4. 2. Многоступенчатый гин

Амплитуда импульса одноступенчатого ГИНа ограничена напряжением трансформатора. Для получения импульсов большей амплитуды применяют многоступенчатый ГИН. Впервые он был применен в 1914 г. Принцип работы многоступенчатого ГИНа основан на переключении заряженных емкостей из параллельного соединения в последовательное. Схема многоступенчатого (трехступенчатого, так как присутствуют три емкости C) ГИНа изображена на рис. 4.4.

Рис. 4.4. Схема многоступенчатого ГИНа: C– емкости;R – резистор;r_д– демпферные (успокоительные) резисторы

Многоступенчатый генератор, как и одноступенчатый, работает в два периода: заряд и разряд. Схема генератора в стадии заряда показана на рис. 4.5.

При зарядке конденсаторы С подключены параллельно к источнику напряжения через зарядные резисторы R (50 кОм). Напряжение на конденсаторах будет не одинаково из-за утечки через сопротивление изоляции конденсаторов. Резисторы R и R_из образуют делитель напряжения (см. рис. 4.5, б), поэтому суммарное напряжение будет равно 0,9nU₀, где n – число каскадов.

а б

Рис. 4.5. Схема генератора в стадии заряда: а – без учета сопротивления изоляции конденсаторов; б – с учетом сопротивления изоляции конденсаторов

Вторая стадия начинается, когда оператор сводит шары разрядников Р₁ и Р₂, происходит пробой воздушного промежутка между ними, начинается разряд последовательно включенных емкостей С через R_хв и одновременный заряд емкости С_ф через r_ф (рис. 4.6). В цепи разряда присутствую демпферные резисторы r_д (10–15 Ом), которые препятствуют образованию высокочастотных колебаний.

Рис. 4.6. Схема генератора в стадии разряда

С учетом демпферных резисторов выражения (4.9) и (4.11) примут вид:

, , (4.12)

где С_г = C/n – емкость генератора.

Максимальное напряжение на выходе ГИНа всегда несколько меньше суммы напряжений на конденсаторах:

, (4.13)

где k_исп = 0,9k₁k₂ – коэффициент использования генератора.

Коэффициент 0,9 учитывает снижение напряжения на конденсаторах по мере удаления от первой ступени во время заряда. Коэффициент использования схемы учитывает снижение напряжения за счет заряда емкости С_ф и падение напряжения на демпферных резисторах r_д:

(4.14)

Коэффициент использования волны k₂ учитывает снижение амплитуды волны за счет того, что напряжения С_г за время τ_ф снижается до U_m (см. рис. 4.2). Коэффициент использования лежит в пределах 0,72–0,75. Экспериментально коэффициент использования генератора определяется из следующей формулы:

, (4.15)

где U_вых – напряжение на выходе генератора.

4.3. Генератор постоянного напряжения

Рис. 4.7. Схема удвоения напряжения

Г
енератор постоянного напряжения вырабатывает высокое постоянное напряжение и предназначен для испытания изоляции. Для вырабатывания высокого постоянного напряжения используют схему удвоения напряжения (рис. 4.7).

Точка 1 заземлена, ее потенциал равен нулю. Потенциал точки 2 меняется по синусоиде от –U_m до +U_m (рис. 4.8). В промежуток времени от t₀ до t₁ вентиль V₁ открыт, происходит заряд емкости С₁, потенциал точки 2 меняется от 0 до –U_m . Потенциал точки 3 за время от t₀ до t₁ равен 0, так как вентиль V₁ открыт. После t₁ вентиль V₁ закрывается более высоким напряжением U₂₃ по сравнению с U₁₂. Напряжение на конденсаторе после t₁ равно U₂₃ = U_m, напряжение на трансформаторе растет от –U_m и становится равным 0 к моменту t₂.

После момента t₁, когда вентиль V₁ закрывается, точки 1 и 3 электрически расцепляются. Потенциал точки 3 равен сумме напряжений U₁₂ + U₂₃, т.е. напряжению на трансформаторе плюс напряжению на емкости С₁. В момент времени t₂ напряжение на трансформаторе равно нулю, емкость С₁ остается заряженной до U_m, поэтому φ₃ = U_m.

Рис. 4.8. Изменение напряжения в схеме удвоения напряжения

В течение времени от t₁ до t₂ вентиль V₂ открыт, поэтому φ₄ = φ₃, напряжение на емкости С₂ равно φ₄. После t₂ до момента t₃ потенциал точки 2 растет от 0 до U_m , напряжение на трансформаторе складывается с напряжением на емкости С₁ и к моменту t₃ потенциал точек 3 и 4 достигает величины +2U_m.

После t₃ потенциал точки 3 падает, так как уменьшается φ₂, вентиль V₂ закрывается, точки 3 и 4 электрически расцепляются и емкость С₂ медленно разряжается через нагрузку R_н. В момент t₄ потенциал точки 3 становится больше потенциала точки 4, вентиль V₂ открывается и происходит заряд емкости С₂. Емкость С₁ всегда заряжена в полярности, указанной на схеме (см. рис. 4.7), ее подзаряд происходит в промежутки времени, когда напряжение на трансформаторе меняется от 0 до –U_m.

Рис. 4.9. Схема каскадного генератора постоянного напряжения

Генератор постоянного напряжения состоит из нескольких схем удвоения напряжения, включенных каскадом (рис. 4.9). Первый каскад питается от трансформатора, второй – от первого, так как напряжение между точками 3 и 4 меняется по синусоиде от 0 до +2U_m. Напряжение на выходе каскадов суммируется, например три каскада дают на выходе 6U_m. Для уменьшения пульсации частоту повышают до 400 Гц.