Генератор импульсного напряжения / генератор маркса - принципиальная схема, принцип работы и применение

В электронике скачки напряжения - очень важная вещь, и это кошмар для каждого разработчика схем. Эти всплески обычно называют импульсами, которые можно определить как высокое напряжение, обычно в несколько кВ, которое существует в течение короткого периода времени. Характеристики импульсного напряжения можно заметить по времени спада высокого или низкого напряжения, за которым следует очень высокое время нарастания напряжения. Молния является примером естественной причины, вызывающей импульсное напряжение. Поскольку это импульсное напряжение может серьезно повредить электрическое оборудование, важно протестировать наши устройства на работу против импульсного напряжения. Здесь мы используем генератор импульсного напряжения, который генерирует выбросы высокого напряжения или тока в контролируемой испытательной установке. В этой статье мы узнаем оработа и применение генератора импульсного напряжения. Итак, приступим.

Как было сказано ранее, импульсный генератор производит эти кратковременные всплески с очень высоким напряжением или очень большим током. Таким образом, существует два типа импульсных генераторов, импульсных генераторов напряжения и генератора импульсов тока. Однако в этой статье мы обсудим генераторы импульсного напряжения.

Форма волны импульсного напряжения

Чтобы лучше понять импульсное напряжение, давайте взглянем на форму сигнала импульсного напряжения. На изображении ниже показан одиночный пик формы импульса высокого напряжения.

Как видите, волна достигает своего максимального 100-процентного пика за 2 мкс. Это очень быстро, но высокое напряжение теряет свою силу почти на 40 мкс. Следовательно, импульс имеет очень короткое или быстрое время нарастания, тогда как очень медленное или долгое время спада. Длительность импульса называется хвостом волны, который определяется разницей между 3-й отметкой времени ts3 и ts0.

Генератор одноступенчатых импульсов

Чтобы понять работу генератора импульсов, давайте взглянем на принципиальную схему одноступенчатого генератора импульсов, которая показана ниже.

Вышеупомянутая схема состоит из двух конденсаторов и двух сопротивлений. Искровой зазор (G) - это электрически изолированный зазор между двумя электродами, в котором возникают электрические искры. Источник питания высокого напряжения также показан на изображении выше. Любая схема импульсного генератора требует, по крайней мере, одного большого конденсатора, который заряжается до соответствующего уровня напряжения и затем разряжается нагрузкой. В приведенной выше схеме CS является зарядным конденсатором. Обычно это высоковольтный конденсатор с номиналом более 2 кВ (зависит от желаемого выходного напряжения). Конденсатор CB - это емкость нагрузки, которая разряжает зарядный конденсатор. Резистор и RD и RE управляют формой волны.

Если внимательно присмотреться к изображению выше, можно обнаружить, что искровой разрядник не имеет электрического соединения. Тогда как емкость нагрузки получает высокое напряжение? Вот уловка, и по этой схеме вышеупомянутая схема действует как генератор импульсов. Конденсатор заряжается до тех пор, пока напряжение заряда конденсатора не станет достаточным для прохождения искрового промежутка. Электрический импульс, генерируемый на искровом промежутке, и высокое напряжение передается от вывода левого электрода к выводу правого электрода искрового промежутка, образуя таким образом подключенную цепь.

Время отклика схемы можно контролировать, изменяя расстояние между двумя электродами или изменяя напряжение полностью заряженного конденсатора. Расчет выходного напряжения импульса может быть сделан путем вычисления сигнала выходного напряжения с

V (T) = (е ^{- α т} - е ^{- β т})

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

Недостатки одноступенчатого генератора импульсов

Основным недостатком схемы одноступенчатого генератора импульсов является физический размер. В зависимости от номинального высокого напряжения компоненты становятся больше в размерах. Также для генерации высокого импульсного напряжения требуется высокое напряжение постоянного тока. Следовательно, для схемы одноступенчатого импульсного генератора напряжения довольно сложно добиться оптимального КПД даже после использования больших источников питания постоянного тока.

Сферы, которые используются для соединения зазора, также должны быть очень большого размера. Корону, которая разряжается в результате генерации импульсного напряжения, очень трудно подавить и изменить форму. Срок службы электрода сокращается и требует замены после нескольких циклов повторения.

