Impulsspannungsgenerator / Marx-Generator - Schaltplan, Funktionsprinzip und Anwendungen

In der Elektronik sind Überspannungen eine sehr kritische Sache und ein Albtraum für jeden Schaltungsentwickler. Diese Überspannungen werden üblicherweise als Impuls bezeichnet, der als Hochspannung definiert werden kann, typischerweise in einigen kV, die für eine kurze Zeitdauer bestehen. Die Eigenschaften einer Impulsspannung können mit einer hohen oder niedrigen Abfallzeit gefolgt von einer sehr hohen Anstiegszeit der Spannung festgestellt werden. Der Blitz ist ein Beispiel für natürliche Ursachen, die eine Impulsspannung verursachen. Da diese Impulsspannung elektrische Geräte schwer beschädigen kann, ist es wichtig, unsere Geräte auf Impulsspannung zu testen. Hier verwenden wir einen Impulsspannungsgenerator, der in einem kontrollierten Testaufbau hohe Spannungs- oder Stromstöße erzeugt. In diesem Artikel erfahren wir mehr über dieFunktionsweise und Anwendung des Impulsspannungsgenerators. Also lasst uns anfangen.

Wie bereits erwähnt, erzeugt ein Impulsgenerator diese kurzen Spannungsspitzen mit einer sehr hohen Spannung oder einem sehr hohen Strom. Somit gibt es zwei Arten von Impulsgeneratoren, einen Impulsspannungsgenerator und einen Impulsstromgenerator. In diesem Artikel werden wir jedoch Impulsspannungsgeneratoren diskutieren.

Impulsspannungswellenform

Um die Impulsspannung besser zu verstehen, werfen wir einen Blick auf die Impulsspannungswellenform. In der folgenden Abbildung ist eine einzelne Spitze der Hochspannungsimpulswellenform dargestellt

Wie Sie sehen können, erreicht die Welle innerhalb von 2 US ihren maximalen Spitzenwert von 100 Prozent. Dies ist sehr schnell, aber die Hochspannung verliert mit einer Spannweite von fast 40 us fast an Stärke. Daher hat der Impuls eine sehr kurze oder schnelle Anstiegszeit, während eine sehr langsame oder lange Abfallzeit vorliegt. Die Dauer des Impulses wird als Wellenende bezeichnet, die durch die Differenz zwischen dem 3. Zeitstempel ts3 und ts0 definiert ist.

Einstufiger Impulsgenerator

Um die Funktionsweise eines Impulsgenerators zu verstehen, werfen Sie einen Blick auf den unten gezeigten Schaltplan eines einstufigen Impulsgenerators

Die obige Schaltung besteht aus zwei Kondensatoren und zwei Widerständen. Die Funkenstrecke (G) ist eine elektrisch isolierte Lücke zwischen zwei Elektroden, in der elektrische Funken auftreten. Eine Hochspannungsquelle ist im obigen Bild ebenfalls gezeigt. Jede Impulsgeneratorschaltung benötigt mindestens einen großen Kondensator, der auf ein geeignetes Spannungsniveau aufgeladen und dann von einer Last entladen wird. In der obigen Schaltung ist der CS der Ladekondensator. Dies ist ein Hochspannungskondensator, der typischerweise eine Nennspannung von mehr als 2 kV aufweist (abhängig von der gewünschten Ausgangsspannung). Der Kondensator CB ist die Lastkapazität, die den Ladekondensator entlädt. Der Widerstand und RD und RE steuern die Wellenform.

Wenn das obige Bild sorgfältig betrachtet wird, können wir feststellen, dass das G oder die Funkenstrecke keine elektrische Verbindung hat. Wie erhält dann die Lastkapazität die Hochspannung? Hier ist der Trick und durch diesen wirkt die obige Schaltung als Impulsgenerator. Der Kondensator wird geladen, bis die geladene Spannung des Kondensators ausreicht, um die Funkenstrecke zu überschreiten. Ein elektrischer Impuls, der über die Funkenstrecke und die Hochspannung erzeugt wird, wird vom linken Elektrodenanschluss zum rechten Elektrodenanschluss der Funkenstrecke übertragen und macht ihn so zu einer verbundenen Schaltung.

Die Reaktionszeit der Schaltung kann durch Variieren des Abstands zwischen zwei Elektroden oder Ändern der vollständig geladenen Spannung der Kondensatoren gesteuert werden. Die Ausgangsimpulsspannungsberechnung kann durch Berechnung der Ausgangsspannungswellenform durchgeführt werden

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Nachteile des einstufigen Impulsgenerators

Der Hauptnachteil einer einstufigen Impulsgeneratorschaltung ist die physikalische Größe. Je nach Hochspannungsgröße werden die Komponenten größer. Die Erzeugung einer hohen Impulsspannung erfordert auch eine hohe Gleichspannung. Daher wird es für eine einstufige Impulsspannungsgeneratorschaltung ziemlich schwierig, selbst nach Verwendung großer Gleichstromversorgungen einen optimalen Wirkungsgrad zu erzielen.

Die Kugeln, die für die Spaltverbindung verwendet werden, erforderten ebenfalls eine sehr hohe Größe. Die Korona, die durch die Impulsspannungserzeugung entladen wird, ist sehr schwer zu unterdrücken und umzuformen. Die Lebensdauer der Elektrode verkürzt sich und muss nach einigen Wiederholungszyklen ausgetauscht werden.

