เครื่องกำเนิดแรงดันอิมพัลส์ / เครื่องกำเนิดมาร์กซ์ - แผนภาพวงจรหลักการทำงานและการใช้งาน

ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ไฟกระชากเป็นสิ่งที่สำคัญมากและเป็นฝันร้ายสำหรับนักออกแบบวงจรทุกคน กระชากเหล่านี้มักจะถูกเรียกว่าเป็นแรงกระตุ้นที่สามารถกำหนดให้เป็นไฟฟ้าแรงสูงโดยปกติในไม่กี่กิโลโวลต์ที่มีอยู่เป็นระยะเวลาสั้น ๆ ของเวลาลักษณะของแรงดันอิมพัลส์สามารถสังเกตเห็นได้ด้วยเวลาตกสูงหรือต่ำตามด้วยเวลาที่แรงดันไฟฟ้าเพิ่มขึ้นสูงฟ้าผ่าเป็นตัวอย่างของสาเหตุตามธรรมชาติที่ทำให้เกิดแรงดันอิมพัลส์ เนื่องจากแรงดันอิมพัลส์นี้สามารถทำลายอุปกรณ์ไฟฟ้าได้อย่างรุนแรงจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องทดสอบอุปกรณ์ของเราเพื่อทำงานกับแรงดันอิมพัลส์ นี่คือที่ที่เราใช้เครื่องกำเนิดแรงดันอิมพัลส์ซึ่งสร้างแรงดันไฟฟ้าสูงหรือกระแสไฟกระชากในการตั้งค่าการทดสอบที่มีการควบคุม ในบทความนี้เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับไฟล์การทำงานและการใช้เครื่องกำเนิดแรงดันอิมพัลส์ มาเริ่มกันเลย

อย่างที่บอกไปก่อนหน้านี้เครื่องกำเนิดอิมพัลส์ทำให้เกิดไฟกระชากในระยะเวลาสั้น ๆ นี้ด้วยแรงดันไฟฟ้าที่สูงมากหรือกระแสไฟฟ้าสูง ดังนั้นจึงมีสองประเภทของเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแรงกระตุ้นกำเนิดแรงดันไฟฟ้าแรงกระตุ้นและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าปัจจุบันแรงกระตุ้นอย่างไรก็ตามในบทความนี้เราจะพูดถึงเครื่องกำเนิดแรงดันอิมพัลส์

รูปคลื่นแรงดันอิมพัลส์

เพื่อทำความเข้าใจเกี่ยวกับแรงดันอิมพัลส์ให้ดีขึ้นเรามาดูรูปคลื่นแรงดันอิมพัลส์กัน ในภาพด้านล่างจะแสดงรูปคลื่นอิมพัลส์แรงดันสูงจุดเดียว

อย่างที่คุณเห็นคลื่นกำลังขึ้นสู่จุดสูงสุด 100 เปอร์เซ็นต์ภายใน 2 uS นี่เร็วมาก แต่ไฟฟ้าแรงสูงกำลังสูญเสียความแข็งแรงโดยมีช่วง 40uS เกือบ ดังนั้นชีพจรจึงมีเวลาเพิ่มขึ้นสั้นหรือเร็วมากในขณะที่เวลาตกช้าหรือนานมาก ระยะเวลาของพัลส์เรียกว่าหางคลื่นซึ่งกำหนดโดยความแตกต่างระหว่างการประทับเวลาครั้งที่ 3 ts3 และ ts0

เครื่องกำเนิดอิมพัลส์ขั้นตอนเดียว

เพื่อให้เข้าใจการทำงานของเครื่องกำเนิดอิมพัลส์ให้สเตคดูแผนภาพวงจรของเครื่องกำเนิดอิมพัลส์ขั้นตอนเดียวที่แสดงด้านล่าง

