- Forma d'onda della tensione di impulso
- Generatore di impulsi a stadio singolo
- Svantaggi del generatore di impulsi a stadio singolo
- Generatore di Marx
- Svantaggi del generatore Marx
- Applicazione del circuito generatore di impulsi
Nell'elettronica, le sovratensioni sono una cosa molto critica ed è un incubo per ogni progettista di circuiti. Questi picchi sono comunemente indicati come impulsi che possono essere definiti come alta tensione, tipicamente in pochi kV che esiste per un breve periodo di tempo. Le caratteristiche di una tensione impulsiva possono essere rilevate con un tempo di caduta alto o basso seguito da un tempo di salita della tensione molto elevato, il fulmine è un esempio di cause naturali che provocano la tensione impulsiva. Poiché questa tensione di impulso può danneggiare gravemente le apparecchiature elettriche, è importante testare i nostri dispositivi per funzionare contro la tensione di impulso. È qui che utilizziamo un generatore di tensione a impulsi che genera picchi di alta tensione o corrente in una configurazione di prova controllata. In questo articolo, impareremo a conoscere ilfunzionamento e applicazione del generatore di tensione a impulsi. Quindi iniziamo.
Come detto in precedenza, un generatore di impulsi produce questi picchi di breve durata con una tensione molto alta o una corrente molto alta. Pertanto, ci sono due tipi di generatori di impulsi, generatore di tensione a impulsi e generatore di corrente a impulsi. Tuttavia, in questo articolo, discuteremo dei generatori di tensione a impulsi.
Forma d'onda della tensione di impulso
Per capire meglio la tensione impulsiva diamo uno sguardo alla forma d'onda della tensione impulsiva. Nell'immagine sottostante, viene mostrato un singolo picco della forma d'onda dell'impulso ad alta tensione
Come puoi vedere, l'onda sta raggiungendo il suo picco massimo del 100% entro 2 uS. Questo è molto veloce, ma l'alta tensione sta perdendo la sua forza con un intervallo di 40uS quasi. Pertanto, l'impulso ha un tempo di salita molto breve o veloce mentre un tempo di caduta molto lento o lungo. La durata dell'impulso è chiamata coda d'onda che è definita dalla differenza tra il terzo timestamp ts3 e ts0.
Generatore di impulsi a stadio singolo
Per comprendere il funzionamento di un generatore di impulsi, diamo un'occhiata allo schema elettrico di un generatore di impulsi monostadio che viene mostrato di seguito
Il circuito sopra è costituito da due condensatori e due resistenze. Lo Spark Gap (G) è uno spazio elettricamente isolato tra due elettrodi dove si verificano scintille elettriche. Nell'immagine sopra è mostrata anche una fonte di alimentazione ad alta tensione. Qualsiasi circuito generatore di impulsi necessita di almeno un grande condensatore che viene caricato a un livello di tensione appropriato e quindi scaricato da un carico. Nel circuito sopra, il CS è il condensatore di carica. Questo è un condensatore ad alta tensione tipicamente superiore a 2 kV (dipende dalla tensione di uscita desiderata). Il condensatore CB è la capacità di carico che scaricherà il condensatore di carica. Il resistore e RD e RE controllano la forma d'onda.
Se l'immagine sopra viene osservata attentamente, possiamo scoprire che il G o lo spinterometro non ha alcun collegamento elettrico. Allora come fa la capacità di carico ad ottenere l'alta tensione? Ecco il trucco e con questo, il circuito sopra funge da generatore di impulsi. Il condensatore viene caricato fino a quando la tensione di carica del condensatore è sufficiente per attraversare lo spinterometro. Un impulso elettrico generato attraverso lo spinterometro e l'alta tensione viene trasferito dal terminale dell'elettrodo sinistro al terminale dell'elettrodo destro dello spinterometro, rendendolo così un circuito collegato.
Il tempo di risposta del circuito può essere controllato variando la distanza tra due elettrodi o cambiando la tensione dei condensatori completamente caricati. Il calcolo della tensione dell'impulso di uscita può essere eseguito calcolando la forma d'onda della tensione di uscita con
v (t) = (e - α t - e - β t)
Dove, α = 1 / R d C b β = 1 / R e C z
Svantaggi del generatore di impulsi a stadio singolo
Il principale svantaggio di un circuito generatore di impulsi monostadio è la dimensione fisica. A seconda della tensione nominale, i componenti diventano di dimensioni maggiori. Inoltre, la generazione di alta tensione di impulso richiede un'alta tensione CC. Pertanto, per un circuito generatore di tensione a impulsi monostadio, diventa piuttosto difficile ottenere un'efficienza ottimale anche dopo aver utilizzato grandi alimentatori CC.
Anche le sfere che vengono utilizzate per la connessione gap richiedevano dimensioni molto elevate. La corona che viene scaricata dalla generazione di tensione impulsiva è molto difficile da sopprimere e rimodellare. La durata dell'elettrodo si riduce e richiede la sostituzione dopo alcuni cicli di ripetizione.
