마르크스 발생기

Marx generator
마르크스 제너레이터(오른쪽 타워)의 작은 시연입니다.10단 발전기입니다.주 배출구는 왼쪽에 있습니다.이미지에서 볼 수 있는 9개의 작은 스파크는 충전된 캐패시터를 직렬로 연결하는 스파크 간격입니다.

마르크스 발전기는 1924년 [1]Erwin Otto Marx에 의해 처음 기술된 전기 회로입니다.그 목적은 저전압 DC 전원에서 고전압 펄스를 생성하는 것입니다.마르크스 발전기는 고에너지 물리학 실험뿐만 아니라 전력선 기어와 항공 장비에 대한 번개의 영향을 시뮬레이션하는 데 사용됩니다.Sandia National Laboratories는 36개의 Marx 제너레이터 뱅크를 사용하여 Z 머신에서 X선을 생성합니다.

작동 원리

마르크스 제너레이터 다이어그램: 왼쪽 캐패시터가 가장 큰 충전 속도를 가지고 있지만 일반적으로 제너레이터는 장시간 충전할 수 있으며, 결국 모든 캐패시터가 동일한 충전 전압에 도달합니다.

회로는 다수의 캐패시터를 병렬로 충전한 후 갑자기 직렬로 연결하여 고전압 펄스를 생성합니다.위의 회로를 참조하십시오.우선 저항기(R)를C 매개로 직류전원에 의해 전압V와C 병렬로 n개의 캐패시터(C)를 충전한다.스위치로 사용되는 스파크 갭은 전압 V가C 교차하지만 갭은 파괴 전압이 V보다 높기C 때문에 캐패시터가 충전되는 동안 모두 개방 회로처럼 작동합니다.마지막 간극은 제너레이터의 출력을 부하로부터 격리합니다. 이 간극이 없으면 부하가 커패시터의 충전을 방해합니다.출력 펄스를 생성하기 위해 첫 번째 스파크 갭을 분해(트리거)합니다. 이 분해는 갭을 효과적으로 단락시켜 첫 번째 두 개의 캐패시터를 직렬로 배치하고 두 번째 스파크 [2]갭에 약 2V의C 전압을 인가합니다.그 결과, 제2의 갭이 분해되어 제3의 콘덴서가 「스택」에 추가되고, 프로세스는 계속해서 모든 갭을 순차적으로 분해한다.이 스파크 갭이 콘덴서를 직렬로 연결하여 고전압을 생성하는 과정을 가설이라고 합니다.마지막 간격은 콘덴서의 직렬 "스택" 출력을 부하에 연결합니다.이상적으로는 출력전압은 nVC, 즉 콘덴서 수에 충전전압을 곱한 값이지만 실제로는 값이 더 작습니다.콘덴서가 세워져 있어도 충전저항 R에는c 충전전압 이상의 부하가 걸리지 않는 것에 주의해 주십시오.사용 가능한 전하가 캐패시터의 충전으로 제한되므로 출력은 캐패시터가 로드를 통해 방전될 때의 짧은 펄스입니다.어느 시점에서 스파크 갭이 도통을 멈추고 저전압 공급이 콘덴서 충전을 다시 시작합니다.

콘덴서를 병렬로 충전하여 직렬로 방전함으로써 전압을 곱하는 원리는 이 회로와 유사한 레이저 프린터 및 브라운관 TV용 고전압을 생성하는 데 사용되는 전압 증배 회로에도 사용됩니다.한 가지 차이점은 전압 승수가 교류로 구동되어 일정한 DC 출력 전압을 생성하는 반면, 마르크스 발생기는 펄스를 발생시킨다는 것입니다.

독일 TU 드레스덴에서 고전압 송전 부품 시험에 사용되는 마르크스 발전기
1954년 동독 라이프치히 공공사업박람회 마르크스 발생자
600kV 10단 마르크스 발전기 작동 중
인도 두르가푸르 국립 공과대학 연구실의 800kV 마르크스 발전기.

