12V-180kV: en ackumulatorn driv Marx Generator (och introduktion till elektronik) (3 / 7 steg)

Steg 3: Krets teori Primer

Nu, på min favorit del av el: kretsar!

Kretsar utnyttja de ovannämnda fysik begrepp för att utnyttja och manipulera el. Kretsar består av kretselement, diskreta komponenter varje utformad för att utföra en specifik funktion genom att manipulera el enligt vissa fysiska lag. En förståelse för hur tändsystemets delar fungerar hjälpmedel i analysen av komplicerade kretsar. Den grundläggande Marx Generator kretsen av sig själv endast kräver tre unika komponenter: motstånd, kondensatorer och sparkmellanrum. I syfte att tillhandahålla en lämplig introduktion till elektronik, skall jag dock införa flera andra viktiga komponenter också.

Motstånd: Emot strömmen. Resistorer lägga till motstånd, elektrisk analog av friktion, i en krets. Elektriska laster, som lampor, lägga till motstånd, eller impedans om reaktiva komponenter är inblandade, till en krets. Trådarna har en medfödd, materiell särskilda kvalitet kallas resistivitet och motståndet av en tråd kan beräknas som produkten av kabeln resistivitet och längd delat med dess tvärsnittsarea. Motståndet av en resistor, spänningen över en resistor, och nuvarande genom en resistor är alla kopplade av Ohms lag. Potentiometrar, reostater och trimmers är typer av variabla motstånd, som kan konfigureras till formuläret justerbara spänningsavdelare kretsar. Resistorer används för att begränsa strömmen eller spänningen i kretsar. I detta Instructable, kommer vi att använda motstånd för att bromsa laddning och urladdning av kondensatorer.

Kondensatorer: Lagra energi i ett elektriskt fält. Kondensatorer är ofta består av två parallella ledande plattorna som avgift ackumuleras när en spänning läggs. Mellan plattorna bildar dessa en enhetlig elektriskt fält med magnitud proportionell mot avgift ytors av plattorna. Som kostnad ackumuleras, det elektriska fältet, och således spänning, mellan plattorna ökar i storlek. När spänningen över kondensatorn är lika med Matningsspänning, upphör nuvarande att flöda. Minskar ytan på plattorna kommer att öka spänningen per enhet laddning och minska den högsta avgift ackumulationen därmed. På detta sätt produkten av spänning och laddning av en kondensator förblir konstant och definierar en inneboende kvalitet av varje kondensator kallas kapacitans, C. Den energi (i joule) lagras i det elektriska fältet av en kondensator vid varje ögonblick kan beräknas som 1/2CV ^ 2. Som en kondensator debiteras genom en resistor (en RC-krets), skillnaden mellan kondensatorn och utbudet minskar spänning och laddning saktar. Använda kalkyl, kan vi lösa ett första ordningens differentialekvation för strömmen genom RC krets med en stadig Matningsspänning som en funktion av tiden. Det visar de nuvarande minskar exponentiellt mot noll, med brantare minskning från mindre kapacitans och motstånd värden. Produkten av motståndet och kapacitans i en RC-krets kallas RC tidskonstanten. Kondensatorn oppositionen att sakta ändra strömmar (dvs låga frekvenser) är känd som dess reaktans, X. AC kretsar definierat reaktans föreningar motstånd att ge komplexa impedans Z, som summan av ortogonala motstånd och reaktans vektorer. Kort sagt, vid mycket höga frekvenser (närmar sig oändligheten), kondensatorer erbjuder ingen impedans och fungera som kortslutning. Vid mycket låga frekvenser (närmar sig 0; DC), kondensatorer erbjuder oändliga impedans och fungera som öppen kretsar. I detta Instructable, kommer vi att använda kondensatorer som primär energi Lagringselement.

Induktorer och transformatorer: Lagra energi i ett magnetfält. Induktorer är den magnetiska analogt av kondensatorer och spegla deras beteende. Induktorer är helt enkelt rullar av tråd, och som sådan tråd själv ställa ut icke-ideala parasitic inductance (jämväl, två kablar liggande intill kan ställa ut parasitiska kapacitans). Induktorer utnyttjar principerna för elektromagnetismen beskrivs i amperes lag, Faradays lag. Från amperes lag ger nuvarande löper genom en tråd ett magnetfält som omger tråd. Från Faradays lag inducerar ett växlande magnetfält (Magnetiskt flöde) genom en krets en ström som motverkar magnetfältet. Kombinera lagar, ser vi att magnetfälten från enskilda loopar i en induktor tjänar till att upprätthålla ström som passerar genom induktor. Detta karakteristiska problem av induktorer mäts som induktans, L. Den energi som lagras i det magnetiska fältet i en induktor när som helst kan beräknas som 1/2LI ^ 2. Som med kondensatorn, kan vi lösa ett första ordningens differentialekvation för strömmen genom RL kretsen (resistor-induktor krets) som en funktion av tiden. Finner vi att nuvarande gradvis närmar sig ett värde lika med V/R (spänningen dividerat med motstånd) enligt en exponentiell med en lutning som ökar med minskande induktans och motstånd värden, produkten som kallas tidskonstanten RL. När strömmen genom en induktor ändras, en emf (elektromotorisk kraft), spänning, framkallas över producerade induktor direkt mot den nuvarande som orsakade den. Omfattningen av emf produceras är proportionell mot både graden av förändring av strömmen genom induktor och inductancen av induktor. På detta sätt induktor motsätter sig snabbt föränderliga strömmar (dvs höga frekvenser), ger det en reaktans, X, som speglar det av kondensatorn. Kort sagt, vid mycket höga frekvenser (närmar sig oändligheten), kondensatorer erbjuder ingen impedans och fungera som kortslutning. Vid mycket låga frekvenser (närmar sig 0; DC), kondensatorer erbjuder oändliga impedans och fungera som öppen kretsar. Således är den induktor frekvensomfång inversen av kondensatorn. Induktiva reaktans vektorpunkterna i motsatt riktning mot kapacitiv reaktans vektorn. Det finns därför några frekvens där induktiva och kapacitiva reactances avbryta. Det är vid detta resonant frekvens att spänning och ström kommer att svänga i en induktiv-kapacitiv (LC), tank, cirkelträning som energi sloshes fram och tillbaka [på obestämd tid] mellan den induktor magnetfält och kondensatorn elektriska fält.

