Generador de tensió d'impulsos / generador marx: diagrama de circuits, principi de funcionament i aplicacions

En electrònica, les sobretensions són una cosa molt crítica i és un malson per a tots els dissenyadors de circuits. Aquestes sobretensions es coneixen comunament com a impuls que es pot definir com a alta tensió, normalment en uns quants kV que existeixen durant un curt període de temps. Les característiques d’un voltatge d’impuls es poden notar amb un temps de caiguda alt o baix seguit d’un temps de pujada molt alt. El llamp és un exemple de causes naturals que provoquen el voltatge d’impuls. Atès que aquest voltatge d’impuls pot danyar greument els equips elèctrics, és important provar que els nostres dispositius funcionin contra el voltatge d’impuls. Aquí és on fem servir un generador de tensió d’impuls que genera pujades de corrent o alta tensió en una configuració de proves controlades. En aquest article, coneixerem elfuncionament i aplicació del generador de tensió per impulsos. Comencem, doncs.

Com es va dir anteriorment, un generador d’impulsos produeix pujades de curta durada amb un voltatge molt alt o molt alt. Per tant, hi ha dos tipus de generadors d’impulsos, el generador de tensió d’ impuls i el generador de corrent d’impuls. No obstant això, en aquest article, parlarem de generadors de tensió d’impuls.

Forma d'ona de voltatge d'impuls

Per entendre millor la tensió d’impuls, fem una ullada a la forma d’ona de la tensió d’impuls. A la imatge següent, es mostra un únic pic de forma d'ona d'impuls d'alt voltatge

Com podeu veure, l’ona arriba al seu màxim màxim del 100 per cent en 2 uS. Això és molt ràpid, però l’alta tensió perd força amb un abast de quasi 40uS. Per tant, el pols té un temps de pujada molt curt o ràpid, mentre que un temps de caiguda molt lent o llarg. La durada del pols s’anomena cua d’ona que es defineix per la diferència entre el segell de tercera vegada ts3 i ts0.

Generador d'impulsos d'una sola etapa

Per entendre el funcionament d’un generador d’impulsos, vegeu el diagrama de circuits d’un generador d’impulsos d’una sola etapa que es mostra a continuació.

El circuit anterior consta de dos condensadors i dues resistències. La Gap spark (G) és una bretxa aïllada elèctricament entre dos elèctrodes on es produeixen espurnes elèctriques. A la imatge superior també es mostra una font d’alimentació d’alta tensió. Qualsevol circuit del generador d’impulsos necessita com a mínim un condensador gran que estigui carregat a un nivell de voltatge adequat i que després es descarregui per una càrrega. En el circuit anterior, el CS és el condensador de càrrega. Es tracta d’un condensador d’alta tensió que normalment supera els 2 kV (depèn de la tensió de sortida desitjada). El condensador CB és la capacitat de càrrega que descarregarà el condensador de càrrega. La resistència i RD i RE controlen la forma de l'ona.

Si la imatge anterior s’observa amb deteniment, podem trobar que la bretxa G o espurna no té connexió elèctrica. Llavors, com aconsegueix la capacitat de càrrega l’alta tensió? Aquí teniu el truc i per aquest, el circuit anterior actua com a generador d’impulsos. El condensador es carrega fins que la tensió carregada del condensador és suficient per creuar la bretxa. Un impuls elèctric generat a través de la bretxa i l’alta tensió es transfereix des del terminal de l’elèctrode esquerre al terminal de l’elèctrode dret de la bretxa i, per tant, el converteix en un circuit connectat.

El temps de resposta del circuit es pot controlar variant la distància entre dos elèctrodes o canviant la tensió completament carregada dels condensadors. El càlcul de la tensió d’impuls de sortida es pot fer calculant la forma d’ona de la tensió de sortida amb

v (t) = (i ^{- α t} - i ^{- β t})

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

Desavantatges del generador d'impulsos d'una sola etapa

El principal desavantatge d’un circuit generador d’impulsos d’una sola etapa és la mida física. Depenent de l’alta tensió, els components augmenten de mida. A més, la generació de voltatge d’impuls elevat requereix un voltatge continu CC. Per tant, per a un circuit generador de tensió d’impuls d’una etapa, es fa bastant difícil obtenir una eficiència òptima fins i tot després d’utilitzar grans fonts d’alimentació de CC.

Les esferes que s’utilitzen per a la connexió entre espais també requereixen una mida molt elevada. La corona que es descarrega per la generació de voltatge per impuls és molt difícil de suprimir i remodelar. La vida de l’elèctrode s’escurça i requereix una substitució després d’uns quants cicles de repetició.