최적화

5ns 상승 시간 펄스를 전달하기 위해 마르크스 발생기는 종종 동축파 가이드에 내장되어 있습니다.스파크 갭은 지터를 최소화하기 위해 최대 자외선을 교환할 수 있도록 가능한 한 가깝게 배치됩니다.DC HV는 아래에서 나와 상단의 펄스 HV 리프가 동축 라인으로 들어갑니다.중앙의 이중 선은 스파크 갭이며, 다른 모든 구들은 코로나 방전을 방지하기 위한 것입니다.파란색=수 콘덴서.회색=솔리드 메탈.검은색= 가는 와이어.외부 도체는 용기 역할도 하므로 가스와 압력을 최적화할 수 있습니다.

적절한 성능은 콘덴서의 선택과 방전 타이밍에 따라 달라집니다.전극을 방사성 동위원소 세슘137 또는 니켈63으로 도핑하고 점화 스파크 갭 스위치로부터의 자외선이 나머지 개방 스파크 [3]갭을 조사하도록 스파크 갭을 배향함으로써 전환 시간을 향상시킬 수 있다.생성되는 고전압의 절연은 종종 마르크스 발생기를 변압기 오일 또는 육불화황(SF)6과 같은 고압 유전 가스에 담그면 이루어집니다.

캐패시터와 충전 전원 사이에 저항이 적을수록 충전 속도가 빨라집니다.따라서 이 설계에서는 전원장치에 가까운 쪽이 먼 쪽보다 더 빨리 충전됩니다.제너레이터가 충분히 오래 충전되도록 허용하면 모든 캐패시터가 동일한 전압에 도달합니다.

이상적으로는 충전전원에 가장 가까운 스위치를 닫으면 두 번째 스위치에 전압 2V가 인가된다.그런 다음 이 스위치가 닫히고 세 번째 스위치에 3V 전압이 인가됩니다.그런 다음 이 스위치가 닫히므로 제너레이터 출력에서 nV를 생성하는 제너레이터 아래로 캐스케이드됩니다(이상적인 경우에만).

첫 번째 스위치는 출력 펄스의 절대 타이밍이 중요하지 않은 경우 충전 중에 자발적으로 고장(셀프 브레이크라고도 함)이 발생할 수 있습니다.그러나 일반적으로 마르크스 뱅크의 모든 캐패시터가 완전히 충전되면 갭 거리를 줄이거나 추가 트리거 전극(트리거트론 등)을 펄스 레이저를 사용하여 갭 내의 공기를 이온화하거나 갭 내의 공기압을 줄임으로써 의도적으로 트리거됩니다.

충전 저항 Rc는 충전 및 방전을 위해 적절한 사이즈가 필요합니다.효율을 향상시키고 충전 속도를 높이기 위해 인덕터로 대체되기도 합니다.많은 발전기에서 저항기는 묽은 황산구리 용액을 채운 플라스틱 또는 유리 튜브로 제조됩니다.이러한 액체 저항기는 고전압 조건에서 시간이 지남에 따라 저항을 낮추는 경향이 있는 보다 일반적인 고체 저항 재료에서 발생하는 많은 문제를 해결합니다.

단펄스

마르크스 발전기는 또한 포켈스 셀의 짧은 고출력 펄스, TEA 레이저 구동, 재래식 핵무기의 폭발물 점화 및 레이더 펄스 생성에도 사용됩니다.

단점은 상대적인 것으로, 고속 버전의 스위칭 시간이 1 ns 이상이기 때문에, 저전력 전자 디바이스의 상당수는 고속입니다.고속회로의 설계에서는 전기역학이 중요하며, 마르크스 발생기는 부품 사이에 짧고 두꺼운 리드를 사용한다는 점에서 이를 지원하지만 디자인은 본질적으로 정전 설계입니다.첫 번째 갭이 무너지면 순수 정전 이론은 모든 단계에서 전압이 상승할 것으로 예측합니다.단, 각 스테이지가 접지와 용량적으로 직렬로 결합되어 있기 때문에 각 스테이지가 스위칭 스테이지에서 스테이지가 가까워질수록 약해지는 전압상승에 직면하고, 스위칭 스테이지와 인접한 스테이지가 가장 큰 전압상승에 도달하여 차례대로 스위칭한다.더 많은 단계가 전환될수록 나머지 단계까지의 전압 상승이 증가하여 작동 속도가 빨라집니다.따라서 첫 번째 단계로 공급되는 전압 상승은 증폭과 동시에 증폭됩니다.

