Gerador de Marx - Marx generator

Um pequeno gerador de demonstração de Marx (torre à direita) . É um gerador de dez estágios. A descarga principal está à esquerda. As nove faíscas menores que podem ser vistas na imagem são os centelhadores que conectam os capacitores carregados em série.

Um gerador de Marx é um circuito elétrico descrito pela primeira vez por Erwin Otto Marx em 1924. Seu objetivo é gerar um pulso de alta tensão a partir de uma fonte de corrente contínua de baixa tensão. Os geradores de Marx são usados ​​em experimentos de física de alta energia, bem como para simular os efeitos de raios em equipamentos de linha de força e equipamentos de aviação. Um banco de 36 geradores de Marx é usado por Sandia National Laboratories para gerar raios-X em seu Z máquina .

Princípio da Operação

Diagramas geradores de Marx; Embora o capacitor esquerdo tenha a maior taxa de carga, o gerador normalmente pode carregar por um longo período de tempo e todos os capacitores eventualmente alcançam a mesma tensão de carga.

O circuito gera um pulso de alta voltagem carregando vários capacitores em paralelo e, de repente, conectando-os em série. Veja o circuito acima. No início, n capacitores ( C ) são carregados em paralelo a uma tensão V C por uma fonte de alimentação CC através dos resistores ( R C ). Os centelhadores usados ​​como interruptores têm a tensão V C entre eles, mas os lacunas têm uma tensão de ruptura maior do que V C , portanto, todos se comportam como circuitos abertos enquanto os capacitores são carregados. A última lacuna isola a saída do gerador da carga; sem essa lacuna, a carga impediria os capacitores de carregar. Para criar o pulso de saída, o primeiro centelhador é interrompido (disparado); a ruptura efetivamente encurta a lacuna, colocando os dois primeiros capacitores em série, aplicando uma tensão de cerca de 2 V C através da segunda centelha. Consequentemente, a segunda lacuna se quebra para adicionar o terceiro capacitor à "pilha", e o processo continua a quebrar sequencialmente todas as lacunas. Este processo de centelhadores conectando os capacitores em série para criar a alta tensão é chamado de ereção . A última lacuna conecta a saída da "pilha" em série de capacitores à carga. Idealmente, a tensão de saída será nV C , o número de capacitores vezes a tensão de carga, mas na prática o valor é menor. Observe que nenhum dos resistores de carga R c está sujeito a mais do que a tensão de carga, mesmo quando os capacitores foram montados. A carga disponível é limitada à carga dos capacitores, de modo que a saída é um pulso breve conforme os capacitores descarregam através da carga. Em algum ponto, os centelhadores param de conduzir e a fonte de baixa tensão começa a carregar os capacitores novamente.

O princípio de multiplicar a tensão carregando capacitores em paralelo e descarregando-os em série também é utilizado no circuito multiplicador de tensão , utilizado para produzir altas tensões para impressoras a laser e aparelhos de televisão de tubo catódico , que apresenta semelhanças com este circuito. Uma diferença é que o multiplicador de tensão é alimentado com corrente alternada e produz uma tensão de saída DC constante, enquanto o gerador de Marx produz um pulso.

Gerador de Marx usado para testar componentes de transmissão de energia de alta tensão na TU Dresden, Alemanha
Gerador de Marx na feira de utilidades, Leipzig, Alemanha Oriental, 1954
Gerador Marx de 10 estágios de 600 kV em operação
Gerador de 800 kV Marx em laboratório no Instituto Nacional de Tecnologia, Durgapur Índia.

Otimização

Para fornecer pulsos de tempo de subida de 5 ns, o gerador de Marx costuma ser integrado a um guia de onda coaxial . Os centelhadores são colocados o mais próximos possível uns dos outros para troca máxima de luz ultravioleta e tremulação mínima. A DC HV vem de baixo, a HV pulsada sai da parte superior para a linha coaxial. A linha dupla de esferas no meio são os centelhadores, todas as outras esferas são para evitar a descarga corona . Azul = capacitor de água . Cinza = metal sólido. Preto = fio fino. O condutor externo também funciona como um vaso, de forma que o gás e a pressão podem ser otimizados.