Генератор Маркса

Эрвин Отто Маркс разработал схему многокаскадного импульсного генератора в 1924 году. Эта схема специально используется для генерации высокого импульсного напряжения от источника питания низкого напряжения. Схема генератора мультиплексированных импульсов или обычно называемая схемой Маркса, показана на изображении ниже.

В приведенной выше схеме используются 4 конденсатора (может быть n конденсаторов), которые заряжаются источником высокого напряжения в режиме параллельной зарядки с помощью зарядных резисторов R1 - R8.

Во время разряда искровой разрядник, который был разомкнутой цепью во время зарядки, действует как переключатель и соединяет последовательный путь через батарею конденсаторов и генерирует очень высокое импульсное напряжение на нагрузке. Состояние разряда показано на изображении выше фиолетовой линией. Напряжение первого конденсатора должно быть превышено в достаточной степени, чтобы пробить искровой промежуток и активировать схему генератора Маркса.

Когда это происходит, первый разрядник соединяет два конденсатора (C1 и C2). Следовательно, напряжение на первом конденсаторе удваивается на два напряжения C1 и C2. Впоследствии третий разрядник автоматически выходит из строя, потому что напряжение на третьем разряднике достаточно велико, и он начинает добавлять напряжение третьего конденсатора C3 в батарею, и это продолжается до последнего конденсатора. Наконец, когда достигается последний и последний искровой промежуток, напряжение достаточно велико, чтобы разорвать последний искровой промежуток в нагрузке, которая имеет больший промежуток между свечами зажигания.

Конечное выходное напряжение на конечном промежутке будет nVC (где n - количество конденсаторов, а VC - напряжение заряда конденсатора), но это верно для идеальных схем. В реальных сценариях выходное напряжение схемы генератора импульсов Маркса будет намного ниже фактического желаемого значения.

Однако эта последняя точка искры должна иметь большие зазоры, потому что без этого конденсаторы не перейдут в полностью заряженное состояние. Иногда выделения делают намеренно. Есть несколько способов разрядить батарею конденсаторов в генераторе Маркса.

Методы разряда конденсаторов в генераторе Маркса:

Импульсный дополнительный пусковой электрод : Импульсный дополнительный пусковой электрод - это эффективный способ преднамеренного запуска генератора Маркса во время полной зарядки или в особом случае. Дополнительный пусковой электрод называется Тригатроном. Существуют тригатроны разных форм и размеров с различными характеристиками.

Ионизация воздуха в зазоре : ионизированный воздух - это эффективный путь, по которому проходит искровой промежуток. Ионизация осуществляется с помощью импульсного лазера.

Снижение давления воздуха внутри зазора : снижение давления воздуха также эффективно, если искровой промежуток спроектирован внутри камеры.

Недостатки генератора Маркса

Длительное время зарядки: в генераторе Маркса для зарядки конденсатора используются резисторы. Таким образом, время зарядки увеличивается. Конденсатор, который находится ближе к источнику питания, заряжается быстрее, чем другие. Это связано с увеличением расстояния из-за повышенного сопротивления между конденсатором и источником питания. Это главный недостаток генератора Маркса.

Потеря эффективности: по той же причине, что описана ранее, когда ток течет через резисторы, эффективность схемы генератора Маркса низкая.

Короткий срок службы разрядника: повторяющийся цикл разряда через разрядник сокращает срок службы электродов разрядника, который время от времени необходимо заменять.

Время повторения цикла зарядки и разрядки: из-за большого времени зарядки время повторения генератора импульсов очень низкое. Это еще один серьезный недостаток схемы генератора Маркса.

Применение схемы генератора импульсов

Основное применение схемы генератора импульсов - испытание высоковольтных устройств. Грозозащитные устройства, предохранители, TVS-диоды, различные типы устройств защиты от перенапряжения и т. Д. Испытываются с помощью генератора импульсного напряжения. Не только в области испытаний, но и схема генератора импульсов также является важным инструментом, который используется в ядерно-физических экспериментах, а также в производстве лазеров, термоядерных и плазменных устройств.

Генератор Маркса используется для моделирования воздействия молнии на линии электропередач и в авиационной промышленности. Он также используется в аппаратах X-Ray и Z. Другие применения, такие как проверка изоляции электронных устройств, также проверяются с использованием схем импульсного генератора.