Marx-Generator

Erwin Otto Marx stellte 1924 eine mehrstufige Impulsgeneratorschaltung zur Verfügung. Diese Schaltung wird speziell zur Erzeugung einer hohen Impulsspannung aus einer Niederspannungsquelle verwendet. Die Schaltung eines gemultiplexten Impulsgenerators oder allgemein als Marx-Schaltung bezeichnet, ist im folgenden Bild zu sehen.

Die obige Schaltung verwendet 4 Kondensatoren (es kann n Kondensatoren geben), die von einer Hochspannungsquelle im parallelen Ladezustand durch die Ladewiderstände R1 bis R8 geladen werden.

Während des Entladezustands wirkt die Funkenstrecke, die während des Ladezustands ein offener Stromkreis war, als Schalter und verbindet einen Reihenpfad durch die Kondensatorbank und erzeugt eine sehr hohe Impulsspannung über der Last. Der Entladungszustand ist im obigen Bild durch die violette Linie dargestellt. Die Spannung des ersten Kondensators muss ausreichend überschritten werden, um die Funkenstrecke aufzubrechen und die Marx-Generatorschaltung zu aktivieren.

In diesem Fall verbindet die erste Funkenstrecke zwei Kondensatoren (C1 und C2). Daher wird die Spannung am ersten Kondensator durch zwei Spannungen von C1 und C2 verdoppelt. Anschließend bricht die dritte Funkenstrecke automatisch zusammen, da die Spannung über der dritten Funkenstrecke hoch genug ist und die Spannung des dritten Kondensators C3 in den Stapel addiert wird, und dies geht bis zum letzten Kondensator weiter. Wenn schließlich die letzte und letzte Funkenstrecke erreicht ist, ist die Spannung groß genug, um die letzte Funkenstrecke über der Last zu durchbrechen, die eine größere Lücke zwischen den Zündkerzen aufweist.

Die endgültige Ausgangsspannung über der letzten Lücke ist nVC (wobei n die Anzahl der Kondensatoren und VC die geladene Spannung des Kondensators ist), dies gilt jedoch für ideale Schaltungen. In realen Szenarien ist die Ausgangsspannung der Marx-Impulsgeneratorschaltung viel niedriger als der tatsächlich gewünschte Wert.

Dieser letzte Funkenpunkt muss jedoch größere Lücken aufweisen, da die Kondensatoren ohne diesen nicht vollständig aufgeladen werden. Manchmal erfolgt die Entladung absichtlich. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Kondensatorbank im Marx-Generator zu entladen.

Kondensatorentladungstechniken im Marx-Generator:

Pulsieren einer zusätzlichen Triggerelektrode: Das Pulsieren einer zusätzlichen Triggerelektrode ist eine effektive Methode, um den Marx-Generator absichtlich im Vollladezustand oder in einem speziellen Fall auszulösen. Die zusätzliche Triggerelektrode wird als Trigatron bezeichnet. Es gibt verschiedene Formen und Größen von Trigatron mit unterschiedlichen Spezifikationen.

Ionisieren der Luft im Spalt : Ionisierte Luft ist ein effektiver Weg, der zum Leiten des Funkenstrecks von Vorteil ist. Die Ionisation erfolgt mit einem gepulsten Laser.

Reduzierung des Luftdrucks im Spalt : Die Reduzierung des Luftdrucks ist auch dann wirksam, wenn der Funkenstrecken in einer Kammer ausgelegt ist.

Nachteile des Marx-Generators

Lange Ladezeit: Der Marx-Generator verwendet Widerstände zum Laden des Kondensators. Dadurch wird die Ladezeit höher. Der Kondensator, der näher an der Stromversorgung liegt, wird schneller geladen als die anderen. Dies ist auf den vergrößerten Abstand aufgrund des erhöhten Widerstands zwischen dem Kondensator und der Stromversorgung zurückzuführen. Dies ist ein Hauptnachteil der Marx-Generatoreinheit.

Wirkungsgradverlust: Aus dem gleichen Grund wie zuvor beschrieben ist der Wirkungsgrad der Marx-Generatorschaltung gering, wenn der Strom durch die Widerstände fließt.

Die kurze Lebensdauer der Funkenstrecke: Der sich wiederholende Entladungszyklus durch die Funkenstrecke verkürzt die Lebensdauer der Elektroden einer Funkenstrecke, die von Zeit zu Zeit ausgetauscht werden muss.

Die Wiederholungszeit des Lade- und Entladezyklus: Aufgrund der hohen Ladezeit ist die Wiederholungszeit des Impulsgenerators sehr langsam. Dies ist ein weiterer großer Nachteil der Marx-Generatorschaltung.

Anwendung der Impulsgeneratorschaltung

Die Hauptanwendung der Impulsgeneratorschaltung besteht darin , Hochspannungsvorrichtungen zu testen. Blitzableiter, Sicherungen, TVS-Dioden, verschiedene Arten von Überspannungsschutzgeräten usw. werden mit dem Impulsspannungsgenerator getestet. Nicht nur im Testbereich, sondern auch in der Impulsgeneratorschaltung ist ein wesentliches Instrument, das in kernphysikalischen Experimenten sowie in der Laser-, Fusions- und Plasmaindustrie eingesetzt wird.

Der Marx-Generator wird zur Simulation von Blitzeffekten auf Stromversorgungsanlagen und in der Luftfahrtindustrie verwendet. Es wird auch in Röntgen- und Z-Geräten verwendet. Andere Anwendungen, wie beispielsweise die Isolationsprüfung elektronischer Geräte, werden ebenfalls unter Verwendung von Impulsgeneratorschaltungen getestet.