전기역학적 관점에서 1단계가 파괴되면 전계 벡터가 정고전압에 반하는 구형의 전자파를 생성한다.이 이동 전자장은 다음 단계를 트리거하기 위한 방향이 잘못되어 부하에 도달할 수도 있습니다. 이러한 에지 앞의 노이즈는 많은 스위칭 애플리케이션에서 바람직하지 않습니다.발생기가 직경 1m의 튜브 안에 있는 경우, 자기장이 정적 조건에 정착하기 위해 약 10개의 파동 반사가 필요하며, 이는 펄스 선행 에지 폭을 30ns 이상으로 제한한다.소형 디바이스는 물론 고속입니다.

스위치의 속도는 전압이 높을수록 높아지는 충전 캐리어의 속도와 불가피한 기생 캐패시턴스를 충전하는 데 사용할 수 있는 전류에 의해 결정됩니다.고체 눈사태 장치에서는 고전압이 자동으로 고전류로 이어집니다.고전압은 짧은 시간 동안만 적용되기 때문에 솔리드 스테이트 스위치는 과도하게 가열되지 않습니다.더 높은 전압에 대한 보상으로서, 더 늦은 단계도 더 낮은 전하를 전달해야 합니다.스테이지 냉각과 캐패시터 재충전도 함께 사용할 수 있습니다.

스테이지 바리안트

아발란체 다이오드는 500V 미만의 스테이지 전압에서 스파크 갭을 대체할 수 있습니다.전하 캐리어는 전극에서 쉽게 빠져나오기 때문에 추가적인 이온화가 필요하지 않고 지터가 낮습니다.또한 다이오드는 스파크 [citation needed]갭보다 수명이 더 깁니다.

고속전환장치는 베이스와 이미터 사이에 코일이 장착된 NPN 아발란체 트랜지스터이다.트랜지스터는 처음에 꺼지고 컬렉터 베이스 접합부에 걸쳐 약 300V가 존재합니다.이 전압은 이 지역의 전하 캐리어가 충격 이온화를 통해 더 많은 캐리어를 생성할 수 있을 정도로 높지만, 적절한 눈사태를 형성하기에는 확률이 너무 낮습니다. 대신 다소 시끄러운 누출 전류가 흐릅니다.전단이 전환되면 이미터 베이스 접합부가 전방 바이어스로 푸시되고 콜렉터 베이스 접합부가 완전 아발란치 모드가 되므로 콜렉터 베이스 영역에 주입된 전하 캐리어가 연쇄 반응으로 증식한다.마르크스 발전기가 완전히 점화되면 모든 곳의 전압이 떨어지고 각 스위치 눈사태가 멈추고 일치하는 코일이 베이스-이미터 접합부를 역바이어스로 전환하며, 저정전장을 통해 나머지 전하 캐리어가 컬렉터-베이스 접합부에서 배출됩니다.

적용들

그 중 하나는 이른바 Pockels 셀의 박스카 스위칭입니다.4개의 마르크스 발생기가 사용되며, Pockels 셀의 두 전극 각각은 양의 펄스 발생기와 음의 펄스 발생기에 연결됩니다.Pockels 셀을 하나의 극성으로 충전하기 위해 각 전극에 하나씩 반대 극성의 제너레이터 두 개를 먼저 점화합니다.이는 다른 두 발전기도 부분적으로 충전되지만, 사전에 일부만 충전되었기 때문에 트리거되지는 않습니다.마르크스 저항을 통한 누출은 제너레이터를 통한 작은 바이어스 전류로 보상해야 합니다.박스카의 후미에서 다른 두 발전기는 셀을 "역전"하기 위해 발사됩니다.

마르크스 발전기는 대형 변압기나 송전선 지지용 절연체 등의 전기기기의 절연 테스트에 고전압 펄스를 제공하는 데 사용된다.고전압 기기의 경우 인가되는 전압이 200만V를 초과할 수 있습니다.

