エレクトロニクスでは、サージは非常に重要なことであり、すべての回路設計者にとって悪夢です。これらのサージは一般にインパルスと呼ばれ、高電圧として定義できます。通常、数kVで、短時間存在します。インパルス電圧の特性は、高いまたは低い立ち下がり時間とそれに続く非常に長い電圧の立ち上がり時間で確認できます。雷は、インパルス電圧を引き起こす自然な原因の例です。このインパルス電圧は電気機器に深刻な損傷を与える可能性があるため、インパルス電圧に対して動作するようにデバイスをテストすることが重要です。ここで、制御されたテストセットアップで高電圧または高電流サージを生成するインパルス電圧ジェネレータを使用します。この記事では、インパルス電圧発生器の動作と応用。それでは、始めましょう。
前に述べたように、インパルスジェネレータは非常に高い電圧または非常に高い電流でこの短時間のサージを生成します。したがって、インパルス発生器には、インパルス電圧発生器とインパルス電流発生器の2種類があります。ただし、この記事では、インパルス電圧発生器について説明します。
インパルス電圧波形
インパルス電圧をよりよく理解するために、インパルス電圧の波形を見てみましょう。下の画像では、高電圧インパルス波形の単一のピークが示されています
ご覧のとおり、波は2 uS以内に最大100％のピークに達しています。これは非常に高速ですが、高電圧はほぼ40uSのスパンでその強度を失っています。したがって、パルスの立ち上がり時間は非常に短いか速いのに対し、立ち下がり時間は非常に遅いか長いです。パルスの持続時間はウェーブテールと呼ばれ、3回目のタイムスタンプts3とts0の差によって定義されます。
シングルステージインパルスジェネレータ
インパルスジェネレータの動作を理解するために、以下に示す単段インパルスジェネレータの回路図を見てみましょう。
上記の回路は、2つのコンデンサと2つの抵抗で構成されています。スパークギャップ（G）は、電気スパークが発生する2つの電極間の電気的に絶縁されたギャップです。上の画像には高電圧電源も示されています。任意のインパルス発生回路は、負荷によって適切な電圧レベルに充電した後、排出された少なくとも1つの大きなコンデンサを必要とします。上記の回路では、CSは充電コンデンサです。これは、通常2kV定格を超える高電圧コンデンサです（必要な出力電圧によって異なります）。コンデンサCBは、充電コンデンサを放電する負荷容量です。抵抗とRDとREが波形を制御します。
上記の画像を注意深く観察すると、Gまたはスパークギャップに電気的接続がないことがわかります。では、負荷容量はどのようにして高電圧を得るのでしょうか？これがトリックであり、これにより、上記の回路はインパルスジェネレータとして機能します。コンデンサの充電電圧がスパークギャップを越えるのに十分になるまで、コンデンサは充電されます。スパークギャップと高電圧の両端に発生する電気インパルスは、スパークギャップの左側の電極端子から右側の電極端子に伝達され、接続された回路になります。
回路の応答時間は、2つの電極間の距離を変えるか、コンデンサの完全に充電された電圧を変えることによって制御できます。電圧演算インパルス出力は、出力電圧波形を計算することによって行うことができます
V（T）=（E - αトン-電子- β T）
どこ、
α= 1 / R dはC B β= 1 / R E C Z
シングルステージインパルスジェネレータのデメリット
単段インパルス発生回路の主な欠点は、物理的なサイズです。高電圧定格に応じて、コンポーネントのサイズが大きくなります。また、高インパルス電圧の生成には、高DC電圧が必要です。そのため、単段インパルス電圧発生回路の場合、大型の直流電源を使用しても最適な効率を得ることが非常に困難になります。
ギャップ接続に使用される球体も非常に大きなサイズを必要としました。インパルス電圧の生成によって放出されるコロナは、抑制および再形成が非常に困難です。電極の寿命が短くなり、数サイクルの繰り返し後に交換が必要になります。
マルクスジェネレーター