Generador de Marx

Erwin Otto Marx va proporcionar un circuit generador d’impulsos de diverses etapes el 1924. Aquest circuit s’utilitza específicament per generar un voltatge d’impuls elevat a partir d’una font d’energia de baixa tensió. A la imatge següent es pot veure el circuit del generador d’impulsos multiplexat o anomenat habitualment com a circuit de Marx.

El circuit anterior utilitza 4 condensadors (hi pot haver n nombre de condensadors) carregats per una font d’alta tensió en condicions de càrrega paral·lela per les resistències de càrrega R1 a R8.

Durant la condició de descàrrega, la bretxa que era un circuit obert durant l'estat de càrrega, actua com a commutador i connecta un recorregut en sèrie a través del banc de condensadors i genera una tensió d'impuls molt elevada a través de la càrrega. La condició de descàrrega es mostra a la imatge superior per la línia morada. Cal superar el voltatge del primer condensador suficientment per trencar la bretxa i activar el circuit del generador de Marx.

Quan això es produeix, la primera bretxa connecta dos condensadors (C1 i C2). Per tant, la tensió del primer condensador es duplica en dos voltatges de C1 i C2. Posteriorment, la tercera bretxa es trenca automàticament perquè la tensió a través de la tercera bretxa és prou elevada i comença a afegir el tercer voltatge del condensador C3 a la pila i això arriba fins a l'últim condensador. Finalment, quan s’arriba a l’última i última bretxa, el voltatge és prou gran com per trencar l’última bretxa de la càrrega, que té una bretxa més gran entre les bugies.

La tensió de sortida final a través de la bretxa final serà nVC (on n és el nombre de condensadors i VC és la tensió carregada del condensador), però això és cert en els circuits ideals. En escenaris reals, el voltatge de sortida del circuit del generador d’impulsos Marx serà molt inferior al valor real desitjat.

No obstant això, aquest darrer punt d’espurna ha de tenir espais més grans perquè, sense això, els condensadors no entren en estat completament carregats. De vegades, la descàrrega es fa intencionadament. Hi ha diverses maneres de descarregar el banc de condensadors al generador Marx.

Tècniques de descàrrega de condensadors a Marx Generator:

Pulsar un elèctrode activador addicional : pulsar un elèctrode activador addicional és una manera eficaç d’activar intencionadament el generador Marx durant la càrrega completa o en un cas especial. L'elèctrode activador addicional s'anomena Trigatron. Hi ha diferents formes i mides Trigatron disponibles amb diferents especificacions.

Ionització de l’aire a la bretxa : l’ aire ionitzat és un camí eficaç que és beneficiós per conduir la bretxa. La ionització es fa mitjançant un làser polsat.

Reducció de la pressió de l’aire a l’interior de la bretxa : la reducció de la pressió de l’aire també és efectiva si la bretxa està dissenyada dins d’una cambra.

Desavantatges del generador Marx

Temps de càrrega llarg: el generador de Marx utilitza resistències per carregar el condensador. Així, el temps de càrrega augmenta. El condensador més proper a la font d'alimentació es carrega més ràpidament que els altres. Això es deu a l'augment de la distància a causa de l'augment de la resistència entre el condensador i la font d'alimentació. Aquest és un desavantatge important de la unitat generadora de Marx.

Pèrdua d’eficiència: a causa de la mateixa raó descrita anteriorment, ja que el corrent flueix a través de les resistències, l’eficiència del circuit generador de Marx és baixa.

La curta durada de la bretxa: el cicle repetitiu de descàrrega a través de la bretxa escurça la vida dels elèctrodes d’una bretxa que s’ha de substituir de tant en tant.

El temps de repetició del cicle de càrrega i descàrrega: a causa del temps de càrrega elevat, el temps de repetició del generador d’impulsos és molt lent. Aquest és un altre inconvenient important del circuit generador de Marx.

Aplicació del circuit del generador d’impulsos

La principal aplicació del circuit del generador d’impulsos és provar dispositius d’alta tensió. Els descarregadors, fusibles, díodes TVS, diferents tipus de protectors contra sobretensions, etc. es proven mitjançant el generador de tensió Impulse. No només en el camp de les proves, sinó que el circuit generador d’impulsos també és un instrument essencial que s’utilitza en experiments de física nuclear, així com en indústries de làsers, fusió i dispositius de plasma.

El generador Marx s'utilitza per a la simulació d'efectes llampecs sobre els equips de la línia elèctrica i en les indústries aeronàutiques. També s’utilitza en màquines de raigs X i Z. Altres usos, com ara proves d’ aïllament de dispositius electrònics, també es proven mitjançant circuits generadors d’impulsos.