مولد الجهد الدافع / مولد ماركس - مخطط الدائرة ومبدأ العمل والتطبيقات

في مجال الإلكترونيات ، تعتبر الاندفاعات أمرًا بالغ الأهمية وهي كابوس لكل مصمم دوائر. يشار إلى هذه الارتفاعات بشكل عام على أنها اندفاعة والتي يمكن تعريفها على أنها جهد عالٍ ، عادةً في عدد قليل من kV والذي يوجد لفترة زمنية قصيرة. يمكن ملاحظة خصائص الجهد النبضي مع وقت سقوط مرتفع أو منخفض متبوعًا بوقت ارتفاع مرتفع جدًا للجهد ، البرق مثال للأسباب الطبيعية التي تسبب جهد الدفع. نظرًا لأن جهد النبضة هذا يمكن أن يلحق أضرارًا بالغة بالمعدات الكهربائية ، فمن المهم اختبار أجهزتنا للعمل ضد الجهد النبضي. هذا هو المكان الذي نستخدم فيه مولد Impulse Voltage الذي يولد جهدًا عاليًا أو زيادات تيار في إعداد اختبار متحكم فيه. في هذه المقالة ، سوف نتعرف علىعمل وتطبيق مولد الجهد الدافع. اذا هيا بنا نبدأ.

كما قيل سابقًا ، ينتج مولد النبضات هذه الزيادات القصيرة الأمد بجهد عالي جدًا أو تيار مرتفع جدًا. وبالتالي، هناك نوعان من المولدات دفعة، مولد الجهد دفعة و المولدات الحالية دفعة. ومع ذلك ، في هذه المقالة سنناقش مولدات الجهد الدافع.

شكل موجة الجهد الدافع

لفهم جهد النبضة بشكل أفضل ، دعونا نلقي نظرة على شكل موجة الجهد الدافع. في الصورة أدناه ، يتم عرض ذروة واحدة لشكل موجة النبضة عالية الجهد

كما ترى ، تصل الموجة إلى ذروتها القصوى بنسبة 100 في المائة خلال 2 يو إس. هذا سريع جدًا ، لكن الجهد العالي يفقد قوته مع مدى 40uS تقريبًا. لذلك ، فإن النبض له وقت قصير جدًا أو سريع في حين أن وقت السقوط البطيء جدًا أو الطويل. تسمى مدة النبضة ذيل الموجة والتي يتم تحديدها من خلال الفرق بين الطابع الزمني الثالث ts3 و ts0.

مولد النبضات أحادي المرحلة

من أجل فهم عمل مولد النبضات ، دعنا نلقي نظرة على مخطط الدائرة لمولد النبض أحادي المرحلة الموضح أدناه

تتكون الدائرة المذكورة أعلاه من مكثفين ومقاومين. فجوة الشرارة (G) عبارة عن فجوة معزولة كهربائيًا بين قطبين كهربائيين حيث تحدث شرارات كهربائية. يظهر أيضًا مصدر طاقة عالي الجهد في الصورة أعلاه. تحتاج أي دائرة مولد نبضي إلى مكثف كبير واحد على الأقل يتم شحنه إلى مستوى جهد مناسب ثم يتم تفريغه بحمل. في الدائرة أعلاه ، CS هو مكثف الشحن. هذا مكثف عالي الجهد عادة أكثر من تصنيف 2 كيلو فولت (يعتمد على جهد الخرج المطلوب). المكثف CB هو سعة الحمولة التي ستفرغ مكثف الشحن. يتحكم المقاوم و RD و RE في شكل الموجة.

إذا تمت ملاحظة الصورة أعلاه بعناية ، فيمكننا أن نجد أن فجوة G أو شرارة ليس لها اتصال كهربائي. إذن كيف تحصل سعة الحمولة على الجهد العالي؟ هذه هي الحيلة ومن خلال هذه الدائرة ، تعمل الدائرة المذكورة أعلاه كمولد للاندفاع. يتم شحن المكثف حتى يصبح الجهد المشحون للمكثف كافياً لعبور فجوة الشرارة. يتم نقل نبضة كهربائية متولدة عبر فجوة الشرارة والجهد العالي من طرف القطب الأيسر إلى طرف القطب الأيمن لفجوة الشرارة وبالتالي جعلها دائرة متصلة.

يمكن التحكم في زمن استجابة الدائرة عن طريق تغيير المسافة بين قطبين أو تغيير الجهد المشحون بالكامل للمكثفات. في حساب الناتج دفعة الجهد يمكن أن يتم عن طريق حساب الموجي الناتج الجهد مع

ت (ر) = (ه ^{- α ر} - ه ^{- β ر})

أين،

α = 1 / R _d C _b β = 1 / R _e C _z

عيوب المولد النبضي أحادي المرحلة

العيب الرئيسي لدائرة مولد النبضات أحادي المرحلة هو الحجم المادي. اعتمادًا على تصنيف الجهد العالي ، تصبح المكونات أكبر في الحجم. أيضًا ، يتطلب توليد الجهد العالي الدافع جهدًا عاليًا للتيار المستمر. لذلك ، بالنسبة لدائرة مولد الجهد النبضي ذات المرحلة الواحدة ، من الصعب جدًا الحصول على الكفاءة المثلى حتى بعد استخدام مصادر طاقة كبيرة للتيار المستمر.

تتطلب الكرات المستخدمة في توصيل الفجوة أيضًا حجمًا كبيرًا جدًا. من الصعب للغاية قمع وإعادة تشكيل الهالة التي يتم تفريغها من خلال توليد الجهد الدافع. يتم تقصير عمر القطب الكهربائي ويتطلب استبداله بعد بضع دورات من التكرار.

