- Forma de onda de voltaje de impulso
- Generador de impulsos de una etapa
- Desventajas del generador de impulsos de una sola etapa
- Generador de marx
- Desventajas del generador de Marx
- Aplicación del circuito generador de impulsos
En electrónica, las sobretensiones son algo muy crítico y es una pesadilla para todos los diseñadores de circuitos. Estas sobretensiones se conocen comúnmente como impulsos que se pueden definir como un alto voltaje, típicamente en unos pocos kV que existe durante un corto período de tiempo. Las características de un voltaje de impulso se pueden notar con un tiempo de caída alto o bajo seguido de un tiempo de aumento de voltaje muy alto. Los rayos son un ejemplo de las causas naturales que causan el voltaje de impulso. Dado que este voltaje de impulso puede dañar gravemente el equipo eléctrico, es importante probar nuestros dispositivos para que funcionen contra el voltaje de impulso. Aquí es donde usamos un generador de voltaje de impulso que genera alto voltaje o sobrecargas de corriente en una configuración de prueba controlada. En este artículo, aprenderemos sobre lafuncionamiento y aplicación del Generador de Voltaje de Impulso. Entonces empecemos.
Como se dijo anteriormente, un generador de impulsos produce sobretensiones de corta duración con un voltaje muy alto o una corriente muy alta. Por lo tanto, existen dos tipos de generadores de impulsos, el generador de voltaje de impulso y el generador de corriente de impulso. Sin embargo, en este artículo, analizaremos los generadores de voltaje de impulso.
Forma de onda de voltaje de impulso
Para comprender mejor el voltaje de impulso, echemos un vistazo a la forma de onda del voltaje de impulso. En la imagen de abajo, se muestra un solo pico de forma de onda de impulso de alto voltaje
Como puede ver, la onda está llegando a su pico máximo del 100 por ciento en 2 uS. Esto es muy rápido, pero el alto voltaje está perdiendo su fuerza con un lapso de casi 40uS. Por tanto, el pulso tiene un tiempo de subida muy corto o rápido mientras que un tiempo de bajada muy lento o largo. La duración del pulso se denomina cola de onda, que se define por la diferencia entre el tercer sello de tiempo ts3 y ts0.
Generador de impulsos de una etapa
Para comprender el funcionamiento de un generador de impulsos, echemos un vistazo al diagrama del circuito de un generador de impulsos de una sola etapa que se muestra a continuación.
El circuito anterior consta de dos condensadores y dos resistencias. El Spark Gap (G) es un espacio eléctricamente aislado entre dos electrodos donde ocurren chispas eléctricas. En la imagen de arriba también se muestra una fuente de energía de alto voltaje. Cualquier circuito generador de impulsos necesita al menos un condensador grande que se carga a un nivel de voltaje apropiado y luego se descarga mediante una carga. En el circuito anterior, el CS es el condensador de carga. Este es un condensador de alto voltaje que normalmente tiene una clasificación de más de 2 kV (depende del voltaje de salida deseado). El condensador CB es la capacidad de carga que descargará el condensador de carga. La resistencia y RD y RE controlan la forma de onda.
Si se observa con atención la imagen de arriba, podemos encontrar que el G o el espacio de chispa no tiene conexión eléctrica. Entonces, ¿cómo obtiene la capacitancia de carga el alto voltaje? Aquí está el truco y por este, el circuito anterior actúa como un generador de impulsos. El capacitor se carga hasta que el voltaje cargado del capacitor es suficiente para cruzar el espacio de chispa. Un impulso eléctrico generado a través del espacio de chispas y alto voltaje se transfiere desde el terminal del electrodo izquierdo al terminal del electrodo derecho del espacio de chispas y, por lo tanto, lo convierte en un circuito conectado.
El tiempo de respuesta del circuito se puede controlar variando la distancia entre dos electrodos o cambiando el voltaje completamente cargado de los capacitores. El cálculo de la tensión de impulso de salida se puede realizar calculando la forma de onda de la tensión de salida con
v (t) = (e - α t - e - β t)
Dónde, α = 1 / R d C b β = 1 / R e C z
Desventajas del generador de impulsos de una sola etapa
La principal desventaja de un circuito generador de impulsos de una sola etapa es el tamaño físico. Dependiendo de la clasificación de alto voltaje, los componentes aumentan de tamaño. Además, la generación de alto voltaje de impulso requiere un alto voltaje de CC. Por lo tanto, para un circuito generador de voltaje de impulso de una sola etapa, es bastante difícil obtener una eficiencia óptima incluso después de usar grandes fuentes de alimentación de CC.
Las esferas que se utilizan para la conexión de espacios también requieren un tamaño muy alto. La corona que se descarga por la generación de voltaje de impulso es muy difícil de suprimir y remodelar. La vida útil del electrodo se acorta y requiere reemplazo después de algunos ciclos de repetición.
