Impulsgenerator (Energietechnik)

Impulsgenerator Shiva Star am LANL

Ein Impulsgenerator ist ein elektrotechnisches Gerät, welches über einen längeren Zeitraum eine bestimmte Menge an elektrische Energie zunächst speichert und diese Energiemenge nachfolgend in sehr kurzer Zeit („schlagartig“) abgegeben kann.

Durch die kurze Zeit der Energieabgabe, üblich sind Zeitspannen von einigen Nanosekunden bis zu wenigen Mikrosekunden, treten sehr hohe Momentanleistungen auf. Bei großen Impulsgeneratoren sind Spitzenleistungen bis zu einem Terawatt möglich. Charakteristisch sind elektrische Spannungen bis einige 100 Kilovolt und Ströme bis zu einigen Megaampere.

Anwendungen

Technische Anwendungen von Impulsgeneratoren sind unter anderem die Versorgung von Senderöhren wie dem Klystron oder dem Magnetron für gepulste Radargeräte, für gepulste Laser (Gaslaser, Pump-Laserdioden oder Blitzröhren für Festkörperlaser), für Röntgenröhren und bei industriellen Fertigungsmethoden wie der Magnetumformung, dem elektromagnetischen Impulsschweißen und dem Hydrosparkverfahren[1]. Militärische Anwendungen sind zum Beispiel die Speisung eines Vircators zur elektronischen Kampfführung.

Wissenschaftliche Anwendungen sind zum Beispiel die Kernfusion und die Erzeugung starker Magnetfelder.

Kleinere Impulsgeneratoren werden bei elektromagnetischen Prüfungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit und in Hochspannungslabors zum Beispiel bei Untersuchungen zum Blitzschutz als Prüfgenerator eingesetzt.

Impulsgeneratoren können je nach Bauart und Prinzip manchmal nur einen einzigen Impuls abgeben, wie beispielsweise der Flusskompressionsgenerator, da sie bei der Impulserzeugung zerstört werden.

Aufbau

Der Aufbau von Impulsgeneratoren ist sehr unterschiedlich je nach den Größenordnungen der Impulsdauer und der Spitzenleistung. Gemeinsam ist den meisten Geräten, dass sie konzentrierte Bauelemente wie Kondensatoren und/oder Spulen oder den kapazitiven bzw. induktiven Belag einer elektrischen Leitung nutzen. Die Modellierung der Vorgänge erfolgt im Rahmen der Leitungstheorie. Es gibt auch Geräte mit mechanischer Energiequelle, z. B. den Flusskompressionsgenerator und den sogenannten Compulsator.

Ein weiteres Charakteristikum von Impulsgeneratoren sind schnelle, leistungsstarke elektrische Schalter. Das können zum Beispiel mechanische Schalter, Thyristoren, Thyratrons, MOSFET, Elektronenröhren oder insbesondere Schaltfunkenstrecken sein. Typisches Beispiel für letztere ist der Marx-Generator.

Oft dient ein Pulsformungsnetzwerk (PFN) aus Kondensatoren und Spulen oder einem Leitungskreis dazu, die Pulsdauer zu verkürzen oder die Leistung zu steigern.

Pulsgenerator aus Leitungskreisen

Die Beschreibung der elektrischen Vorgänge liefert die Leitungstheorie. Bei kleineren Leistungen lassen sich Impulsgeneratoren auch nur mit einem Stück Koaxialkabel realisieren[2], typisch sind jedoch Streifenleitungen.

