Générateur de tension d'impulsion / générateur marx - schéma de circuit, principe de fonctionnement et applications

En électronique, les surtensions sont une chose très critique et c'est un cauchemar pour chaque concepteur de circuits. Ces surtensions sont communément appelées impulsion qui peut être définie comme une haute tension, typiquement en quelques kV qui existe pendant une courte durée. Les caractéristiques d'une tension d'impulsion peuvent être remarquées avec un temps de chute élevé ou faible suivi d'un temps de montée de tension très élevé, la foudre est un exemple de causes naturelles qui provoquent une tension d'impulsion. Étant donné que cette tension d'impulsion peut gravement endommager l'équipement électrique, il est important de tester nos appareils pour qu'ils fonctionnent contre la tension d'impulsion. C'est là que nous utilisons un générateur de tension d'impulsion qui génère des surtensions ou des surtensions dans une configuration de test contrôlée. Dans cet article, nous découvrirons lesfonctionnement et application du générateur de tension à impulsion. Alors, commençons.

Comme indiqué précédemment, un générateur d'impulsions produit ces surtensions de courte durée avec une tension très élevée ou un courant très élevé. Ainsi, il existe deux types de générateurs d'impulsions, générateur de tension d' impulsion et générateur de courant d'impulsion. Cependant, dans cet article, nous aborderons les générateurs de tension d'impulsion.

Forme d'onde de tension d'impulsion

Pour mieux comprendre la tension d'impulsion, examinons la forme d'onde de la tension d'impulsion. Dans l'image ci-dessous, un seul pic de forme d'onde d'impulsion haute tension est affiché

Comme vous pouvez le voir, la vague atteint son maximum de 100% en moins de 2 uS. C'est très rapide, mais la haute tension perd de sa force avec une portée de 40uS presque. Par conséquent, l'impulsion a un temps de montée très court ou rapide alors qu'un temps de descente très lent ou long. La durée de l'impulsion est appelée la queue d'onde qui est définie par la différence entre le troisième horodatage ts3 et ts0.

Générateur d'impulsions à un étage

Afin de comprendre le fonctionnement d'un générateur d'impulsions, examinons le schéma de circuit d'un générateur d'impulsions à un étage présenté ci-dessous

Le circuit ci-dessus se compose de deux condensateurs et de deux résistances. L'écart d'étincelle (G) est un espace électriquement isolé entre deux électrodes où des étincelles électriques se produisent. Une source d'alimentation haute tension est également représentée sur l'image ci-dessus. Tout circuit générateur d'impulsions a besoin d'au moins un gros condensateur qui est chargé à un niveau de tension approprié, puis déchargé par une charge. Dans le circuit ci-dessus, le CS est le condensateur de charge. Il s'agit d'un condensateur haute tension généralement supérieur à 2 kV (dépend de la tension de sortie souhaitée). Le condensateur CB est la capacité de charge qui déchargera le condensateur de charge. La résistance et RD et RE contrôlent la forme d'onde.

Si l'image ci-dessus est observée attentivement, nous pouvons constater que le G ou l'éclateur n'a pas de connexion électrique. Alors, comment la capacité de charge obtient-elle la haute tension? Voici l'astuce et par celui-ci, le circuit ci-dessus agit comme un générateur d'impulsions. Le condensateur est chargé jusqu'à ce que la tension chargée du condensateur soit suffisante pour traverser l'éclateur. Une impulsion électrique générée à travers l'éclateur et la haute tension est transférée de la borne d'électrode gauche à la borne d'électrode droite de l'éclateur et en fait ainsi un circuit connecté.

Le temps de réponse du circuit peut être contrôlé en faisant varier la distance entre deux électrodes ou en modifiant la tension des condensateurs complètement chargée. Le calcul de la tension d'impulsion de sortie peut être effectué en calculant la forme d'onde de tension de sortie avec

v (t) = (e ^{- α t} - e ^{- β t})

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

Inconvénients du générateur d'impulsions à un étage

L'inconvénient majeur d'un circuit générateur d'impulsions à un étage est la taille physique. En fonction de la tension nominale élevée, les composants deviennent plus gros. De plus, la génération de tension d'impulsion élevée nécessite une tension continue élevée. Par conséquent, pour un circuit générateur de tension d'impulsion à un étage, il devient assez difficile d'obtenir une efficacité optimale même après l'utilisation de grandes alimentations CC.

Les sphères qui sont utilisées pour la connexion d'espacement nécessitaient également une taille très élevée. La couronne qui est déchargée par la génération de tension d'impulsion est très difficile à supprimer et à remodeler. La durée de vie de l'électrode se raccourcit et doit être remplacée après quelques cycles de répétition.