O desempenho adequado depende da seleção do capacitor e do momento da descarga. Os tempos de comutação podem ser melhorados dopando os eletrodos com isótopos radioativos césio 137 ou níquel 63 e orientando os centelhadores de modo que a luz ultravioleta de um interruptor de centelha de disparo ilumine os restantes centelhadores abertos. O isolamento das altas tensões produzidas é frequentemente realizado imergindo o gerador Marx em óleo de transformador ou um gás dielétrico de alta pressão , como hexafluoreto de enxofre (SF 6 ).

Observe que quanto menos resistência houver entre o capacitor e a fonte de alimentação de carregamento, mais rápido ele carregará. Portanto, neste projeto, aqueles mais próximos da fonte de alimentação carregarão mais rápido do que aqueles mais distantes. Se o gerador puder carregar por tempo suficiente, todos os capacitores atingirão a mesma tensão.

No caso ideal, o fechamento da chave mais próxima da fonte de alimentação de carga aplica uma tensão de 2 V à segunda chave. Essa chave será fechada, aplicando uma tensão de 3 V à terceira chave. Essa chave será fechada, resultando em uma cascata no gerador que produz nV na saída do gerador (novamente, apenas no caso ideal).

A primeira chave pode quebrar espontaneamente (às vezes chamada de quebra automática ) durante o carregamento se o tempo absoluto do pulso de saída não for importante. No entanto, geralmente é acionado intencionalmente quando todos os capacitores no banco de Marx atingem a carga total, reduzindo a distância do gap, pulsando um eletrodo de disparo adicional (como um Trigatron ), ionizando o ar no gap usando um laser , ou reduzindo a pressão do ar dentro da lacuna.

Os resistores de carga, Rc, precisam ser dimensionados corretamente para carregar e descarregar. Às vezes, eles são substituídos por indutores para maior eficiência e carregamento mais rápido. Em muitos geradores, os resistores são feitos de tubo de plástico ou vidro preenchido com solução diluída de sulfato de cobre . Esses resistores de líquido superam muitos dos problemas enfrentados por materiais resistivos sólidos mais convencionais, que têm uma tendência a diminuir sua resistência ao longo do tempo sob condições de alta tensão.

Pulsos curtos

O gerador de Marx também é usado para gerar pulsos curtos de alta potência para células de Pockels , acionando um laser TEA , ignição do explosivo convencional de uma arma nuclear e pulsos de radar.

A brevidade é relativa, pois o tempo de comutação, mesmo nas versões de alta velocidade, não é inferior a 1 ns e, portanto, muitos dispositivos eletrônicos de baixa potência são mais rápidos. No projeto de circuitos de alta velocidade, a eletrodinâmica é importante, e o gerador de Marx apóia isso na medida em que usa fios curtos e grossos entre seus componentes, mas o projeto é essencialmente eletrostático. Quando a primeira lacuna é quebrada, a teoria eletrostática pura prevê que a tensão em todos os estágios aumenta. No entanto, os estágios são acoplados capacitivamente à terra e em série entre si e, assim, cada estágio encontra um aumento de tensão que é cada vez mais fraco quanto mais longe o estágio está do de comutação; o estágio adjacente ao de comutação, portanto, encontra o maior aumento de tensão e, portanto, comuta por sua vez. À medida que mais estágios comutam, o aumento de tensão para o restante aumenta, o que acelera sua operação. Assim, um aumento de voltagem alimentado no primeiro estágio torna-se amplificado e inclinado ao mesmo tempo.

Em termos eletrodinâmicos, quando o primeiro estágio quebra, ele cria uma onda eletromagnética esférica cujo vetor de campo elétrico se opõe à alta tensão estática. Este campo eletromagnético em movimento tem a orientação errada para acionar o próximo estágio e pode até atingir a carga; tal ruído na frente da borda é indesejável em muitas aplicações de comutação. Se o gerador estiver dentro de um tubo de (digamos) 1 m de diâmetro, ele requer cerca de 10 reflexões de onda para que o campo se estabilize em condições estáticas, o que restringe a largura da borda de ataque do pulso a 30 ns ou mais. Dispositivos menores são, obviamente, mais rápidos.

A velocidade de uma chave é determinada pela velocidade dos portadores de carga, que aumenta com a voltagem mais alta, e pela corrente disponível para carregar a capacitância parasita inevitável. Em dispositivos de avalanche de estado sólido, uma alta tensão leva automaticamente a alta corrente. Como a alta tensão é aplicada apenas por um curto período, as chaves de estado sólido não aquecem excessivamente. Como compensação para as tensões mais altas encontradas, os estágios posteriores também têm que transportar cargas mais baixas. O resfriamento do palco e a recarga do capacitor também funcionam bem juntos.