Generatore di Marx
Erwin Otto Marx ha fornito un circuito generatore di impulsi multistadio nel 1924. Questo circuito è specificamente utilizzato per generare alta tensione impulsiva da una fonte di alimentazione a bassa tensione. Il circuito del generatore di impulsi multiplex o comunemente chiamato circuito Marx può essere visto nell'immagine sottostante.
Il circuito di cui sopra utilizza 4 condensatori (possono esserci n numero di condensatori) che vengono caricati da una sorgente di alta tensione in condizioni di carica parallela dai resistori di carica da R1 a R8.
Durante la condizione di scarica lo spinterometro che era un circuito aperto durante lo stato di carica, funge da interruttore e collega un percorso in serie attraverso il banco di condensatori e genera una tensione impulsiva molto elevata attraverso il carico. La condizione di scarica è mostrata nell'immagine sopra dalla linea viola. La tensione del primo condensatore deve essere sufficientemente superata per abbattere lo spinterometro e attivare il circuito del generatore Marx.
Quando ciò si verifica, il primo spinterometro collega due condensatori (C1 e C2). Pertanto la tensione ai capi del primo condensatore diventa il doppio di due tensioni di C1 e C2. Successivamente, il terzo spinterometro si interrompe automaticamente perché la tensione attraverso il terzo spinterometro è abbastanza alta e inizia ad aggiungere la tensione del terzo condensatore C3 nello stack e questo continua fino all'ultimo condensatore. Infine, quando viene raggiunto l'ultimo e ultimo spinterometro, la tensione è abbastanza grande da rompere l'ultimo spinterometro attraverso il carico che ha uno spazio maggiore tra le candele.
La tensione di uscita finale attraverso il gap finale sarà nVC (dove n è il numero di condensatori e VC è la tensione caricata del condensatore) ma questo è vero nei circuiti ideali. In scenari reali, la tensione di uscita del circuito generatore di Marx Impulse sarà molto inferiore al valore effettivo desiderato.
Tuttavia, quest'ultimo punto di scintilla deve avere spazi più ampi perché, senza questo, i condensatori non entrano in una condizione completamente carica. A volte, lo scarico viene fatto intenzionalmente. Esistono diversi modi per scaricare il banco di condensatori nel generatore Marx.
Tecniche di scarica dei condensatori nel generatore Marx:
Elettrodo trigger aggiuntivo a impulsi : L' impulso di un elettrodo trigger aggiuntivo è un modo efficace per attivare intenzionalmente il generatore Marx durante la condizione di carica completa o in un caso speciale. L'elettrodo trigger aggiuntivo è chiamato Trigatron. Ci sono diverse forme e dimensioni Trigatron disponibili con diverse specifiche.
Ionizzazione dell'aria nello spazio : l' aria ionizzata è un percorso efficace che è utile per condurre lo spinterometro. La ionizzazione viene eseguita utilizzando un laser pulsato.
Riduzione della pressione dell'aria all'interno dello spazio : la riduzione della pressione dell'aria è efficace anche se lo spinterometro è progettato all'interno di una camera.
Svantaggi del generatore Marx
Tempo di carica lungo: il generatore Marx utilizza resistenze per caricare il condensatore. Così il tempo di ricarica aumenta. Il condensatore più vicino all'alimentatore si carica più velocemente degli altri. Ciò è dovuto alla maggiore distanza dovuta alla maggiore resistenza tra il condensatore e l'alimentatore. Questo è uno dei principali inconvenienti del generatore Marx.
Perdita di efficienza: per lo stesso motivo descritto in precedenza, poiché la corrente scorre attraverso i resistori, l'efficienza del circuito del generatore Marx è bassa.
La breve durata dello spinterometro: il ciclo ripetitivo di scarica attraverso lo spinterometro riduce la durata degli elettrodi di uno spinterometro che deve essere sostituito di volta in volta.
Il tempo di ripetizione della carica e del ciclo di scarica: a causa dell'elevato tempo di carica, il tempo di ripetizione del generatore di impulsi è molto lento. Questo è un altro grave inconveniente del circuito generatore di Marx.
Applicazione del circuito generatore di impulsi
La principale applicazione del circuito generatore di impulsi è testare dispositivi ad alta tensione. Scaricatori di fulmini, fusibili, diodi TVS, diversi tipi di dispositivi di protezione contro le sovratensioni, ecc. Non solo nel campo dei test, ma il circuito del generatore di impulsi è anche uno strumento essenziale utilizzato negli esperimenti di fisica nucleare, nonché nelle industrie di laser, fusione e dispositivi al plasma.
Il generatore Marx viene utilizzato per scopi di simulazione degli effetti dei fulmini su apparecchiature elettriche e nelle industrie aeronautiche. Viene anche utilizzato nelle macchine X-Ray e Z. Anche altri usi, come i test di isolamento dei dispositivi elettronici, vengono testati utilizzando circuiti generatori di impulsi.