مولد ماركس

قدم إروين أوتو ماركس دائرة مولد نبضات متعددة المراحل في عام 1924. تُستخدم هذه الدائرة خصيصًا لتوليد جهد دفع عالي من مصدر طاقة منخفض الجهد. يمكن رؤية دائرة مولد النبضات المتعددة أو المعروفة باسم دائرة ماركس في الصورة أدناه.

تستخدم الدائرة المذكورة أعلاه 4 مكثفات (يمكن أن يكون هناك عدد n من المكثفات) يتم شحنها بواسطة مصدر جهد عالٍ في حالة شحن موازية بواسطة مقاومات الشحن R1 إلى R8.

أثناء حالة التفريغ ، تعمل فجوة الشرارة التي كانت دائرة مفتوحة أثناء حالة الشحن كمفتاح وتربط مسارًا متسلسلًا عبر بنك المكثف وتولد جهد دفع عالي جدًا عبر الحمل. تظهر حالة التفريغ في الصورة أعلاه بخط أرجواني. يجب تجاوز جهد المكثف الأول بشكل كافٍ لكسر فجوة الشرارة وتنشيط دائرة مولد ماركس.

عند حدوث ذلك ، توصل أول فجوة شرارة بين مكثفين (C1 و C2). لذلك فإن الجهد عبر المكثف الأول يتضاعف بمقدار جهدين C1 و C2. بعد ذلك ، تنهار فجوة الشرارة الثالثة تلقائيًا لأن الجهد عبر فجوة الشرارة الثالثة مرتفع بدرجة كافية ويبدأ في إضافة جهد مكثف ثالث C3 إلى المكدس ويمتد هذا إلى آخر مكثف. أخيرًا ، عند الوصول إلى فجوة الشرارة الأخيرة والأخيرة ، يكون الجهد كبيرًا بما يكفي لكسر فجوة الشرارة الأخيرة عبر الحمل الذي يحتوي على فجوة أكبر بين شمعات الإشعال.

سيكون جهد الخرج النهائي عبر الفجوة النهائية هو nVC (حيث n هو عدد المكثفات و VC هو الجهد المشحون بالمكثف) ولكن هذا صحيح في الدوائر المثالية. في السيناريوهات الحقيقية ، سيكون جهد الخرج لدائرة مولد Marx Impulse أقل بكثير من القيمة الفعلية المطلوبة.

ومع ذلك ، يجب أن يكون لنقطة الشرارة الأخيرة فجوات أكبر لأنه بدون ذلك ، لا تدخل المكثفات في حالة الشحن الكامل. في بعض الأحيان ، يتم التفريغ عن قصد. هناك عدة طرق لتفريغ بنك المكثف في مولد ماركس.

تقنيات تفريغ المكثفات في ماركس مولدات:

نبض قطب الزناد الإضافي : يعد نبض قطب زناد إضافي طريقة فعالة لتحريك مولد ماركس عمدًا أثناء حالة الشحن الكامل أو في حالة خاصة. يسمى قطب الزناد الإضافي باسم Trigatron. هناك أشكال وأحجام مختلفة Trigatron متوفرة بمواصفات مختلفة.

تأين الهواء في الفجوة : الهواء المؤين هو مسار فعال مفيد لإجراء فجوة الشرارة. يتم التأين باستخدام الليزر النبضي.

تقليل ضغط الهواء داخل الفجوة : يكون تقليل ضغط الهواء فعالًا أيضًا إذا تم تصميم فجوة الشرارة داخل غرفة.

عيوب مولد ماركس

وقت الشحن الطويل: يستخدم مولد ماركس مقاومات لشحن المكثف. وبالتالي يصبح وقت الشحن أعلى. يتم شحن المكثف الأقرب إلى مصدر الطاقة بشكل أسرع من المكثف الآخر. هذا بسبب المسافة المتزايدة بسبب المقاومة المتزايدة بين المكثف ومصدر الطاقة. هذا عيب رئيسي لوحدة مولدات ماركس.

فقدان الكفاءة: بسبب نفس السبب الموصوف سابقًا ، حيث يتدفق التيار عبر المقاومات ، فإن كفاءة دائرة مولد ماركس منخفضة.

العمر الافتراضي القصير لفجوة الشرارة: دورة التفريغ المتكررة من خلال فجوة الشرارة تقصر من عمر أقطاب فجوة الشرارة التي يجب استبدالها من وقت لآخر.

وقت التكرار لدورة الشحن والتفريغ: نظرًا لارتفاع وقت الشحن ، يكون وقت التكرار لمولد النبضات بطيئًا جدًا. هذا عيب رئيسي آخر لدائرة مولدات ماركس.

تطبيق دائرة المولد النبضي

التطبيق الرئيسي لدائرة مولد النبضات هو اختبار الأجهزة ذات الجهد العالي. يتم اختبار مانعات الصواعق ، والصمامات ، وصمامات التليفزيون ، وأنواع مختلفة من واقيات زيادة التيار ، وما إلى ذلك باستخدام مولد الجهد النبضي. ليس فقط في مجال الاختبار ، ولكن دائرة مولد النبض هي أيضًا أداة أساسية تُستخدم في تجارب الفيزياء النووية وكذلك في صناعات أجهزة الليزر والاندماج والبلازما.

يستخدم مولد ماركس لأغراض محاكاة تأثيرات البرق على معدات خطوط الطاقة وفي صناعات الطيران. كما أنها تستخدم في أجهزة X-Ray و Z. يتم أيضًا اختبار الاستخدامات الأخرى ، مثل اختبار العزل للأجهزة الإلكترونية باستخدام دوائر مولد النبضات.