Variantes de palco

Os diodos de avalanche podem substituir um centelhador para tensões de estágio inferiores a 500 volts. Os portadores de carga deixam facilmente os eletrodos, portanto, nenhuma ionização extra é necessária e o jitter é baixo. Os diodos também têm uma vida útil mais longa do que os centelhadores.

Um dispositivo de comutação rápido é um transistor de avalanche NPN equipado com uma bobina entre a base e o emissor. O transistor é inicialmente desligado e cerca de 300 volts existem em sua junção coletor-base. Esta tensão é alta o suficiente para que um portador de carga nesta região possa criar mais portadores por ionização de impacto, mas a probabilidade é muito baixa para formar uma avalanche adequada; em vez disso, flui uma corrente de fuga um tanto barulhenta. Quando o estágio anterior muda, a junção de base do emissor é empurrada para a polarização direta e a junção da base do coletor entra no modo de avalanche total, de modo que os portadores de carga injetados na região da base do coletor se multiplicam em uma reação em cadeia. Depois que o gerador de Marx dispara completamente, as tensões caem em todos os lugares, cada avalanche de interruptores para, sua bobina combinada coloca sua junção base-emissor em polarização reversa e o campo estático baixo permite que os portadores de carga restantes sejam drenados de sua junção base-coletor.

Formulários

Uma aplicação é a chamada troca de vagão de uma célula de Pockels . Quatro geradores de Marx são usados, cada um dos dois eletrodos da célula de Pockels sendo conectado a um gerador de pulso positivo e um gerador de pulso negativo. Dois geradores de polaridade oposta, um em cada eletrodo, são disparados primeiro para carregar a célula de Pockels em uma polaridade. Isso também carregará parcialmente os outros dois geradores, mas não os acionará, porque eles foram carregados apenas parcialmente de antemão. O vazamento através dos resistores de Marx precisa ser compensado por uma pequena corrente de polarização através do gerador. Na extremidade posterior do vagão, os outros dois geradores são acionados para "inverter" a célula.

Os geradores Marx são usados ​​para fornecer pulsos de alta tensão para o teste de isolamento de aparelhos elétricos, como grandes transformadores de energia ou isoladores usados ​​para suportar linhas de transmissão de energia. As tensões aplicadas podem exceder dois milhões de volts para aparelhos de alta tensão.

Na indústria de alimentos, os geradores Marx são usados ​​para o processamento de campos elétricos pulsados para induzir a melhoria do corte ou aceleração da secagem de batata e outras frutas e vegetais.

Veja também

Referências

Leitura adicional

  • Bauer, G. (1 de junho de 1968) "A low-impedance high-voltage nanosecond pulser", Journal of Scientific Instruments , London, UK. vol. 1, pp. 688-689.
  • Graham et al. (1997) "Compact 400 kV Marx Generator With Common Switch Housing", Pulsed Power Conference, 11th Annual Digest of Technical Papers , vol. 2, pp. 1519–1523.
  • Ness, R. et al. (1991) "Compact, Megavolt, Rep-Rated Marx Generators", IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 38, No. 4, pp. 803–809.
  • Obara, M. (3-5 de junho de 1980) "Strip-Line Multichannel-Surface-Spark-Gap-Type Marx Generator for Fast Discharge Lasers", IEEE Conference Record of the 1980 Fourteenth Pulse Power Modulator Symposium , pp. 201-208 .
  • Shkaruba et al. (Maio-junho de 1985) "Arkad'ev-Mark Generator with Capacitive Coupling", Instrum Exp Tech vol. 28, No. 3, parte 2, pp. 625–628, XP002080293.
  • Sumerville, IC (11-24 de junho de 1989) "A Simple Compact 1 MV, 4 kJ Marx", Proceedings of the Pulsed Power Conference, Monterey, Califórnia conf. 7, pp. 744–746, XP000138799.
  • Turnbull, SM (1998) "Development of a High Voltage, High PRF PFN Marx Generator", Conference Record of the 1998 23rd International Power Modulation Symposium , pp. 213-16.

links externos