Pulsgenerator (kraftteknikk)

En pulsgenerator er en elektroteknisk innretning som i utgangspunktet lagrer en viss mengde elektrisk energi over lengre tid og deretter kan frigjøre denne energimengden på veldig kort tid ("plutselig").

På grunn av den korte tiden med energifrigjøring, er tidspenn fra noen få nanosekunder til noen få mikrosekunder vanlige, veldig høye øyeblikkelige krefter oppstår. Med store pulsgeneratorer er topputganger på opptil en teravatt mulig. Elektriske spenninger på opptil noen 100 kilovolt og strømmer på opptil noen få mega ampere er karakteristiske.

Pulsgenerator Shiva Star på LANL

Tekniske anvendelser av pulsgeneratorer som omfatter tilførsel av senderrørene som klystron eller magnetron for pulset radarutstyr , for pulsede lasere ( gasslasere , pumpe laserdioder eller flash-rør for solid-state laser), for røntgenrør og i industriell produksjonsmetode, slik som magnet forming , elektromagnetisk puls sveising og Hydrospark-prosessen. Militære applikasjoner er for eksempel levering av et vircator for elektronisk krigføring .

Vitenskapelige anvendelser er for eksempel kjernefusjon og generering av sterke magnetfelt.

Mindre pulsgeneratorer brukes som testgeneratorer i elektromagnetiske tester for elektromagnetisk kompatibilitet og i høyspentlaboratorier, for eksempel for tester på lynbeskyttelse .

Avhengig av utforming og prinsipp, kan pulsgeneratorer noen ganger bare avgi en enkelt puls, for eksempel strømningskompresjonsgeneratoren , fordi de ødelegges når pulsen genereres .

konstruksjon

Strukturen til pulsgeneratorer er veldig forskjellig avhengig av størrelsen på pulsvarigheten og toppeffekten. De fleste enheter har til felles at de bruker konsentrerte komponenter som kondensatorer og / eller spoler eller det kapasitive eller induktive belegget til en elektrisk ledning . Modelleringen av prosessene foregår innenfor rammen av linjeteorien . Det er også innretninger med en mekanisk energikilde, f.eks. B. strømningskompresjonsgeneratoren og den såkalte kompulsatoren .

Et annet kjennetegn ved pulsgeneratorer er raske, kraftige elektriske brytere. Disse kan for eksempel være mekaniske brytere , tyristorer , tyratroner , MOSFET-er , elektronrør eller spesielt bytte av gnistgap . Et typisk eksempel på sistnevnte er Marx-generatoren .

Et pulsdannende nettverk (PFN) som består av kondensatorer og spoler eller en ledningskrets, brukes ofte til å forkorte pulsvarigheten eller for å øke utgangen.

Pulsgenerator fra linjesirkler

Linjeteorien gir en beskrivelse av de elektriske prosessene . For mindre krefter kan pulsgeneratorer også implementeres med bare et stykke koaksialkabel , men striplines er typiske .

Enkel pulsformer med en linje

Det forenklede funksjonsprinsippet for et pulsformert trinn i form av en elektrisk ledning med lengde D er vist i den tilstøtende skissen. Når bryteren er åpen, blir linjen begynne med påfylles konstant likespenning fra likespenningskilden over et lengre tidsrom ved hjelp av en likespenningskilde med en indre motstand R _S betydelig større enn kretsens impedans Z ₀ . På tidspunktet for utladning, er bryteren lukket og den energi som er lagret i linje leveres til belastningsmotstanden R _L , som er avstemt til linje impedans i forhold til impedansen . Hele linjenergien konverteres ikke umiddelbart; begrensningen av forplantningshastigheten resulterer i en effekt av bølgeutbredelsen langs linjen: Direkte spenningen ved lastmotstanden R _L bryter til halvparten av likspenningskilden, dette følger av det faktum at Lastmotstand er tilpasset linjeimpedansen . Dette spenningsfallet, som kan beskrives som en bølge, sprer seg omtrent halvparten av lyshastigheten i retning av matepunktet; den spesifikke hastigheten avhenger blant annet av linjens utforming og forkortingsfaktoren VKF , reflekteres på slutten og går deretter til linje til belastningsmotstanden R _L . Varigheten T av pulsen over lastmotstanden R- _L er avhengig av passeringstiden for bølgen langs linjen og er:

${\ displaystyle T = {\ frac {2D} {c_ {0}}} \ cdot VKF}$

med den vakuum lysets hastighet og avkorting faktor VKF . ${\ displaystyle c_ {0}}$

Prinsippstruktur for en Blumlein-pulsgenerator

En ulempe ved denne utformingen av en pulsgenerator er at bare halvparten av spenningen til likspenningskilden er tilgjengelig ved lastmotstanden R _L. Blumlein-generatoren , oppkalt etter Alan Blumlein og som vist i forenklet form i skissen motsatt, unngår denne ulempen . Når det gjelder Blümlein-generatoren, er belastningsmotstanden R _L midt på linjen; den totale lengden på linjen er dobbelt så lang som en enkel pulsgenerator. Lastmotstanden R _L må ha to ganger impedansen til linjen, slik at den ikke blir tilpasset linjen. Som et resultat av denne bevisste feiljusteringen, forårsaker den innkommende bølgen, utløst av kortslutning i DC-spenningskilden, en refleksjon og overføring av bølgen med halv amplitude. Dette fører til en positiv og negativ spenning av samme størrelse ved tilkoblingene til lastmotstanden i løpet av pulsen. Dette betyr at full spenning påføres belastningsmotstanden under pulsen. Ulempen med Blumlein-pulsgeneratoren er at den er dobbelt så dyr på grunn av den ekstra kabellengden.

En av verdens største pulsgeneratorer basert på Blumlein-prinsippet er Shiva Star på Los Alamos National Laboratory . Den tjener blant annet som en kilde til drivkraft for fusjonseksperimenter og militærforskning. Energien som er lagret i kondensatorene er 10  MJ , spenningen under utladning når over 100  kV ved lastmotstanden med impulsstrømmer på rundt 10  MA . Effekten når rundt 1 TW på noen få mikrosekunder.

Andre design

Eksempler på pulsgeneratorer:

• Med Marx-generatoren lades kondensatorer parallelt på en DC-spenningskilde og plutselig kobles i serie gjennom gnistgap .
• Med tennspolen lagres energien i magnetfeltet og frigjøres (tradisjonelt) med en mekanisk bryter (avbryter)
• i gjerdet eller ved noen høyspent tenningsgeneratorer og en kondensator er i en transformator utladet
• Høyspenningsimpulser for drift av Pockels-celler genereres fra en DC-spenningskilde ved seriekoblede MOSFET-er
• Impulser for magnettransformasjon, Hydrospark-prosessen og i Dresden høyfeltmagnetlaboratorium genereres ved å tømme høyspenningskondensatorer (10 ... 40 kV)

litteratur

• Gennady A. Mesyats: Pulsed Power . Springer Science & Business Media, 2007, ISBN 978-0-306-48654-8 . 

Individuelle bevis

1. ↑ W. König: "Produksjonsprosess: bearbeiding av metallplater"; Springer-Verlag 2013 - 270 sider; Side 53
2. ↑ Klaus Wille: Forelesningselektronikk, kapittel 4: Linjer. Arkivert fra originalen 24. januar 2014 ; åpnet 5. mars 2015 . 
3. ↑ patent GB589127 : Forbedringer i eller relatert til apparater for generering av elektrisk puls. Registrert 10. oktober 1941 , publisert 12. juni 1947 , søker: Alan Dower Blumlein. ‌
4. ^ Fritz Herlach, Noboru Miura: High Magnetic Fields, Science and Technology. Teori og eksperimenter II . teip 3 . World Scientific, 2006, ISBN 978-981-277-488-0 , pp. 243 . 
5. ↑ https://www.google.com/patents/US8536929 Høyspenningsbryter med justerbar strøm US 8536929 B2