آموزش الکترونیکآموزش ها

ژنراتور ولتاژ ضربه / مولد مارکس – مدار، اصول و کاربرد ها

در الکترونیک ، افزایش سرعت امواج بسیار مهم است و برای هر طراح مدار کابوس است. این موج ها معمولاً به عنوان ضربه ای شناخته می شوند که می تواند به عنوان ولتاژ بالا تعریف شود ، معمولاً در چند کیلوولت ولتاژ که برای مدت زمان کوتاهی وجود دارد. ویژگی های یک ولتاژ ضربه را می توان با یک زمان سقوط زیاد یا پایین و به دنبال آن یک زمان افزایش ولتاژ بسیار بالا مشاهده کرد ، رعد و برق نمونه ای از دلایل طبیعی است که باعث ایجاد ولتاژ ضربه می شود.

از آنجا که این ولتاژ ضربه می تواند به شدت به تجهیزات الکتریکی آسیب برساند ، مهم است که دستگاه های ما را آزمایش کنند تا در برابر ولتاژ ضربه کار کنند. این جایی است که ما از یک ژنراتور  ولتاژ ضربه استفاده می کنیم که در تنظیمات آزمایش کنترل شده ولتاژ بالا یا جریان ایجاد می کند. در این مقاله ، ما با نحوه کار و استفاده از مولد ولتاژ ضربه آشنا خواهیم شد. بنابراین ، بیایید شروع کنیم.

همانطور که قبلاً گفته شد ، یک ژنراتور ضربه ای این ولتاژهای کوتاه مدت را با ولتاژ یا جریان بسیار زیاد تولید می کند. بنابراین ، دو نوع ژنراتور ضربه وجود دارد ، ژنراتور ولتاژ ضربه و ژنراتور جریان ضربه. با این حال ، در این مقاله ، ما در مورد ژنراتورهای ولتاژ ضربه ای بحث خواهیم کرد.

شکل موج ولتاژ ضربه

برای درک بهتر ولتاژ ضربه ، نگاهی به شکل موج ولتاژ ضربه می اندازیم. در تصویر زیر ، یک اوج منفرد از شکل موج ضربه فشار بالا نشان داده شده است.

شکل موج ولتاژ ضربه

همانطور که می بینید ، این موج در عرض 2 uS به حداکثر 100 درصد اوج خود می رسد. این بسیار سریع است ، اما ولتاژ بالا تقریباً با دامنه 40uS قدرت خود را از دست می دهد. بنابراین ، نبض زمان بالا آمدن بسیار کوتاه یا سریع دارد در حالی که زمان سقوط بسیار کند یا طولانی است. به مدت زمان پالس دم موج گفته می شود که با تفاوت بین 3 بار ts3 و ts0 تعریف می شود.

ژنراتور ضربه تک مرحله ای

برای درک عملکرد یک ژنراتور ضربه ، نگاهی به شماتیک مدار یک ژنراتور تک مرحله ای می اندازیم که در زیر نشان داده شده است.

ژنراتور ضربه تک مرحله ای

مدار فوق از دو خازن و دو مقاومت تشکیل شده است. شکاف جرقه (G) شکافی جدا شده از نظر الکتریکی بین دو الکترود است که جرقه های الکتریکی اتفاق می افتد. یک منبع تغذیه ولتاژ بالا نیز در تصویر بالا نشان داده شده است. هر مدار تولید کننده پالس حداقل به یک خازن بزرگ نیاز دارد که تا سطح ولتاژ مناسب شارژ شده و سپس توسط یک بار تخلیه می شود. در مدار بالا ، CS خازن شارژ است. این یک خازن ولتاژ بالا است که معمولاً بیش از درجه بندی 2kV است (بستگی به ولتاژ خروجی مورد نظر دارد). خازن CB خازنی است که خازن شارژ را تخلیه می کند. مقاومت و RD و RE شکل موج را کنترل می کنند.