Générateur Marx

Erwin Otto Marx a fourni un circuit générateur d'impulsions à plusieurs étages en 1924. Ce circuit est spécifiquement utilisé pour générer une tension d'impulsion élevée à partir d'une source d'alimentation basse tension. Le circuit du générateur d'impulsions multiplexé ou communément appelé circuit Marx peut être vu dans l'image ci-dessous.

Le circuit ci-dessus utilise 4 condensateurs (il peut y avoir n nombre de condensateurs) qui sont chargés par une source haute tension en condition de charge parallèle par les résistances de charge R1 à R8.

Pendant la condition de décharge, l'éclateur qui était un circuit ouvert pendant l'état de charge, agit comme un interrupteur et connecte un chemin en série à travers la batterie de condensateurs et génère une tension d'impulsion très élevée à travers la charge. La condition de décharge est indiquée dans l'image ci-dessus par la ligne violette. La tension du premier condensateur doit être suffisamment dépassée pour briser l'éclateur et activer le circuit du générateur Marx.

Lorsque cela se produit, le premier éclateur relie deux condensateurs (C1 et C2). Par conséquent, la tension aux bornes du premier condensateur double de deux tensions de C1 et C2. Par la suite, le troisième éclateur se décompose automatiquement parce que la tension aux bornes du troisième éclateur est suffisamment élevée et il commence à ajouter la tension du troisième condensateur C3 dans la pile et cela continue jusqu'au dernier condensateur. Enfin, lorsque le dernier et dernier éclateur est atteint, la tension est suffisamment grande pour briser le dernier éclateur à travers la charge qui a un plus grand écart entre les bougies.

La tension de sortie finale à travers l'intervalle final sera nVC (où n est le nombre de condensateurs et VC est la tension chargée du condensateur), mais cela est vrai dans les circuits idéaux. Dans des scénarios réels, la tension de sortie du circuit du générateur Marx Impulse sera bien inférieure à la valeur réelle souhaitée.

Cependant, ce dernier point d'étincelle doit avoir des espaces plus grands car, sans cela, les condensateurs ne se mettent pas à pleine charge. Parfois, la décharge est faite intentionnellement. Il existe plusieurs façons de décharger la batterie de condensateurs dans le générateur Marx.

Techniques de décharge de condensateur dans Marx Generator:

Pulsation d'une électrode de déclenchement supplémentaire : L' impulsion d'une électrode de déclenchement supplémentaire est un moyen efficace de déclencher intentionnellement le générateur Marx pendant une condition de charge complète ou dans un cas particulier. L'électrode de déclenchement supplémentaire est appelée Trigatron. Il existe différentes formes et tailles de Trigatron disponibles avec des spécifications différentes.

Ionisation de l'air dans l'espace : L'air ionisé est un chemin efficace qui est bénéfique pour conduire l'éclateur. L'ionisation se fait à l'aide d'un laser pulsé.

Réduction de la pression d'air à l'intérieur de l'espace : La réduction de la pression d'air est également efficace si l'éclateur est conçu à l'intérieur d'une chambre.

Inconvénients du générateur Marx

Temps de charge long: le générateur Marx utilise des résistances pour charger le condensateur. Ainsi, le temps de charge augmente. Le condensateur le plus proche de l'alimentation se recharge plus rapidement que les autres. Cela est dû à l'augmentation de la distance en raison de l'augmentation de la résistance entre le condensateur et l'alimentation. Ceci est un inconvénient majeur du groupe électrogène Marx.

Perte d'efficacité: pour la même raison que celle décrite précédemment, lorsque le courant circule à travers les résistances, l'efficacité du circuit générateur Marx est faible.

La courte durée de vie de l'éclateur: Le cycle répétitif de décharge à travers l'éclateur raccourcit la durée de vie des électrodes d'un éclateur qui doit être remplacé de temps en temps.

Le temps de répétition du cycle de charge et de décharge: En raison du temps de charge élevé, le temps de répétition du générateur d'impulsions est très lent. C'est un autre inconvénient majeur du circuit générateur Marx.

Application du circuit du générateur d'impulsions

La principale application du circuit générateur d'impulsions est de tester les appareils haute tension. Les parafoudres, fusibles, diodes TVS, différents types de parafoudres, etc. sont testés à l'aide du générateur de tension à impulsion. Non seulement dans le domaine des tests, mais le circuit générateur d'impulsions est également un instrument essentiel qui est utilisé dans les expériences de physique nucléaire ainsi que dans les industries des lasers, de la fusion et des appareils à plasma.

Le générateur Marx est utilisé à des fins de simulation des effets de la foudre sur les équipements de lignes électriques et dans les industries aéronautiques. Il est également utilisé dans les machines à rayons X et Z. D'autres utilisations, telles que les tests d'isolement des appareils électroniques, sont également testées à l'aide de circuits générateurs d'impulsions.