מחולל מתח דחף / מחולל מרקס - תרשים מעגל, עקרון עבודה ויישומים

באלקטרוניקה, נחשולים הם דבר קריטי מאוד וזה סיוט עבור כל מעצב מעגלים. נחשולים אלה מכונים בדרך כלל דחף אשר ניתן להגדירו מתח גבוה, בדרך כלל בכמה קילו-וולט הקיים למשך זמן קצר. ניתן להבחין במאפיינים של מתח דחף בזמן נפילה גבוה או נמוך ואחריו זמן עלייה גבוה מאוד של מתח, ברק הוא דוגמה לגורמים טבעיים הגורמים למתח דחף. מכיוון שמתח דחף זה עלול לפגוע קשות בציוד חשמלי, חשוב לבדוק שהמכשירים שלנו יפעלו כנגד מתח דחף. זה המקום בו אנו משתמשים בגנרטור מתח דחף המייצר מתח גבוה או נחשולי זרם במערך בדיקות מבוקר. במאמר זה נלמד על ה-עבודה ויישום של מחולל מתח הדחף. אז בואו נתחיל.

כאמור קודם מחולל דחפים מייצר נחשולי משך קצרים אלה עם מתח גבוה מאוד או זרם גבוה מאוד. לפיכך, ישנם שני סוגים של גנרטורים דחף, מחולל מתח דחף ואת מחולל זרם דחף. עם זאת, במאמר זה נדון במחוללי מתח דחף.

צורת גל מתח דחף

כדי להבין טוב יותר את מתח הדחף בואו נסתכל על צורת גל המתח הדחף. בתמונה למטה מוצג שיא יחיד של צורת גל דחף במתח גבוה

כפי שאתה יכול לראות, הגל מגיע לשיאו המקסימלי במאה אחוז בתוך 2 uS. זה מהיר מאוד, אבל המתח הגבוה מאבד מכוחו בטווח של 40uS כמעט. לכן, לדופק זמן עלייה קצר מאוד או מהיר ואילו זמן נפילה איטי או ארוך מאוד. משך הדופק נקרא זנב הגל המוגדר על ידי ההפרש בין חותמת הזמן השלישי ts3 ו- ts0.

מחולל דחפים שלב יחיד

על מנת להבין את פעולתו של מחולל דחפים, בואו נתקע בתצוגת המעגל של מחולל דחפים חד-שלבי המוצג להלן

המעגל הנ"ל מורכב משני קבלים ושני התנגדויות. פער הניצוץ (G) הוא פער מבודד חשמלי בין שתי אלקטרודות בהן מתרחשים ניצוצות חשמליים. מקור מתח גבוה מופיע גם בתמונה לעיל. כל מעגל של מחולל דחפים זקוק לפחות לקבל גדול אחד אשר נטען לרמת מתח מתאימה ואז משוחרר על ידי עומס. במעגל הנ"ל, ה- CS הוא קבל הטעינה. זהו קבל מתח גבוה בדרך כלל יותר מדירוג 2kV (תלוי במתח המוצא הרצוי). הקבל CB הוא קיבול העומס שיפרוק את קבל הטעינה. הנגד ו- RD ו- RE שולטים בצורת הגל.

אם התמונה לעיל נצפתה בקפידה, אנו יכולים למצוא כי לפער G או לניצוץ אין חיבור חשמלי. ואז איך קיבול העומס מקבל את המתח הגבוה? הנה הטריק ועל ידי זה, המעגל הנ"ל משמש כמחולל דחפים. הקבל נטען עד שמספיק המתח הטעון של הקבל כדי לחצות את פער הניצוץ. דחף חשמלי שנוצר על פני פער הניצוץ ומתח גבוה מועבר ממסוף האלקטרודה השמאלי אל מסוף האלקטרודה הימני של פער הניצוצות ובכך הופך אותו למעגל מחובר.

ניתן לשלוט על זמן התגובה של המעגל על ​​ידי שינוי המרחק בין שתי אלקטרודות או שינוי הקבלים טעונים במלואם. חישוב מתח מוצא דחף יכול להיעשות על ידי חישוב צורת הגל של מתח פלט עם

v (t) = (ה ^{- α t} - e ^{- β T})

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

חסרונות מחולל דחפים שלב יחיד

החיסרון העיקרי במעגל מחולל דחפים חד-שלבי הוא הגודל הפיזי. בהתאם לדירוג המתח הגבוה, הרכיבים גדלים יותר. כמו כן, ייצור מתח דחף גבוה דורש מתח DC גבוה. לכן, עבור מעגל מחולל מתח דחף חד-שלבי, קשה למדי להשיג יעילות אופטימלית גם לאחר שימוש בספקי כוח DC גדולים.

הכדורים המשמשים לחיבור הפער נדרשים גם לגודל גבוה מאוד. הקורונה המשתחררת מדור מתח הדחף קשה מאוד לדיכוי ולעיצוב מחדש. חיי האלקטרודה מתקצרים ודורשים החלפה לאחר מספר מחזורים של חזרה.