วงจรข้างต้นประกอบด้วยตัวเก็บประจุสองตัวและตัวต้านทานสองตัว ช่องว่างของประกายไฟ (G) คือช่องว่างที่แยกได้ด้วยไฟฟ้าระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้วที่มีประกายไฟ แหล่งพลังงานไฟฟ้าแรงสูงจะแสดงในภาพด้านบนด้วยวงจรกำเนิดอิมพัลส์ใด ๆต้องการตัวเก็บประจุขนาดใหญ่อย่างน้อยหนึ่งตัวที่ถูกชาร์จในระดับแรงดันไฟฟ้าที่เหมาะสมจากนั้นจึงปล่อยออกมาโดยโหลด ในวงจรข้างต้น CS เป็นตัวเก็บประจุชาร์จนี่คือตัวเก็บประจุแรงดันสูงโดยทั่วไปจะมากกว่าพิกัด 2kV (ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟฟ้าขาออกที่ต้องการ) ตัวเก็บประจุ CB คือความจุโหลดที่จะปลดปล่อยตัวเก็บประจุการชาร์จ ตัวต้านทานและ RD และ RE ควบคุมรูปคลื่น

หากสังเกตภาพด้านบนอย่างละเอียดเราจะพบว่าช่องว่าง G หรือประกายไฟไม่มีการเชื่อมต่อทางไฟฟ้า แล้วความจุโหลดรับแรงดันไฟฟ้าสูงได้อย่างไร? นี่คือเคล็ดลับและโดยวงจรข้างต้นนี้ทำหน้าที่เป็นเครื่องกำเนิดแรงกระตุ้น ตัวเก็บประจุจะถูกชาร์จจนกว่าแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุจะเพียงพอที่จะข้ามช่องว่างของประกายไฟ แรงกระตุ้นไฟฟ้าที่สร้างขึ้นผ่านช่องว่างของประกายไฟและแรงดันไฟฟ้าสูงจะถูกถ่ายโอนจากขั้วอิเล็กโทรดด้านซ้ายไปยังขั้วอิเล็กโทรดด้านขวาของช่องว่างประกายไฟและทำให้เป็นวงจรที่เชื่อมต่อ

เวลาตอบสนองของวงจรสามารถควบคุมได้โดยการเปลี่ยนระยะห่างระหว่างขั้วไฟฟ้าสองขั้วหรือเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าที่ชาร์จเต็มของตัวเก็บประจุ การคำนวณแรงดันอิมพัลส์เอาต์พุตสามารถทำได้โดยการคำนวณรูปคลื่นแรงดันไฟฟ้าขาออกด้วย

โวลต์ (t) = (จ^{- α T} - e ^{- β T})

ที่ไหน

α = 1 / R _d C _b β = 1 / R _e C _z

ข้อเสียของเครื่องกำเนิดอิมพัลส์ขั้นตอนเดียว

ข้อเสียที่สำคัญของขั้นตอนเดียววงจรกำเนิดแรงกระตุ้นเป็นขนาดทางกายภาพส่วนประกอบจะมีขนาดใหญ่ขึ้นทั้งนี้ขึ้นอยู่กับระดับแรงดันไฟฟ้าสูง นอกจากนี้ยังมีรุ่นที่แรงดันไฟฟ้าแรงกระตุ้นสูงต้องใช้แรงดันไฟฟ้ากระแสตรงสูงดังนั้นสำหรับวงจรกำเนิดแรงดันอิมพัลส์ขั้นตอนเดียวจึงค่อนข้างยากที่จะได้รับประสิทธิภาพสูงสุดแม้ว่าจะใช้แหล่งจ่ายไฟ DC ขนาดใหญ่ก็ตาม

ทรงกลมที่ใช้สำหรับการเชื่อมต่อช่องว่างยังต้องการขนาดที่สูงมาก โคโรนาที่ปล่อยออกมาโดยการสร้างแรงดันอิมพัลส์นั้นยากที่จะระงับและปรับรูปร่างใหม่ อายุการใช้งานของอิเล็กโทรดจะสั้นลงและต้องเปลี่ยนใหม่หลังจากทำซ้ำสองสามรอบ