식품 산업에서는 마르크스 발생기를 펄스 전기장 가공에 사용하여 감자 및 기타 과일과 채소의 [4]절단 개선 또는 건조 가속화를 유도합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ 마르크스, 어윈(1924년)."Versuche über Prüfung 폰 Isolatoren mit Spanningsstößen 다이"[Insulators의 시험에 관한 실험적 연구 고등 전압 지갑을 사용하여].Elektrotechnische Zeitschrift(독일어로).25:652–654.ISSN 0424-0200.OCLC 5797229..이 참조는 용의자:1924년과 볼륨 25과 일치하지 않습니다. 가장 해 1924년 볼륨 45에 해당합니다;볼륨 25도 마르크스에 대한 초길 것이다.볼커 바이스는 1925년과 45권도 틀릴 것이라고 말했다.Electrical World https://books.google.com/books?id=o3FEAQAAIAAJ&hl=en는 마르크스의 플래시 오버 테스트 기사가 1925년 6월 11일임을 시사합니다.
  2. ^ 전형적인 설명;예를 들어,http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/marx/index.html;문제는 더 복잡하다.또 다른 사이트 inductors 대신 저항기:http://hibp.ecse.rpi.edu/~leij/febetron/marx.html충전을 사용한다.
  3. ^ E.Kuffel, W.S.Zaengl, J.Kuffel 높은 전압 공학:기초 Newnes, 2000년 아이 에스비엔 0-7506-3634-3, 페이지 6370.
  4. ^ Fauster, T.; Schlossnikl, D.; Rath, F.; Ostermeier, R.; Teufel, F.; Toepfl, S.; Jaeger, H. (October 2018). "Impact of pulsed electric field (PEF) pretreatment on process performance of industrial French fries production". Journal of Food Engineering. 235: 16–22. doi:10.1016/j.jfoodeng.2018.04.023.

추가 정보

  • 바우어, G.(1968년 6월)"A저임피던스고 있는 고강도 나노초 펄서"면 필기장 과학 기기의, 런던, 영국. 제1권,를 대신하여 서명함. 688–689.
  • 그레이엄(알.(1997년)"콤팩트 400kV마르크스는 발전기 커먼으로 전환 주택으로", 펄스 전원 회의 11회 다이제스트 기술 현황, 2,를 대신하여 서명함 vol.. 1519–1523.
  • 네스 R에 알.(1991년)"Compact, Megavolt, Rep-Rated 마르크스 업자", 전자 기기에 IEEETransactions이,. 803–809 38,4를 대신하여 서명함 vol..
  • 오바라, M.(6월 3–5, 1980년)"Strip-Line Multichannel-Surface-Spark-Gap-Type 마르크스는 발전기 빠른 유량 Lasers에", IEEE회의 기록 1980년 14조 펄스 파워-공간 공동 학술 대회,를 대신하여 서명함. 201–208.
  • Shkaruba(알.(May–June 1985년)"Arkad'ev-Mark 발전기 정전식 커플링과 함께", Instrum Exp테크 vol. 28일 3위, 2부를 대신하여 서명함. 625–628, XP002080293.
  • Sumerville, 나. C(6월 11–24, 1989년)"심플 Compact1MV, 4킬로줄 마르크스", 특성 전원 회의 회보, 몬트레이, 캘리포니아 Jim.7,를 대신하여 서명함. 744–746, XP000138799.
  • 턴 불, S.M.(1998년)"고등 전압, 펄스 반복 주파수 PFN 마르크스 생성기의 개발", 회의 기록은 1998년 23일 국제 전력 변조 심포지엄, 니코틴산. 213–16.

외부 링크

  • "마르크스는 발전기".Ecse.rpi.edu.(교육. Febetron 2020년 펄서는 가 RPI대 플라스마 역학 연구소 내에 실험했다 설명한다).
  • Jochen Kronjaeger,""Marx generator".Jochen의 하이 볼티지 페이지, 2003년.
  • 짐 럭스,"마르크스 업자는 승객을 머신에 2014-11-29 Archived", 고등 전압 전 귀족 명감, 31998년 5월.
  • "그을 신겨& 더러운 '마르크스는 발전기".Mike's Electric Stuff, 2003년 5월