מחולל מארקס

ארווין אוטו מרקס סיפק מעגל מחולל דחפים רב - שלבי בשנת 1924. מעגל זה משמש במיוחד להפקת מתח דחפים גבוה ממקור מתח נמוך. ניתן לראות את המעגל של מחולל דחפים מרובב או המכונה בדרך כלל מעגל מרקס בתמונה למטה.

המעגל הנ"ל משתמש בארבעה קבלים (יכולים להיות מספר קבלים) הנטענים על ידי מקור מתח גבוה במצב טעינה מקביל על ידי נגדי הטעינה R1 עד R8.

במצב הפריקה פער הניצוץ שהיה מעגל פתוח במצב הטעינה, משמש כמתג ומחבר נתיב סדרתי דרך בנק הקבלים ויוצר מתח דחף גבוה מאוד על פני העומס. מצב הפריקה מוצג בתמונה לעיל על ידי הקו הסגול. יש לחרוג מספיק מהמתח של הקבל הראשון בכדי לפרק את פער הניצוץ ולהפעיל את מעגל הגנרטור של מרקס.

כאשר זה קורה פער הניצוץ הראשון מחבר שני קבלים (C1 ו- C2). לכן המתח על פני הקבל הראשון מקבל כפול משני מתחים של C1 ו- C2. לאחר מכן, פער הניצוץ השלישי מתקלקל אוטומטית מכיוון שהמתח על פני פער הניצוץ השלישי גבוה מספיק והוא מתחיל להוסיף את מתח C3 הקבל השלישי לערימה וזה נמשך עד הקבל האחרון. לסיום, כאשר מגיעים לפער הניצוץ האחרון והאחרון, המתח גדול מספיק כדי לשבור את פער הניצוץ האחרון על פני העומס שיש בו פער גדול יותר בין הבתים.

מתח המוצא הסופי על פני הפער הסופי יהיה nVC (כאשר n הוא מספר הקבלים ו- VC הוא המתח הטעון של הקבל) אך זה נכון במעגלים אידיאליים. בתרחישים אמיתיים, מתח היציאה של מעגל מחולל הדחפים של מרקס יהיה נמוך בהרבה מהערך הרצוי בפועל.

עם זאת, לנקודת הניצוץ האחרונה הזו צריכים להיות פערים גדולים יותר מכיוון שללא זה הקבלים לא מגיעים למצב טעון לחלוטין. לפעמים, הפריקה נעשית בכוונה. ישנן מספר דרכים לפרוק את בנק הקבלים בגנרטור מרקס.

טכניקות פריקת קבלים ב- Marx Generator:

דופק אלקטרודה נוספת של הדק : דופק אלקטרודת טריגר נוספת היא דרך יעילה להפעיל בכוונה את גנרטור ה- Marx במצב טעינה מלא או במקרה מיוחד. אלקטרודת ההדק הנוספת נקראת טריגטרון. ישנם צורות וגדלים שונים של טריגטרון עם מפרט שונה.

יינון האוויר בפער : אוויר מיונן הוא דרך יעילה המועילה לניהול פער הניצוץ. היינון נעשה על ידי שימוש בלייזר פועם.

הפחתת לחץ האוויר בתוך הפער : הפחתת לחץ האוויר יעילה גם אם פער הניצוץ מתוכנן בתוך תא.

חסרונות מחולל מרקס

זמן טעינה ארוך: מחולל מארקס משתמש בנגדים להטענת הקבל. כך זמן הטעינה נעשה גבוה יותר. הקבל שקרוב יותר לאספקת החשמל נטען מהר יותר מהאחרים. הסיבה לכך היא המרחק המוגבר בגלל התנגדות מוגברת בין הקבל לספק החשמל. זהו חסרון גדול ביחידת הגנרטור של מרקס.

אובדן יעילות: בשל אותה סיבה כפי שתואר לעיל, כאשר הזרם זורם דרך הנגדים, היעילות של מעגל הגנרטור של מרקס נמוכה.

אורך החיים הקצר של פער הניצוצות: מעגל הפריקה החוזר ונשנה דרך פער הניצוץ מקצר את חיי האלקטרודות של פער ניצוצות שיש להחליפו מעת לעת.

זמן החזרה של טעינה ומחזור פריקה: בשל זמן הטעינה הגבוה, זמן החזרה של מחולל הדחפים איטי מאוד. זהו חסרון גדול נוסף במעגל הגנרטורים של מרקס.

יישום מעגל מחולל דחפים

היישום העיקרי של מעגל מחולל הדחפים הוא בדיקת התקני מתח גבוה. מעכבי ברקים, נתיכים, דיודות TVS, סוגים שונים של מגני נחשולים וכו 'נבדקים באמצעות מחולל המתח הדחף. לא רק בתחום הבדיקות, אלא גם מעגל מחולל הדחפים הוא מכשיר חיוני המשמש בניסויים בפיזיקה גרעינית וכן בתעשיית לייזרים, היתוך ומכשירי פלזמה.

הגנרטור של מרקס משמש לצורכי הדמיה של השפעות ברק על ציוד קו החשמל ובתעשיות תעופה. הוא משמש גם במכונות רנטגן ו- Z. שימושים אחרים, כמו בדיקת בידוד של מכשירים אלקטרוניים נבדקים גם באמצעות מעגלי מחולל דחפים.