اگر تصویر فوق با دقت مشاهده شود ، می توان فهمید که شکاف G یا جرقه ارتباط الکتریکی ندارد. پس چگونه خازن بار ولتاژ بالا را بدست می آورد؟ در اینجا این ترفند وجود دارد و توسط این مدار مدار فوق به عنوان یک مولد ضربه عمل می کند. خازن شارژ می شود تا زمانی که ولتاژ شارژ خازن برای عبور از شکاف جرقه کافی باشد. یک ضربه الکتریکی تولید شده از طریق شکاف جرقه و ولتاژ بالا از ترمینال الکترود سمت چپ به ترمینال الکترود سمت راست شکاف جرقه منتقل می شود و بنابراین آن را به یک مدار متصل تبدیل می کند.

اگر میخواهید آردوینو را به صورت اصولی و پروژه محور (برنامه نویسی حرفه ای، ارتباط آردوینو با اندروید، ساخت ربات با آردوینو) یاد بگیرید، روی دوره آموزش آردوینو کلیک کنید.

زمان پاسخ مدار را می توان با تغییر فاصله بین دو الکترود یا تغییر ولتاژ کاملاً شارژ شده خازن ها کنترل کرد. محاسبه ولتاژ ضربه خروجی را می توان با محاسبه شکل موج ولتاژ خروجی با انجام داد.

v(t) = [V0 / CbRd(α – β)] (e – αt – e – βt)

در جایی که

α = 1 / RdCb      
β = 1 / ReCz

معایب مولد ضربه تک مرحله ای

مهمترین عیب مدار مولد تک مرحله ای اندازه فیزیکی است. بسته به درجه ولتاژ بالا ، اندازه اجزا بزرگتر می شوند. همچنین ، تولید ولتاژ ضربه بالا به ولتاژ DC بالایی نیاز دارد. بنابراین ، برای یک مدار تولید کننده ولتاژ ضربه تک مرحله ای ، به دست آوردن بازده مطلوب حتی پس از استفاده از منبع تغذیه بزرگ DC بسیار دشوار است.

کره هایی که برای اتصال شکاف استفاده می شوند نیز به ابعاد بسیار بالایی نیاز دارند. تاجی که با تولید ولتاژ ضربه تخلیه می شود ، سرکوب و تغییر شکل آن بسیار دشوار است. عمر الکترود کوتاه می شود و پس از چند دوره تکرار نیاز به تعویض دارد.

ژنراتور مارکس

اروین اتو مارکس در سال 1924 یک مدار ژنراتور ضربه ای چند مرحله ای فراهم کرد. این مدار به طور خاص برای تولید ولتاژ ضربه بالا از یک منبع برق ولتاژ پایین استفاده می شود. مدار ژنراتور تکانه چندگانه یا معمولاً به عنوان مدار مارکس در تصویر زیر مشاهده می شود.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

ژنراتور مارکس

مدار فوق از 4 خازن (تعداد n خازن می تواند وجود داشته باشد) استفاده می کند که توسط منبع ولتاژ بالا در حالت شارژ موازی توسط مقاومت های شارژ R1 تا R8 شارژ می شوند.

ژنراتور مارکس چیست و چگونه کار میکند

در هنگام تخلیه ، شکاف جرقه که در حالت شارژ یک مدار باز بود ، به عنوان یک سوئیچ عمل می کند و یک مسیر سری را از طریق بانک خازن متصل می کند و ولتاژ ضربه ای زیادی را در برابر بار تولید می کند. وضعیت تخلیه در تصویر بالا با خط بنفش نشان داده شده است. برای از بین بردن شکاف جرقه و فعال سازی مدار ژنراتور مارکس ، باید از ولتاژ خازن اول به اندازه کافی عبور کرد.

وقتی این اتفاق افتاد اولین شکاف جرقه ای دو خازن (C1 و C2) را به هم متصل می کند. بنابراین ولتاژ خازن اول با دو ولتاژ C1 و C2 دو برابر می شود. پس از آن ، شکاف جرقه سوم به طور خودکار از بین می رود زیرا ولتاژ در شکاف جرقه سوم به اندازه کافی بالا است و شروع به اضافه کردن ولتاژ C3 خازن سوم به پشته می کند و این تا آخرین خازن ادامه می یابد. سرانجام ، هنگامی که آخرین و آخرین شکاف جرقه حاصل شد ، ولتاژ به اندازه کافی بزرگ است تا آخرین شکاف جرقه را در بار که شکاف بیشتری بین شمع ها دارد ، بشکند.