Två induktor spolar kan vara såret på kärna att bilda en transformator. En spole blir den primära lindningen av transformator och den andra blir den sekundära lindningen av transformator. De två lindningarna dela ömsesidig induktans, en magnetisk koppling eller koppling. När strömmen genom de primära slingrande förändringarna, det föränderliga magnetflödet genom primärt överförs till sekundärt via ferrite kärnar ur. Detta framkallar en ström i den sekundära som är proportionell mot strömmen i primärt. Förhållandet mellan vänder i den primära lindningen att vänder i sekundärlindningen bestämmer de relativa omfattningen av spänningar och strömmar i varje lindning. Sekundära spänningen är lika med primära spänningen dividerat med förhållandet. Sekundära nuvarande är lika med primärström multiplicerad med förhållandet. På detta sätt är makt inte skapas utan snarare bearbetas. Om förhållandet är större än 1:1, sekundära spänningen blir större och transformatorn anses en step-up transformator. Det reciproka värdet är sant för en transformator. Tänk på att de primära och sekundära slingrande beteckningarna är godtycklig; en transformator kan vändas för att få det omvända förhållandet. I detta Instructable, kommer vi att använda en transformator till step-up matningsspänningen.

Dioder: Tillåta nuvarande att flöda i endast en riktning. Halvledardioder består av en enda korsning av två dopade halvledande material. Den framåt bias spänningen (vanligtvis allt från 0,7-1.4V) är den potentiella skillnad krävs för ström att flyta genom en diod i riktning framåt. Den omvända bias spänningen (vanligtvis mycket högre än den framåt bias spänningen) är potentiella skillnaden som dioden kommer att bryta ner och låta nuvarande strömma i motsatt riktning (detta brukar betraktas som icke-ideala beteende, dock vid zenerdioder, den uppdelning som följer av omvänd bias utnyttjas för sin "avalanche" effekt). Negativ (katod) terminalen för en diod indikeras av ett band (se bild). Dioder är vanligt förekommande att rätta AC till DC med en fyra-diod-konfiguration kallas en full-wave likriktare eller diod brygga. I detta Instructable, kommer vi att använda dioder för att rätta AC i en Cockcroft – Walton spänning multiplikator krets.

Transistorer: Växla och förstärka nuvarande. Under andra halvan av 1900-talet, spridning av solid-state transistorer i elektronik gjorde föråldrade tidigare byta enheter, till exempel reläer och vakuumrör, och utlöste den digitala revolutionen. Det finns flera olika klasser av transistorer, de flesta följer en gemensam grundläggande struktur som består av tre stift: en bas (eller utfärda utegångsförbud för), collector (eller avlopp), och sändare (eller källa). Bipolära junction transistorer (Switch) består av två intilliggande halvledande föreningspunkter i NPN antingen PNP konfiguration. För en integrerade, kan en liten signal vid basen modulera flödet av en större ström mellan kollektor och emitter. High-gain egenskaperna för några transistorer kan utnyttjas till formuläret logiska kretsar med binära stater. I detta Instructable, kommer vi att använda en hög effekt NPN-transistor växla nuvarande transformatorn.

Sparkmellanrum: -Ledande endast med hög spänning. Sparkmellanrum består av två elektroder åtskilda av luft eller andra dielektrisk. Upp till en viss spänning, kommer att dielectricen agera som en isolator och hämma nuvarande. Men när elektriska fältet omfattningen mellan elektroderna har överskridit den specifika dielektrisk styrkan, dielectricen kommer uppdelning och genomföra. För joniseringen av luften, är grov tillnärmning av 1kV per mm av separation vanligt. I detta Instructable, kommer vi att använda sparkmellanrum för att utlösa bränning av Marx generatorn.

Specialty komponenter - ställdon, givare och sensorer: Omvandla elektrisk energi till energi av en annan form och vice versa. Termen "givare" används för att hänvisa till något som underlättar sådan omvandling. Motorer och magnetventiler är exempel på manöverdon, som omvandlar elektrisk energi till kantiga och linjär rörelse. Mikrofoner, högtalare och piezoelektriska material också falla under definitionen av givaren. Termen "sensor" kan syfta till en givare som använder minimal eller omgivande energi för att härleda information, till exempel ljusintensiteten eller kemiska koncentration, om den omgivande miljön.

Integrerade kretsar: Paketet hela kretsar till små chips. Integration tätheten av ICs har vuxit exponentiellt sedan uppfinningen av IC av Jack Kilby. Denna tillväxt fenomen, som kallas Moores lag, har sett ICs blir mindre, snabbare och billigare samtidigt. Dagens teknik möjliggör miljarder individuella transistorer kan förpackas i en enda IC. I detta Instructable, kommer vi att använda en TLC555 timer, en gemensam hobby IC, för att generera en fyrkantsvåg-signal.