Einfache Pulsformerstufe mit einer Leitung

Das vereinfachte Funktionsprinzip einer Impulsformerstufe in Form einer elektrischen Leitung mit der Länge D ist in nebenstehender Skizze dargestellt. Über eine Gleichspannungsquelle, mit einem Innenwiderstand RS deutlich größer als der Leitungswellenwiderstand Z0, wird die Leitung bei geöffneten Schalter zunächst über einen längeren Zeitraum auf die konstante Gleichspannung der Gleichspannungsquelle aufgeladen. Zum Entladezeitpunkt wird der Schalter geschlossen, die in der Leitung gespeicherte Energie wird an den impedanzmäßig an die Leitungsimpedanz angepassten Lastwiderstand RL abgegeben. Dabei wird nicht unmittelbar die komplette Energie der Leitung umgesetzt, es kommt durch die Begrenzung der Ausbreitungsgeschwindigkeit zu einem Effekt der Wellenausbreitung entlang der Leitung: Dabei bricht unmittelbar am Lastwiderstand RL die Gleichspannung auf die Hälfte der Gleichspannungsquelle, dies folgt aus dem Umstand, dass der Lastwiderstand an die Leitungsimpedanz angepasst ist. Dieser als Welle beschreibbare Einbruch der Spannung pflanzt sich mit ca. der halben Lichtgeschwindigkeit in Richtung des Speisepunktes aus, die konkrete Geschwindigkeit hängt unter anderem von der Gestaltung der Leitung und dem Verkürzungsfaktor VKF ab, wird am Ende reflektiert und läuft dann bis zur vollständigen Entladung der Leitung bis zum Lastwiderstand RL. Die Dauer T des Impulses am Lastwiderstand RL hängt von der Laufzeit der Welle entlang der Leitung ab und beträgt:

mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit und dem Verkürzungsfaktor VKF.

Prinzipaufbau eines Blumlein-Impulsgenerators

Nachteilig an dieser Bauform eines Impulsgenerators ist, dass am Lastwiderstand RL nur die halbe Spannung der Gleichspannungsquelle zur Verfügung steht. Diesen Nachteil vermeidet der Blumleingenerator, benannt nach Alan Blumlein und wie in nebenstehender Skizze vereinfacht dargestellt.[3] Beim Blumleingenerator befindet sich der Lastwiderstand RL in der Mitte der Leitung, die Leitung ist in der Summe doppelt so lang wie bei einem einfachen Impulsgenerator. Der Lastwiderstand RL muss die doppelte Impedanz der Leitung aufweisen, ist also nicht auf die Leitung abgeglichen. Durch diesen bewussten Fehlabgleich kommt es bei der einlaufenden Welle, ausgelöst durch Kurzschluss der Gleichspannungsquelle, zu einer Reflexion und zu einer Transmission der Welle mit jeweils halber Amplitude. Dies führt an den Anschlüssen des Lastwiderstandes zu einer positiven und betragsmäßig gleich großen negativen Spannung für die Dauer des Impulses. Damit liegt am Lastwiderstand während des Impulses die volle Spannung an. Nachteilig am Blumlein-Impulsgenerator ist der doppelt so hohe Aufwand durch die zusätzliche Leitungslänge.

Einer der weltweit größten Impulsgeneratoren nach dem Blumlein-Prinzip ist der Shiva Star am Los Alamos National Laboratory. Er dient unter anderem als Impulsquelle für Fusionsexperimente und zur militärischen Forschung. Die in den Kondensatoren gespeicherte Energie beträgt 10 MJ, die Spannung bei Entladung erreicht über 100 kV am Lastwiderstand bei Impulsströmen von rund 10 MA. Die Leistung erreicht wenige Mikrosekunden etwa 1 TW.[4]

Weitere Bauformen

Beispiele für Impulsgeneratoren:

  • beim Marx-Generator werden Kondensatoren parallel an einer Gleichspannungsquelle geladen und durch Funkenstrecken schlagartig in Reihe geschaltet.
  • bei der Zündspule wird die Energie in deren Magnetfeld gespeichert und (klassisch) mit einem mechanischen Schalter (Unterbrecher) freigegeben
  • beim Weidezaungerät oder auch bei manchen Hochspannungs-Prüfgeneratoren und Zündanlagen wird ein Kondensator in einen Transformator entladen
  • Hochspannungspulse zum Betrieb von Pockelszellen werden durch in Reihe geschaltete MOSFET aus einer Gleichspannungsquelle erzeugt[5]
  • Impulse zur Magnetumformung, beim Hydrosparkverfahren und im Hochfeld-Magnetlabor Dresden werden durch Entladen von Hochspannungskondensatoren (10…40 kV) erzeugt

Literatur

  • Gennady A. Mesyats: Pulsed Power. Springer Science & Business Media, 2007, ISBN 978-0-306-48654-8.