Generador de marx
Erwin Otto Marx proporcionó un circuito generador de impulsos de varias etapas en 1924. Este circuito se utiliza específicamente para generar un alto voltaje de impulso a partir de una fuente de alimentación de bajo voltaje. El circuito del generador de impulsos multiplexado o comúnmente llamado circuito de Marx se puede ver en la siguiente imagen.
El circuito anterior utiliza 4 condensadores (puede haber n número de condensadores) que son cargados por una fuente de alto voltaje en condición de carga paralela por las resistencias de carga R1 a R8.
Durante la condición de descarga, la descarga de chispas, que era un circuito abierto durante el estado de carga, actúa como un interruptor y conecta una ruta en serie a través del banco de capacitores y genera un voltaje de impulso muy alto a través de la carga. La condición de descarga se muestra en la imagen de arriba por la línea púrpura. El voltaje del primer condensador debe excederse lo suficiente para romper el espacio de chispas y activar el circuito generador de Marx.
Cuando esto ocurre, el primer espacio de chispas conecta dos condensadores (C1 y C2). Por lo tanto, el voltaje a través del primer capacitor se duplica en dos voltajes de C1 y C2. Posteriormente, el tercer espacio de chispa se rompe automáticamente porque el voltaje a través del tercer espacio de chispa es lo suficientemente alto y comienza a agregar el voltaje del tercer capacitor C3 a la pila y esto continúa hasta el último capacitor. Finalmente, cuando se alcanza el último y último espacio de chispa, el voltaje es lo suficientemente grande como para romper el último espacio de chispa a través de la carga que tiene un espacio más grande entre las bujías.
El voltaje de salida final a través del espacio final será nVC (donde n es el número de capacitores y VC es el voltaje cargado del capacitor), pero esto es cierto en los circuitos ideales. En escenarios reales, el voltaje de salida del circuito generador de impulsos de Marx será mucho más bajo que el valor real deseado.
Sin embargo, este último punto de chispa debe tener espacios más grandes porque, sin esto, los condensadores no se cargan completamente. A veces, la descarga se realiza de forma intencionada. Hay varias formas de descargar el banco de condensadores en el generador Marx.
Técnicas de descarga de condensadores en Marx Generator:
Pulsar un electrodo de disparo adicional : Pulsar un electrodo de disparo adicional es una forma eficaz de disparar intencionadamente el generador Marx durante la condición de carga completa o en un caso especial. El electrodo de disparo adicional se llama Trigatron. Hay Trigatron de diferentes formas y tamaños disponibles con diferentes especificaciones.
Ionización del aire en el espacio : el aire ionizado es un camino efectivo que es beneficioso para conducir el espacio de chispas. La ionización se realiza mediante el uso de un láser pulsado.
Reducción de la presión de aire dentro del espacio : La reducción de la presión del aire también es efectiva si el espacio de chispa está diseñado dentro de una cámara.
Desventajas del generador de Marx
Tiempo de carga prolongado: el generador Marx utiliza resistencias para cargar el condensador. Por lo tanto, el tiempo de carga aumenta. El condensador que está más cerca de la fuente de alimentación se carga más rápido que los demás. Esto se debe al aumento de la distancia debido al aumento de la resistencia entre el condensador y la fuente de alimentación. Este es un gran inconveniente de la unidad generadora de Marx.
Pérdida de eficiencia: por la misma razón que la descrita anteriormente, a medida que la corriente fluye a través de las resistencias, la eficiencia del circuito generador de Marx es baja.
La corta vida útil del espacio de chispas: el ciclo repetitivo de descarga a través del espacio de chispas acorta la vida útil de los electrodos de un espacio de chispas que debe reemplazarse de vez en cuando.
El tiempo de repetición de carga y ciclo de descarga: Debido al alto tiempo de carga, el tiempo de repetición del generador de impulsos es muy lento. Este es otro gran inconveniente del circuito generador de Marx.
Aplicación del circuito generador de impulsos
La principal aplicación del circuito generador de impulsos es probar dispositivos de alto voltaje. Los pararrayos, fusibles, diodos TVS, diferentes tipos de protectores contra sobretensiones, etc. se prueban utilizando el generador de voltaje de impulso. No solo en el campo de las pruebas, sino que el circuito generador de impulsos también es un instrumento esencial que se utiliza en experimentos de física nuclear, así como en las industrias de dispositivos láser, de fusión y de plasma.
El generador de Marx se utiliza con fines de simulación de efectos de rayos en equipos de líneas eléctricas y en las industrias de la aviación. También se utiliza en máquinas de rayos X y Z. Otros usos, como las pruebas de aislamiento de dispositivos electrónicos, también se prueban utilizando circuitos generadores de impulsos.