Gerador de tensão de impulso / gerador marx - diagrama de circuito, princípio de funcionamento e aplicações

Na eletrônica, os surtos são uma coisa muito crítica e é um pesadelo para todo projetista de circuito. Esses surtos são comumente referidos como impulso, que pode ser definido como alta tensão, normalmente em alguns kV que existe por um curto período de tempo. As características de uma tensão de impulso podem ser notadas com um tempo de queda alto ou baixo seguido de um tempo de subida muito alto da tensão. O raio é um exemplo de causas naturais que causam a tensão de impulso. Uma vez que esta tensão de impulso pode danificar gravemente o equipamento elétrico, é importante testar nossos dispositivos para funcionar contra a tensão de impulso. É aqui que usamos um gerador de impulso de tensão que gera alta tensão ou surtos de corrente em uma configuração de teste controlada. Neste artigo, aprenderemos sobre ofuncionamento e aplicação do Gerador de Impulso de Tensão. Então vamos começar.

Como dito anteriormente, um gerador de impulso produz esses surtos de curta duração com uma tensão muito alta ou uma corrente muito alta. Assim, existem dois tipos de geradores de impulso, gerador de tensão de impulso e gerador de corrente de impulso. No entanto, neste artigo, discutiremos geradores de tensão de impulso.

Forma de onda de tensão de impulso

Para entender melhor a tensão de impulso, vamos dar uma olhada na forma de onda da tensão de impulso. Na imagem abaixo, um único pico da forma de onda do impulso de alta tensão é mostrado

Como você pode ver, a onda está atingindo seu pico máximo de 100% em 2 uS. Isso é muito rápido, mas a alta tensão está perdendo sua força com um intervalo de quase 40uS. Portanto, o pulso tem um tempo de subida muito curto ou rápido, enquanto um tempo de queda muito lento ou longo. A duração do pulso é chamada de cauda de onda, que é definida pela diferença entre o carimbo de 3ª hora ts3 e ts0.

Gerador de Impulso de Estágio Único

A fim de entender o funcionamento de um gerador de impulso, vamos dar uma olhada no diagrama do circuito de um gerador de impulso de estágio único que é mostrado abaixo

O circuito acima consiste em dois capacitores e duas resistências. A centelha Gap (G) é uma lacuna eletricamente isolada entre dois eletrodos onde acontecem faíscas elétricas. Uma fonte de alimentação de alta tensão também é mostrada na imagem acima. Qualquer circuito gerador de impulso precisa de pelo menos um grande capacitor que é carregado com um nível de tensão apropriado e então descarregado por uma carga. No circuito acima, o CS é o capacitor de carga. Este é um capacitor de alta tensão normalmente com mais de 2kV (depende da tensão de saída desejada). O capacitor CB é a capacitância de carga que irá descarregar o capacitor de carga. O resistor e RD e RE controlam a forma de onda.

Se observarmos a imagem acima com atenção, podemos descobrir que o G ou centelha não possui conexão elétrica. Então, como a capacitância de carga obtém a alta tensão? Aqui está o truque e por este, o circuito acima atua como um gerador de impulso. O capacitor é carregado até que a tensão carregada do capacitor seja suficiente para cruzar o centelhador. Um impulso elétrico gerado através do centelhador e de alta tensão é transferido do terminal do eletrodo esquerdo para o terminal direito do centelhador, tornando-o assim um circuito conectado.

O tempo de resposta do circuito pode ser controlado variando a distância entre dois eletrodos ou alterando a tensão totalmente carregada dos capacitores. O cálculo da tensão de impulso de saída pode ser feito calculando a forma de onda da tensão de saída com

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Desvantagens do gerador de impulso de estágio único

A principal desvantagem de um circuito gerador de impulso de estágio único é o tamanho físico. Dependendo da classificação de alta tensão, os componentes ficam maiores em tamanho. Além disso, a geração de alta tensão de impulso requer uma alta tensão CC. Portanto, para um circuito gerador de tensão de impulso de estágio único, torna-se bastante difícil obter a eficiência ideal mesmo após o uso de grandes fontes de alimentação CC.

As esferas que são usadas para a conexão da lacuna também requerem um tamanho muito alto. A corona que é descarregada pela geração de tensão de impulso é muito difícil de suprimir e remodelar. A vida útil do eletrodo diminui e requer substituição após alguns ciclos de repetição.