ولتاژ خروجی نهایی از شکاف نهایی nVC خواهد بود (که n تعداد خازن ها و VC ولتاژ شارژ خازن است) اما این در مدار های ایده آل صادق است. در حالات واقعی ، ولتاژ خروجی مدار ژنراتور مارکس ضربه بسیار کمتر از مقدار واقعی مورد نظر خواهد بود.

با این حال ، این آخرین نقطه جرقه باید شکاف های بزرگتری داشته باشد ، زیرا بدون این ، خازن ها کاملاً شارژ نمی شوند. گاهی اوقات ، تخلیه به طور عمدی انجام می شود. روش های مختلفی برای تخلیه بانک خازن در ژنراتور مارکس وجود دارد.

تکنیک های تخلیه خازن در  ژنراتور مارکس :

  •  راه انداختن پالس الکترود اضافی : پالس یک الکترود ماشه اضافی روشی موثر برای تحریک عمدی ژنراتور مارکس در شرایط شارژ کامل یا در یک حالت خاص است. الکترود ماشه اضافی تریگاترون نامیده می شود. اشکال و اندازه های مختلف تریگاترون با مشخصات مختلف موجود است.
  • یونیزه کردن هوا در شکاف: هوای یونیزه یک مسیر موثر است که برای انجام شکاف جرقه مفید است. یونیزاسیون با استفاده از لیزر پالس انجام می شود.
  • کاهش فشار هوا در داخل شکاف: در صورت طراحی شکاف جرقه در داخل محفظه ، کاهش فشار هوا نیز موثر است.

معایب مارکس ژنراتور

زمان شارژ طولانی: ژنراتور مارکس از مقاومت هایی برای شارژ خازن استفاده می کند. بنابراین زمان شارژ بالاتر می رود. خازنی که به منبع تغذیه نزدیکتر است سریعتر از بقیه شارژ می شود. این به دلیل افزایش فاصله به دلیل افزایش مقاومت بین خازن و منبع تغذیه است. این یک اشکال عمده در واحد تولید کننده مارکس است.

از دست دادن کارایی: به همان دلیلی که قبلاً توضیح داده شد ، چون جریان از طریق مقاومت ها عبور می کند ، بازده مدار ژنراتور مارکس پایین است.

طول عمر کوتاه شکاف جرقه: چرخه تکراری تخلیه از طریق شکاف جرقه باعث کاهش طول عمر الکترودهای شکاف جرقه می شود که باید هر از گاهی جایگزین شود.

زمان تکرار شارژ و چرخه تخلیه: به دلیل زمان شارژ زیاد ، زمان تکرار ژنراتور ضربه بسیار کند است. این یکی دیگر از اشکالات مهم مدار ژنراتور مارکس است.

کاربرد مدار ژنراتور ضربه

عمده ترین کاربرد مدار ژنراتور ضربه ، آزمایش دستگاه های فشار قوی است. برقگیر ها ، فیوز ها ، دیود های TVS ، انواع مختلف محافظ های ولتاژ و غیره با استفاده از مولد ولتاژ ضربه آزمایش می شوند. نه تنها در زمینه آزمایش ، بلکه مدار مولد ضربه نیز ابزاری اساسی است که در آزمایش های فیزیک هسته ای و همچنین در لیزر ها ، صنایع همجوشی و دستگاه های پلاسما مورد استفاده قرار می گیرد.

ژنراتور مارکس برای اهداف شبیه سازی اثرات رعد و برق بر روی چرخ دنده های خط برق و در صنایع هواپیمایی استفاده می شود. در دستگاه های X-Ray و Z نیز استفاده می شود. موارد دیگر ، مانند آزمایش عایق دستگاه های الکترونیکی نیز با استفاده از مدار های ژنراتور ضربه آزمایش می شوند.

پیشنهاد میکنم مقاله برق اضطراری را نیز بخوانید.

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید
امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید
محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. مالکیتی بر مطالب ارائه شده ندارم. اکثر فعالیت بنده در زمینه ترجمه است. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *