El factor de pérdida de carga ( LLF ) es un factor que cuando se multiplica por la energía perdida en el momento del pico y el número de períodos de carga dará la pérdida de energía promedio general.
Se calcula como la relación entre la pérdida de carga promedio y la pérdida de carga máxima.
Para los servicios de electricidad , espere alrededor de 0.03. [1] En los días en que las computadoras eran poco comunes, las estimaciones se derivaban del Factor de carga utilizando una fórmula empírica .
Un generador de Marx es un circuito eléctrico descrito por primera vez por Erwin Otto Marx en 1924. [1] Su propósito es generar un pulso de alto voltaje a partir de un suministro de CC de bajo voltaje. Los generadores de Marx se utilizan en experimentos de física de alta energía, así como para simular los efectos de los rayos en los equipos de línea eléctrica y los equipos de aviación. Un banco de 36 generadores de Marx es utilizado por Sandia National Laboratories para generar rayos X en su Máquina Z .
Principio de funcionamiento [ editar ]
El circuito genera un pulso de alto voltaje al cargar varios condensadores en paralelo y luego los conecta en serie de repente. Ver el circuito de arriba. Al principio, n condensadores ( C ) se cargan en paralelo a un voltaje V C mediante una fuente de alimentación de CC de alto voltaje a través de las resistencias ( R C ). Los espacios de chispa utilizados como interruptores tienen el voltaje V C a través de ellos, pero los espacios tienen un voltaje de ruptura mayor que V C, por lo que todos se comportan como circuitos abiertos mientras se cargan los condensadores. El último espacio aísla la salida del generador de la carga; sin ese espacio, la carga evitaría que los condensadores se carguen. Para crear el pulso de salida, la primera brecha de chispa se rompe (se dispara); la ruptura efectivamente corta el espacio, colocando los dos primeros condensadores en serie, aplicando un voltaje de aproximadamente 2 V C a través del segundo espacio de chispa. [2] En consecuencia, el segundo espacio se rompe para agregar el tercer condensador a la "pila", y el proceso continúa rompiendo secuencialmente todos los espacios. Este proceso de los espacios de chispa que conectan los condensadores en serie para crear el alto voltaje se llama erección. El último espacio conecta la salida de la serie "pila" de condensadores a la carga. Idealmente, el voltaje de salida será nV C , el número de condensadores multiplicado por el voltaje de carga, pero en la práctica el valor es menor. Tenga en cuenta que ninguna de las resistencias de carga R c está sujeta a más de la tensión de carga, incluso cuando los condensadores se han erigido. La carga disponible está limitada a la carga de los condensadores, por lo que la salida es un breve impulso a medida que los condensadores se descargan a través de la carga. En algún momento, los espacios de chispa dejan de conducir, y el suministro de alto voltaje comienza a cargar los condensadores nuevamente.
El principio de la multiplicación de tensión mediante el cobro de condensadores en paralelo y descargándolas en serie también se utiliza en el multiplicador de tensión de circuito, que se utiliza para producir altos voltajes para impresoras láser y tubo de rayos catódicos aparatos de televisión , que tiene similitudes con este circuito. La diferencia es que el multiplicador de voltaje se alimenta con corriente alterna y produce un voltaje de salida de CC constante, mientras que el generador de Marx produce un pulso.
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Optimización [ editar ]
El rendimiento adecuado depende de la selección del condensador y el momento de la descarga. Los tiempos de conmutación pueden mejorarse dopando los electrodos con isótopos radiactivos de cesio 137 o níquel 63, y orientando los espacios de chispa de modo que la luz ultravioleta de un interruptor de espacio de chispa ilumine los espacios de chispa abiertos restantes. [3] El aislamiento de los altos voltajes producidos a menudo se logra sumergiendo el generador Marx en aceite de transformador o en un gas dieléctrico de alta presión como el hexafluoruro de azufre (SF 6 ).
Tenga en cuenta que cuanto menor resistencia haya entre el capacitor y la fuente de alimentación de carga, más rápido se cargará. Por lo tanto, en este diseño, los que están más cerca de la fuente de alimentación se cargarán más rápido que los que están más lejos. Si se permite que el generador se cargue el tiempo suficiente, todos los condensadores alcanzarán el mismo voltaje.
En el caso ideal, el cierre del interruptor más cercano a la fuente de alimentación de carga aplica un voltaje de 2 V al segundo interruptor. Este interruptor se cerrará, aplicando un voltaje de 3 V al tercer interruptor. Este interruptor se cerrará, dando como resultado una cascada en el generador que produce nV en la salida del generador (nuevamente, solo en el caso ideal).
Se puede permitir que el primer interruptor se descomponga espontáneamente (a veces llamado autodestrucción ) durante la carga si la sincronización absoluta del pulso de salida no es importante. Sin embargo, generalmente se dispara intencionalmente una vez que todos los condensadores en el banco de Marx han alcanzado la carga completa, ya sea reduciendo la distancia de separación, pulsando un electrodo de activación adicional (como un Trigatron ), ionizando el aire en la separación utilizando un impulso láser , o reduciendo la presión de aire dentro del espacio.
Las resistencias de carga, Rc, deben dimensionarse adecuadamente tanto para cargar como para descargar. A veces se reemplazan con inductores para mejorar la eficiencia y una carga más rápida. En muchos generadores, las resistencias están hechas de tubos de plástico o vidrio llenos de una solución diluida de sulfato de cobre . Estas resistencias líquidas resuelven muchos de los problemas experimentados por los materiales resistivos sólidos más convencionales, que tienden a disminuir su resistencia con el tiempo en condiciones de alto voltaje.
Pulsos cortos [ editar ]
El generador Marx también se utiliza para generar pulsos cortos de alta potencia para las células de Pockels , accionando un láser TEA , encendido del explosivo convencional de un arma nuclear y pulsos de radar.
La brevedad es relativa, ya que el tiempo de conmutación de incluso las versiones de alta velocidad no es inferior a 1 ns, por lo que muchos dispositivos electrónicos de baja potencia son más rápidos. En el diseño de circuitos de alta velocidad, la electrodinámica es importante, y el generador de Marx lo admite en la medida en que utiliza cables cortos y gruesos entre sus componentes, pero el diseño es esencialmente electrostático. (En términos electrodinámicos, cuando la primera etapa se descompone, crea una onda electromagnética esférica cuyo vector de campo eléctrico se opone al alto voltaje estático. Este campo electromagnético en movimiento tiene la orientación incorrecta para activar la siguiente etapa, e incluso puede alcanzar la carga; dicho ruido delante del borde no es deseable en muchas aplicaciones de conmutación. Si el generador está dentro de un tubo de (digamos) 1 m de diámetro, requiere alrededor de 10 reflexiones de onda para que el campo se asiente en condiciones estáticas, lo que restringe el ancho del borde delantero del pulso a 30 ns o más. Los dispositivos más pequeños son, por supuesto, más rápidos.) Cuando se rompe el primer espacio, la teoría electrostática pura predice que el voltaje en todas las etapas aumenta. Sin embargo, las etapas están acopladas capacitivamente a tierra y en serie entre sí, y por lo tanto cada etapa encuentra un aumento de voltaje que es cada vez más débil cuanto más lejos está la etapa de la conmutación; la etapa adyacente a la de conmutación, por lo tanto, encuentra el mayor aumento de voltaje y, por lo tanto, cambia a su vez. A medida que cambian más etapas, el aumento de voltaje al resto aumenta, lo que acelera su funcionamiento. Por lo tanto, un aumento de voltaje alimentado en la primera etapa se amplifica y aumenta al mismo tiempo. que restringe el ancho del pulso del borde de ataque a 30 ns o más. Los dispositivos más pequeños son, por supuesto, más rápidos.) Cuando se rompe el primer espacio, la teoría electrostática pura predice que el voltaje en todas las etapas aumenta. Sin embargo, las etapas están acopladas capacitivamente a tierra y en serie entre sí, y por lo tanto cada etapa encuentra un aumento de voltaje que es cada vez más débil cuanto más lejos está la etapa de la conmutación; la etapa adyacente a la de conmutación, por lo tanto, encuentra el mayor aumento de voltaje y, por lo tanto, cambia a su vez. A medida que cambian más etapas, el aumento de voltaje al resto aumenta, lo que acelera su funcionamiento. Por lo tanto, un aumento de voltaje alimentado en la primera etapa se amplifica y aumenta al mismo tiempo. que restringe el ancho del pulso del borde de ataque a 30 ns o más. Los dispositivos más pequeños son, por supuesto, más rápidos.) Cuando se rompe el primer espacio, la teoría electrostática pura predice que el voltaje en todas las etapas aumenta. Sin embargo, las etapas están acopladas capacitivamente a tierra y en serie entre sí, y por lo tanto cada etapa encuentra un aumento de voltaje que es cada vez más débil cuanto más lejos está la etapa de la conmutación; la etapa adyacente a la de conmutación, por lo tanto, encuentra el mayor aumento de voltaje y, por lo tanto, cambia a su vez. A medida que cambian más etapas, el aumento de voltaje al resto aumenta, lo que acelera su funcionamiento. Por lo tanto, un aumento de voltaje alimentado en la primera etapa se amplifica y aumenta al mismo tiempo. La pura teoría electrostática predice que el voltaje en todas las etapas aumenta. Sin embargo, las etapas están acopladas capacitivamente a tierra y en serie entre sí, y por lo tanto cada etapa encuentra un aumento de voltaje que es cada vez más débil cuanto más lejos está la etapa de la conmutación; la etapa adyacente a la de conmutación, por lo tanto, encuentra el mayor aumento de voltaje y, por lo tanto, cambia a su vez. A medida que cambian más etapas, el aumento de voltaje al resto aumenta, lo que acelera su funcionamiento. Por lo tanto, un aumento de voltaje alimentado en la primera etapa se amplifica y aumenta al mismo tiempo. La pura teoría electrostática predice que el voltaje en todas las etapas aumenta. Sin embargo, las etapas están acopladas capacitivamente a tierra y en serie entre sí, y por lo tanto cada etapa encuentra un aumento de voltaje que es cada vez más débil cuanto más lejos está la etapa de la conmutación; la etapa adyacente a la de conmutación, por lo tanto, encuentra el mayor aumento de voltaje y, por lo tanto, cambia a su vez. A medida que cambian más etapas, el aumento de voltaje al resto aumenta, lo que acelera su funcionamiento. Por lo tanto, un aumento de voltaje alimentado en la primera etapa se amplifica y aumenta al mismo tiempo. la etapa adyacente a la de conmutación, por lo tanto, encuentra el mayor aumento de voltaje y, por lo tanto, cambia a su vez. A medida que cambian más etapas, el aumento de voltaje al resto aumenta, lo que acelera su funcionamiento. Por lo tanto, un aumento de voltaje alimentado en la primera etapa se amplifica y aumenta al mismo tiempo. la etapa adyacente a la de conmutación, por lo tanto, encuentra el mayor aumento de voltaje y, por lo tanto, cambia a su vez. A medida que cambian más etapas, el aumento de voltaje al resto aumenta, lo que acelera su funcionamiento. Por lo tanto, un aumento de voltaje alimentado en la primera etapa se amplifica y aumenta al mismo tiempo.
La velocidad de un interruptor está determinada por la velocidad de los portadores de carga, que aumenta con mayor voltaje, y por la corriente disponible para cargar la inevitable capacidad parasitaria. En dispositivos de avalancha de estado sólido, un alto voltaje conduce automáticamente a una alta corriente. Debido a que el alto voltaje se aplica solo por un corto tiempo, los interruptores de estado sólido no se calentarán en exceso. Como compensación por los voltajes más altos encontrados, las etapas posteriores también tienen que llevar una carga más baja. La refrigeración por etapas y la recarga de condensadores también funcionan bien juntas.
Variantes de escenario [ editar ]
Los diodos de avalancha pueden reemplazar un espacio de chispa para voltajes de etapa de menos de 500 voltios. Los portadores de carga abandonan fácilmente los electrodos, por lo que no se necesita ionización adicional y el jitter es bajo. Los diodos también tienen una vida útil más larga que las chispas. [ cita requerida ]
Un dispositivo de conmutación rápido es un transistor de avalancha NPNequipado con una bobina entre la base y el emisor. El transistor se apaga inicialmente y existen alrededor de 300 voltios a través de su unión colector-base. Este voltaje es lo suficientemente alto como para que un portador de carga en esta región pueda crear más portadores por ionización de impacto, pero la probabilidad es demasiado baja para formar una avalancha adecuada; en cambio, fluye una corriente de fuga algo ruidosa. Cuando la etapa anterior cambia, la unión base-emisor se empuja hacia adelante y la unión base-colector entra en modo avalancha completa, por lo que los portadores de carga inyectados en la región base-colector se multiplican en una reacción en cadena. Una vez que el generador de Marx se ha disparado por completo, los voltajes en todas partes caen, cada avalancha de interruptores se detiene, su bobina coincidente pone su unión base-emisor en polarización inversa,
Aplicaciones [ editar ]
Una aplicación es la llamada conmutación de vagones de una celda Pockels . Se utilizan cuatro generadores de Marx, cada uno de los dos electrodos de la celda de Pockels está conectado a un generador de pulso positivo y un generador de pulso negativo. Primero se disparan dos generadores de polaridad opuesta, uno en cada electrodo, para cargar la celda de Pockels en una polaridad. Esto también cargará parcialmente los otros dos generadores, pero no los activará, ya que solo se han cargado parcialmente de antemano. La fuga a través de las resistencias de Marx debe ser compensada por una pequeña corriente de polarización a través del generador. En el borde posterior del vagón, los otros dos generadores se disparan para "revertir" la celda.
Los generadores de Marx se utilizan para proporcionar pulsos de alto voltaje para la prueba de aislamiento de aparatos eléctricos tales como grandes transformadores de potencia o aislantes utilizados para soportar líneas de transmisión de potencia. Los voltajes aplicados pueden exceder los dos millones de voltios para aparatos de alto voltaje.
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