Erwin Otto Marxは、1924年に多段インパルス発生回路を提供しました。この回路は、特に低電圧電源から高インパルス電圧を生成するために使用されます。多重化インパルスジェネレータの回路、または一般にマルクス回路と呼ばれる回路は、下の画像で見ることができます。
上記の回路は、充電抵抗器Ｒ１からＲ８による並列充電状態で高電圧源によって充電される４つのコンデンサ（ｎ個のコンデンサがあり得る）を使用する。
放電状態の間、充電状態の間は開回路であったスパークギャップがスイッチとして機能し、コンデンサバンクを通る直列経路を接続し、負荷の両端に非常に高いインパルス電圧を生成します。上の画像では、放電状態が紫色の線で示されています。最初のコンデンサの電圧は、スパークギャップを破壊してマルクスジェネレータ回路をアクティブにするために十分に超える必要があります。
これが発生すると、最初のスパークギャップが2つのコンデンサ（C1とC2）を接続します。したがって、最初のコンデンサの両端の電圧は、C1とC2の2つの電圧の2倍になります。続いて、3番目のスパークギャップの両端の電圧が十分に高く、3番目のコンデンサC3電圧がスタックに追加され始め、これが最後のコンデンサまで続くため、3番目のスパークギャップは自動的に破壊されます。最後に、最後の最後のスパークギャップに達すると、電圧は、スパークプラグ間のギャップが大きい負荷全体の最後のスパークギャップを壊すのに十分な大きさです。
最終ギャップの両端の最終出力電圧はnVC（nはコンデンサの数、VCはコンデンサの充電電圧）になりますが、これは理想的な回路に当てはまります。実際のシナリオでは、MarxImpulseジェネレータ回路の出力電圧は実際の望ましい値よりもはるかに低くなります。
ただし、これがないとコンデンサが完全に充電された状態にならないため、この最後のスパークポイントには大きなギャップが必要です。時々、放電は意図的に行われます。マルクスジェネレータのコンデンサバンクを放電する方法はいくつかあります。
マルクスジェネレータのコンデンサ放電技術：
追加のトリガー電極を パルスする： 追加のトリガー電極を パルスすることは、完全に充電された状態または特別な場合に、意図的にマルクスジェネレーターをトリガーする効果的な方法です。追加のトリガー電極はTrigatronと呼ばれます。Trigatronにはさまざまな形状とサイズがあり、さまざまな仕様で利用できます。
ギャップ内の空気の イオン化：イオン化された空気は、スパークギャップを伝導するのに有益な効果的な経路です。イオン化は、パルスレーザーを使用して行われます。
ギャップ内の空気圧 の低減：スパークギャップがチャンバー内に設計されている場合、空気圧の低減も効果的です。
マルクスジェネレーターのデメリット
長い充電時間：マルクスジェネレータは抵抗を使用してコンデンサを充電します。したがって、充電時間は長くなります。電源に近いコンデンサは、他のコンデンサよりも早く充電されます。これは、コンデンサと電源の間の抵抗が増加するため、距離が増加するためです。これは、マルクスジェネレーターユニットの大きな欠点です。
効率の低下：前述と同じ理由で、電流が抵抗を流れるため、マルクスジェネレータ回路の効率が低くなります。
スパークギャップの短い寿命：スパークギャップを介した放電の繰り返しサイクルは、時々交換する必要があるスパークギャップの電極の寿命を短くします。
充電と放電のサイクルの繰り返し時間：充電時間が長いため、インパルスジェネレータの繰り返し時間は非常に遅くなります。これは、マルクスジェネレータ回路のもう1つの大きな欠点です。
インパルス発生回路の応用
インパルス発生回路の主な用途は、高電圧デバイスのテストです。避雷器、ヒューズ、TVSダイオード、さまざまなタイプのサージプロテクタなどは、インパルス電圧発生器を使用してテストされます。試験分野だけでなく、インパルス発生器回路は、核物理学実験だけでなく、レーザー、核融合、プラズマ装置産業でも使用される重要な機器です。
マルクスジェネレーターは、電力線ギアや航空業界での雷の影響のシミュレーション目的で使用されます。X線およびZマシンでも使用されます。電子機器の絶縁試験などの他の用途も、インパルス発生回路を使用して試験されます。