เครื่องกำเนิดมาร์กซ์

เออร์วินออตโตมาร์กซ์จัดหาวงจรกำเนิดอิมพัลส์หลายขั้นตอนในปีพ. ศ. 2467 วงจรนี้ใช้เพื่อสร้างแรงดันอิมพัลส์สูงจากแหล่งจ่ายไฟแรงดันต่ำโดยเฉพาะ วงจรของเครื่องกำเนิดอิมพัลส์แบบมัลติเพล็กซ์หรือเรียกกันทั่วไปว่าวงจรมาร์กซ์สามารถดูได้จากภาพด้านล่าง

วงจรด้านบนใช้ตัวเก็บประจุ 4 ตัว (สามารถมีจำนวนตัวเก็บประจุได้) ที่ชาร์จโดยแหล่งกำเนิดไฟฟ้าแรงสูงในสภาวะการชาร์จแบบขนานโดยตัวต้านทานประจุ R1 ถึง R8

ในระหว่างสภาวะการปลดปล่อยช่องว่างของประกายไฟซึ่งเป็นวงจรเปิดระหว่างสถานะการชาร์จจะทำหน้าที่เป็นสวิตช์และเชื่อมต่อเส้นทางอนุกรมผ่านธนาคารตัวเก็บประจุและสร้างแรงดันอิมพัลส์ที่สูงมากในโหลด เงื่อนไขการปลดปล่อยจะแสดงในภาพด้านบนโดยเส้นสีม่วง แรงดันของความต้องการของตัวเก็บประจุแรกที่จะเกินพอที่จะทำลายลงช่องว่างจุดประกายและเปิดใช้งานวงจรกำเนิดมาร์กซ์

เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นช่องว่างประกายแรกจะเชื่อมต่อตัวเก็บประจุสองตัว (C1 และ C2) ดังนั้นแรงดันไฟฟ้าของตัวเก็บประจุตัวแรกจึงได้รับแรงดันไฟฟ้า C1 และ C2 เป็นสองเท่า ต่อจากนั้นช่องว่างประกายไฟที่สามจะแตกโดยอัตโนมัติเนื่องจากแรงดันไฟฟ้าข้ามช่องว่างประกายไฟที่สามสูงพอและเริ่มเพิ่มแรงดันไฟฟ้า C3 ตัวเก็บประจุที่สามลงในสแต็กและสิ่งนี้จะไปถึงตัวเก็บประจุตัวสุดท้าย ในที่สุดเมื่อถึงช่องว่างของประกายไฟสุดท้ายและสุดท้ายแรงดันไฟฟ้าจะมีขนาดใหญ่พอที่จะทำลายช่องว่างของประกายไฟสุดท้ายในโหลดซึ่งมีช่องว่างที่ใหญ่กว่าระหว่างหัวเทียน

แรงดันไฟฟ้าขาออกสุดท้ายในช่องว่างสุดท้ายจะเป็น nVC (โดยที่ n คือจำนวนของตัวเก็บประจุและ VC คือแรงดันไฟฟ้าที่ประจุของตัวเก็บประจุ) แต่เป็นจริงในวงจรที่เหมาะ ในสถานการณ์จริงแรงดันขาออกของวงจรกำเนิด Marx Impulseจะต่ำกว่าค่าที่ต้องการจริงมาก

อย่างไรก็ตามจุดประกายไฟสุดท้ายนี้จำเป็นต้องมีช่องว่างที่มากขึ้นเนื่องจากหากไม่มีสิ่งนี้ตัวเก็บประจุจะไม่เข้าสู่สภาวะที่ชาร์จเต็ม บางครั้งการปลดปล่อยจะกระทำโดยเจตนา มีหลายวิธีในการปลดธนาคารตัวเก็บประจุในเครื่องกำเนิดไฟฟ้าของ Marx

เทคนิคการปลดปล่อยตัวเก็บประจุใน Marx Generator:

การกะพริบอิเล็กโทรดทริกเกอร์เพิ่มเติม : การกะพริบอิเล็กโทรดทริกเกอร์เพิ่มเติมเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการทริกเกอร์เครื่องกำเนิดไฟฟ้ามาร์กซ์โดยเจตนาในระหว่างที่ประจุไฟเต็มหรือในกรณีพิเศษ อิเล็กโทรดทริกเกอร์เพิ่มเติมเรียกว่า Trigatron Trigatron มีรูปร่างและขนาดแตกต่างกันพร้อมคุณสมบัติที่แตกต่างกัน

การทำให้อากาศแตกตัวเป็นไอออนในช่องว่าง :อากาศที่แตกตัวเป็นไอออนเป็นเส้นทางที่มีประสิทธิภาพซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการทำให้เกิดประกายไฟ การไอออไนเซชันทำได้โดยใช้เลเซอร์พัลซิ่ง

การลดความดันอากาศภายในช่องว่าง :การลดความดันอากาศจะมีผลเช่นกันหากออกแบบช่องว่างประกายไฟภายในห้อง

ข้อเสียของ Marx Generator

เวลาในการชาร์จนาน:เครื่องกำเนิดไฟฟ้า Marx ใช้ตัวต้านทานเพื่อชาร์จตัวเก็บประจุ ดังนั้นเวลาในการชาร์จจึงสูงขึ้น ตัวเก็บประจุที่อยู่ใกล้กับแหล่งจ่ายไฟจะชาร์จเร็วกว่าตัวอื่น นี่เป็นเพราะระยะทางที่เพิ่มขึ้นเนื่องจากความต้านทานที่เพิ่มขึ้นระหว่างตัวเก็บประจุและแหล่งจ่ายไฟ นี่เป็นข้อเสียเปรียบที่สำคัญของหน่วยกำเนิดมาร์กซ์

การสูญเสียประสิทธิภาพ:เนื่องจากเหตุผลเดียวกับที่อธิบายไว้ก่อนหน้านี้เนื่องจากกระแสไหลผ่านตัวต้านทานประสิทธิภาพของวงจรกำเนิดมาร์กซ์จึงต่ำ

ช่วงอายุการใช้งานสั้นของช่องว่างประกายไฟ:วงจรการปล่อยซ้ำ ๆ ผ่านช่องว่างของประกายไฟจะทำให้อายุการใช้งานของอิเล็กโทรดของช่องว่างของประกายไฟสั้นลง

เวลาในการชาร์จซ้ำและรอบการคายประจุ:เนื่องจากเวลาในการชาร์จสูงเวลาในการทำซ้ำของเครื่องกำเนิดอิมพัลส์จึงช้ามาก นี่เป็นข้อเสียเปรียบหลักอีกประการหนึ่งของวงจรกำเนิดมาร์กซ์

การประยุกต์ใช้วงจรกำเนิดอิมพัลส์

แอพลิเคชันที่สำคัญของวงจรกำเนิดแรงกระตุ้นคือการทดสอบอุปกรณ์ไฟฟ้าแรงสูงอุปกรณ์ป้องกันฟ้าผ่าฟิวส์ไดโอด TVS อุปกรณ์ป้องกันไฟกระชากประเภทต่างๆ ฯลฯ ได้รับการทดสอบโดยใช้เครื่องกำเนิดแรงดันอิมพัลส์ ไม่เพียง แต่ในสนามทดสอบเท่านั้น แต่วงจรกำเนิดอิมพัลส์ยังเป็นเครื่องมือสำคัญที่ใช้ในการทดลองทางฟิสิกส์นิวเคลียร์เช่นเดียวกับในอุตสาหกรรมเลเซอร์ฟิวชันและอุปกรณ์พลาสมา

เครื่องกำเนิดไฟฟ้าของมาร์กซ์ใช้เพื่อวัตถุประสงค์ในการจำลองเอฟเฟกต์ฟ้าผ่าบนเกียร์สายไฟและในอุตสาหกรรมการบิน นอกจากนี้ยังใช้ในเครื่อง X-Ray และ Z การใช้งานอื่น ๆ เช่นการทดสอบฉนวนของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ยังทดสอบโดยใช้วงจรกำเนิดอิมพัลส์