۱۰>KJ
تبدیل مواد با پرتوی الکترونی
> چند وات-MW
۱۰۰MW-10KW
۱۰-۱۰۰
نانو ثانیه ها
چند ژول ۰.۱- MJ
بیو الکتریک
جدول(۱ـ۱): خلاصه ای از مشخصات پالس قدرت مورد نیاز برای کاربردهای داده شده
۱-۲ اصول کار
اصولاً منابع تغذیه را با توجه به نوع بار و یا شکل موج توان خروجی آنها به دو دسته تقسیم می کنند: منابع تغذیۀ پیوسته و منابع تغذیه پالسی. در منابع تغذیۀ پیوسته، بار بدون وقفه زمانی به منبع تغذیه وصل بوده و انرژی مورد نیاز خود را بصورت پیوسته و با یک توان نسبتاً ثابت و یا با تغییرات اندک، از منبع جذب می کند. بنابراین تفاوت عمده ای بین توان خروجی متوسط و لحظه ای این منابع اتفاق نخواهد افتاد. این منابع معمولاً دارای چگالی توان (میزان توان خروجی به ازای واحد حجم و یا وزن منبع) کوچکی هستند. ولی در منابع تغذیۀ پالسی، بار بطور دائم به منبع وصل نیست، بلکه در بازه های زمانی کوتاهی که معمولاً فاصلۀ بین آنها نسبت به طول بازه ها خیلی بزرگتر است، به آن متصل شده و انرژی زیادی را در این مدت زمان کوتاه از منبع می گیرد. بنابراین تفاوت زیادی بین توان خروجی لحظه ای و متوسط این منابع وجود خواهد داشت. همین امر باعث ایجاد تفاوت های اساسی در ساختار این منابع نسبت به منابع تغذیه پیوسته ایجاد شده است. به عنوان مثال اگر مبدل توان پالسی قادر به تأمین پالس های با عرض چندین میلی ثانیه و نرخ تکرار حداکثر یک هرتز و انرژی چندین کیلو ژول باشد. توان لحظه ای چنین منبعی در حدود چندین مگاوات خواهد بود، در حالی که توان متوسط آن چیزی در حدود چند کیلو وات خواهد بود. ویژگی دیگر این منابع، برخورداری از انرژی ذخیره بسیار بزرگتر نسبت به منابع تغذیۀ پیوسته است که امکان تأمین توان های لحظه ای بسیار بالا را در یک حجم و وزن بسیار کوچکتر نسبت به منابع تغذیۀ پیوسته فراهم می سازد. بلوک دیاگرام ساده ای از یک منبع تغذیه پالسی در شکل (۱-۱) نشان داده شده است. نحوۀ کار بدین ترتیب است که در فواصل زمانی بین پالس ها و یا وصل مجدد بار به آن، انرژی مورد نیاز در پالس بعدی را با بهره گرفتن از یک شارژر در عنصر و یا سیستم ذخیره کننده انرژی ذخیره می کند. سپس به محض وصل شدن بار و یا فرا رسیدن زمان پالس بعدی، انرژی ذخیره شده را به سرعت در بار تخلیه می کند. در ضمن فرایند تخلیۀ انرژی در بار، مدارات و یا المان های کنترل کنندۀ موجود باعث شکل گیری پالس ها مطابق با مشخصات مورد نیاز می شوند. با تکرار مجدد مراحل فوق، کار منبع ادامه می یابد.
شکل(۱-۱): بلوک دیاگرام ساده منبع تغذیه پالسی
فرایند شکل گیری پالس ها در منبع تغذیۀ پالسی را می توان به دو مرحله تقسیم نمود:
۱-ذخیره سازی انرژی
۲-تخلیه انرژی
بنابراین منابع تغذیۀ پالسی را می توان بعنوان یک تقویت کنندۀ توان در نظر گرفت که انرژی را با توان کمی از منبع انرژی اولیه جذب نموده و با توان زیادی آن را در اختیار بار قرار می دهد. ویژگی تکنولوژی توان پالسی، تمرکز انرژی هم در زمان و هم در فضا، در شکل پالس های با شدت بالا می باشد. ضربان انرژی، بازده توان را افزایش می دهد و کاربردهای جدیدی را که توسط منابع پیوسته و متداول انرژی امکان پذیر نیست، میسر می سازد.
بطور کلی پارامتر هایی که در انتخاب منابع تغذیۀ پالسی اهمیت دارند عبارتند از:
- قابلیت اطمینان در بوجود نیامدن خطا در سیستم
-چگالی وزنی و حجمی انرژی ذخیره شده
-انعطاف پذیری در تعیین و تغییر شکل پالس ها
-هزینه های تعمیر و نگهداری
-هزینۀ طراحی و ساخت
-مقدار پیک جریان مورد نیاز و عرض پالس جریان
۱-۳ اجزاء سیستم های قدرت پالسی
همانطور که قبلاً نیز اشاره شد، سیستم های قدرت پالسی از اجزاء مختلفی تشکیل می گردند که عبارتند از: منبع تغذیه[۶]، المان ذخیره کنندۀ انرژی[۷]، تجهیزات شکل دهندۀ پالس[۸]، کلید ها و بار الکتریکی.
۱-۳-۱ سیستم ذخیره ساز انرژی
انواع مختلفی از سیستم های ذخیره ی انرژی در سیستم قدرت پالسی بکار گرفته شده است که شامل ذخیره ساز انرژی خازنی، ذخیره ساز انرژی سلفی، ذخیره ساز انرژی جنبشی و ذخیره ساز انرژی شیمیایی می باشد و هر یک دارای مزایا و معایب خاص خود می باشند. در ذخیره ساز انرژی خازنی، یک خازن یا یک بانک خازنی متشکل از تعداد زیادی خازن، بعنوان ذخیره ساز انرژی مورد استفاده قرار می گیرد. خازن انرژی الکتریکی را به صورت میدان الکتریکی در دی الکتریک خود ذخیره می کند. از ویژگی های مفید این نوع ذخیره ساز ها، سهولت ذخیره سازی و تخلیه ی انرژی، شار مغناطیسی نشتی اندک و همچنین قدمت و کارایی عملی این منابع است. چگالی انرژی نسبتاً کم آنها، شاید تنها نقطه مشکل این نوع از ذخیره ساز ها باشد. ذخیره ساز سلفی، از میدان مغناطیسی برای ذخیره ی انرژی استفاده می کند. استفاده از نوع ذخیره ساز، با معایب های توأم می باشد. از جمله ی آنها می توان موارد زیر را برشمرد: مشکلات تکنولوژیکی موجود در شارژ و تخلیه ی انرژی سلف ها، شار مغناطیسی نشتی بزرگ مزیت های این نوع ذخیره سازها، برقرار نمودن جریان مورد نظر بدون توجه به ولتاژ مورد نیاز در بار و چگالی انرژی ذخیره شده ی به مراتب بیشتر آنها در مقایسه با خازن ها است. در ذخیره ساز انرژی جنبشی، انرژی موجود در حرکات خطی و چرخشی، در زمینه ی توان پالسی مورد استفاده قرار می گیرند. در ذخیره ساز انرژی شیمیایی، انرژی تولید شده بوسیله ی انفجار پودر هایی نظیر نیتروگلیسیرین و تری نیتروتولوئن (TNT) به انرژی جنبشی یا الکتریکی تبدیل می گردد. بطور کلی، سیستم های ذخیره ساز انرژی عمدتاً دارای ماهیت سلفی و یا خازنی هستند.
۱-۳-۲ سیستم های شکل دهنده پالس
سیستم های شکل دهنده پالس، به دو دسته ی عمده ی خطوط شکل دهنده پالس و شبکه های شکل دهنده پالس تقسیم می شوند. خط انتقال بلوملین، بهترین گزینه در خطوط شکل دهنده پالس بشمار می رود. برای پالس های با عرض بیش از sμ۱ از مدار هایی با عناصر گسسته و با سلف و خازن های بیشتر، به صورت شبکه های شکل دهی پالس استفاده می شود.
۱-۳-۳ کلیدها
کلیدزنی مطلوب با بهره گرفتن از کلید های مناسب در سیستم های پالسی، راندمان، قیمت و عملکرد عمومی سیستم را بهبود می بخشد. یک کلید خوب باید دارای ویژگی ها باشدکه عبارتند از: [۲]
مقاومت اهمی و افت ولتاژ کم
زمان کلیدزنی کوتاه
اندوکتانس داخلی کم
بی نیاز بودن به تنظیم برای استفادۀ مجدد
سبک و کم حجم
با توجه به نوع منبع تغذیه از نظر قدرت و عرض پالس، کلیدها دارای انواع مختلفی می باشند که برخی از آنها را در بخش های بعدی مورد بررسی قرار می دهیم.
۱-۳-۳-۱ کلیدهای با اتصال مایع[۹]
بعلت خواص اتصال مایع همچون داشتن چگالی جریان زیاد، سهولت حرکت مایع، ضریب انتقال حرارتی بهتر و نداشتن قوس و نداشتن سایش اتصال ها، این کلید ها در منابع تغذیه پالسی زیاد استفاده می شود.
۱-۳-۳-۲ کلیدهای اسپارک گپ[۱۰]
از خواص اسپارک گپ می توان توانایی تحمل عبور جریان زیاد و صعود سریع جریان را نام برد. این کلید ها دارای انواع زیر هستند:
تریگاترون[۱۱]
کاسکاد[۱۲]
اعوجاج میدان
UV تریگر[۱۳]
لیزر تریگر[۱۴]
کلید UV تریگر، دارای بازۀ عملکرد محدودی است. در حالیکه گپ لیزر تریگر می تواند بازۀ عملکرد قابل قبولی داشته باشد که تکنولوژی این نوع کلید، بسیار گرانتر از دیگر تکنولوژی های ساخت کلید می باشد.
تریگاترون بطور گسترده مورد استفاده قرار گرفته است و در صورتی که بنحو مناسب طراحی گردد، دارای قابلیت اطمینان خوبی است. این کلید می تواند با ولتاژ تحریک کوچکتری نسبت به دیگر انواع گپ مورد استفاده قرار گیرد. مشکل خوردگی در مورد این کلیدها یک مسئلۀ جدی است، زیرا تخلیه به یک ناحیۀ کوچک محدود می گردد. هنگامی که لازم است بانک های خازنی بزرگ در آزمایشات فیزیک پلاسما، بطور مطمئن کلیدزنی شوند، گپ کاسکاد بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرد و هنوز برای بسیاری از کاربرد ها مفید است؛ هر چند گپ کاسکاد نسبتاً پرحجم و گران است. گپ اعوجاج میدان برای بسیاری از کاربرد ها ترجیح داده می شود. بخاطر شعاع کوچک الکترود تحریک (تریگر)، این گپ نیاز به تحریک خارجی ندارد. میدان ناشی از الکترود نوک تیز، الکترون های اولیه مورد نیاز را فراهم می نماید. علاوه بر این، طول گپ و اندوکتانس آن حداقل می گردد. این نوع گپ که کلید سوزن- صفحه نیز نامیده می شود می تواند با هزینۀ کم و بسرعت ساخته شود[۳].