Einzelnachweise

  1. W. König: „Fertigungsverfahren: Blechbearbeitung“; Springer-Verlag 2013 - 270 Seiten; Seite 53
  2. Klaus Wille: Vorlesung Elektronik, Kapitel 4: Leitungen. Archiviert vom Original am 24. Januar 2014; abgerufen am 5. März 2015.
  3. Patent GB589127: Improvements in or relating to apparatus for generating electrical impulses. Angemeldet am 10. Oktober 1941, veröffentlicht am 12. Juni 1947, Anmelder: Alan Dower Blumlein.
  4. Fritz Herlach, Noboru Miura: High Magnetic Fields, Science and Technology. Theory and Experiments II. Band 3. World Scientific, 2006, ISBN 978-981-277-488-0, S. 243.
  5. Patent US8536929B2: High voltage switch with adjustable current. Angemeldet am 26. Juli 2011, veröffentlicht am 17. September 2013, Erfinder: Thorald Horst Bergmann.

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Shiva star.jpg
Research into the military applications of high-energy pulsed power systems is conducted in the 34,261-square-foot Air Force Research Laboratory’s Directed Energy Directorate, High Power Systems Facility. The facility houses Shiva Star, the Air Force’s largest pulsed-power system. Shiva Star stores nearly 10 million joules of energy (equal to 5 pounds of TNT). It produces a pulse of 120,000 volts and 10 million amps in one-millionth of a second to produce a power flow equivalent to a terawatt. Shiva Star has evolved from a 1 megajoule system in 1975, a 2 megajoule system in 1979, to its final form as a 10 megajoule system in 1982. Shiva Star has been used over the years for many different types of experiments such as pulse compression to increase energy in the pulse, plasma liner implosion for production of x-rays, solid liner implosions to compress matter to high density and pressure, compact toroids for generating high-energy plasmas, and simulation of explosive pulsed-power generators.
Blumlein transmission line animation.gif
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Animated diagram showing the operation of a Blumlein transmission line pulse generator, an electrical circuit which produces very short current pulses, used in pulsed power devices such as lasers, particle accelerators, and high voltage insulation testers. The advantage of the Blumlein circuit is that its output voltage is equal to the power supply voltage V, while a simple charged transmission line generator (shown in companion file File:Charge line animation.gif) has an output of V/2. The Blumlein consists of two transmission lines in series with the load ZL between them. The lines are charged by a high voltage DC power supply attached to one end (left). A switch short-circuits the line at the power supply end, creating a voltage step which travels toward the load. Since the load ZL is twice the characteristic impedance of the line Z0 the step is half reflected and half transmitted, creating two symmetrical opposite polarity voltage steps which propagate away from the load, leaving between them a voltage drop across the load of V/2 - (-V/2) = V. The voltage steps reflect from the ends of the line and return, ending the voltage pulse across the load. The duration of the output pulse is 2D/c, where D is the length of each transmission line and c is the velocity of the pulse on the transmission line.
Charge line animation.gif
Autor/Urheber: Chetvorno, Lizenz: CC0
Animated diagram illustrating the operation of a charge line generator, a transmission line circuit for generating ultrashort nanosecond pulses of electricity. It consists of a length of transmission line D connected at one end to a DC voltage source V (left) through a resistance Rs which is very large compared to "Z"0 the characteristic impedance of the transmission line, and at the other end through a switch to a resistive load RL which is matched to the characteristic impedance Z0. When the power supply is connected it will charge up the capacitance of the transmission line to voltage V. Then when the switch is closed, the charged transmission line will be discharged through the load in a precise pulse of duration T = 2D/c, where c is the propagation velocity in the transmission line.