Gerador marx

Erwin Otto Marx forneceu um circuito gerador de impulso de múltiplos estágios em 1924. Este circuito é usado especificamente para gerar alta tensão de impulso a partir de uma fonte de energia de baixa tensão. O circuito do gerador de impulso multiplexado ou comumente chamado de circuito de Marx pode ser visto na imagem abaixo.

O circuito acima usa 4 capacitores (pode haver n número de capacitores) que são carregados por uma fonte de alta tensão em condição de carregamento paralelo pelos resistores de carga R1 a R8.

Durante a condição de descarga, o centelhador, que era um circuito aberto durante o estado de carga, atua como uma chave e conecta um caminho em série através do banco de capacitores e gera uma tensão de impulso muito alta na carga. A condição de descarga é mostrada na imagem acima pela linha roxa. A tensão do primeiro capacitor precisa ser excedida o suficiente para quebrar a centelha e ativar o circuito gerador de Marx.

Quando isso ocorre, o primeiro centelhador conecta dois capacitores (C1 e C2). Portanto, a tensão através do primeiro capacitor duplica em duas tensões de C1 e C2. Posteriormente, o terceiro centelhador é interrompido automaticamente porque a tensão através do terceiro centelhador é alta o suficiente e ele começa a adicionar a tensão do terceiro capacitor C3 na pilha e isso vai até o último capacitor. Finalmente, quando o último e último centelhador é atingido, a tensão é grande o suficiente para quebrar o último centelhador através da carga, que tem um maior espaço entre as velas.

A tensão de saída final através do gap final será nVC (onde n é o número de capacitores e VC é a tensão carregada do capacitor), mas isso é verdade em circuitos ideais. Em cenários reais, a tensão de saída do circuito gerador de impulso de Marx será muito menor do que o valor real desejado.

No entanto, este último ponto de ignição precisa ter folgas maiores, porque, sem isso, os capacitores não ficam totalmente carregados. Às vezes, a alta é feita de forma intencional. Existem várias maneiras de descarregar o banco de capacitores no gerador de Marx.

Técnicas de descarga de capacitores no Gerador Marx:

Pulsar o eletrodo de disparo adicional : Pulsar um eletrodo de disparo adicional é uma maneira eficaz de disparar intencionalmente o gerador de Marx durante a condição de carga total ou em um caso especial. O eletrodo de disparo adicional é chamado de Trigatron. Existem diferentes formas e tamanhos de Trigatron disponíveis com especificações diferentes.

Ionizando o ar na lacuna : o ar ionizado é um caminho eficaz que é benéfico para conduzir a centelha. A ionização é feita por meio de laser pulsado.

Redução da pressão do ar dentro da folga : A redução da pressão do ar também é eficaz se a folga da centelha for projetada dentro de uma câmara.

Desvantagens do Gerador de Marx

Tempo de carga longo: o gerador de Marx usa resistores para carregar o capacitor. Assim, o tempo de carga aumenta. O capacitor que está mais próximo da fonte de alimentação é carregado mais rápido do que os outros. Isso se deve ao aumento da distância devido ao aumento da resistência entre o capacitor e a fonte de alimentação. Esta é uma grande desvantagem da unidade geradora de Marx.

Perda de eficiência: Pelo mesmo motivo descrito anteriormente, como a corrente flui pelos resistores, a eficiência do circuito gerador de Marx é baixa.

A curta vida útil do centelhador: O ciclo repetitivo de descarga através do centelhador encurta a vida útil dos eletrodos de um centelhador que precisa ser substituído de tempos em tempos.

O tempo de repetição do ciclo de carga e descarga: Devido ao alto tempo de carga, o tempo de repetição do gerador de impulso é muito lento. Esta é outra grande desvantagem do circuito gerador de Marx.

Aplicação do Circuito Gerador de Impulso

A principal aplicação do circuito gerador de impulso é testar dispositivos de alta tensão. Pára-raios, fusíveis, díodos TVS, diferentes tipos de protetores contra sobretensão, etc. são testados com o gerador de tensão de impulso. Não apenas no campo de testes, mas o circuito gerador de impulso também é um instrumento essencial que é usado em experimentos de física nuclear, bem como em lasers, fusão e indústrias de dispositivos de plasma.

O gerador Marx é usado para fins de simulação de efeitos de raios em equipamentos de linha de força e nas indústrias de aviação. Ele também é usado em máquinas de Raio X e Z. Outros usos, como teste de isolamento de dispositivos eletrônicos, também são testados usando circuitos geradores de impulso.