοσης: Λόγω του ίδιου λόγου που περιγράφηκε προηγουμένως, καθώς το ρεύμα ρέει μέσω των αντιστάσεων, η απόδοση του κυκλώματος γεννήτριας Marx είναι χαμηλή.

Η σύντομη διάρκεια ζωής του κενού σπινθήρων: Ο επαναλαμβανόμενος κύκλος εκφόρτισης μέσω του διαστήματος σπινθήρων μειώνει τη διάρκεια ζωής των ηλεκτροδίων ενός διακένου σπινθήρα που πρέπει να αντικαθίσταται κατά καιρούς.

Ο χρόνος επανάληψης του κύκλου φόρτισης και εκφόρτισης: Λόγω του υψηλού χρόνου φόρτισης, ο χρόνος επανάληψης της γεννήτριας ώθησης είναι πολύ αργός. Αυτό είναι ένα άλλο σημαντικό μειονέκτημα του κυκλώματος γεννήτριας Marx.

Εφαρμογή κυκλώματος γεννήτριας ώθησης

Η κύρια εφαρμογή του κυκλώματος γεννήτριας παλμών είναι ο έλεγχος συσκευών υψηλής τάσης. Οι αστραπές, οι ασφάλειες, οι δίοδοι TVS, οι διάφοροι τύποι προστατευτικών υπερτάσεων κ.λπ. ελέγχονται χρησιμοποιώντας τη γεννήτρια τάσης παλμών. Όχι μόνο στον τομέα δοκιμών, αλλά και το κύκλωμα γεννήτριας Impulse είναι επίσης ένα βασικό όργανο που χρησιμοποιείται σε πειράματα πυρηνικής φυσικής, καθώς και σε βιομηχανίες λέιζερ, σύντηξης και συσκευών πλάσματος.

Η γεννήτρια Marx χρησιμοποιείται για σκοπούς προσομοίωσης εφέ αστραπής σε γρανάζια και σε αεροπορικές βιομηχανίες. Χρησιμοποιείται επίσης σε μηχανήματα ακτίνων Χ και Ζ. Άλλες χρήσεις, όπως η δοκιμή μόνωσης ηλεκτρονικών συσκευών δοκιμάζονται επίσης χρησιμοποιώντας κυκλώματα γεννήτριας παλμών.