بخشی از مقاله
طراحي، ساخت و آزمايش يک سوئيچ انفجاري بسته شونده
چکيده :در اين مقاله طراحي ، شبيه سازي ، ساخت و آزمايش يک سوئيچ بسته شونده مبتني بر انفجار براي سوئيچنگ ولتاژ kV٢٥-١و جريان تا kA ٥٠شرح داده شده است . سوئيچ مذکور ساخته شده و مورد آزمايش قرار گرفته است . نتيجه ازمايش ها نشان مي دهد که سوئيچ بخوبي عملکرد مورد انتظار را برآورده کرده و داراي سرعت سوئيچينگ و اندوکتانس مناسبي در حد يک سوئيچ اسپارک گپ معمولي است . اين سوئيچ را مي توان در کاربردهاي يکبار مصرف و بدون نياز به سيستم الکترونيکي تريگرو فقط با يک فرمان انفجاري بکار برد. اين سوئيچ داراي ابعاد cm٧(ارتفاع ) وcm٥(قطر ) مي باشد.
کليدواژه -پالس قدرت ، جريان ضربه ، سوئيچ ، ولتاژ بالا، ولتاژ ضربه
١- مقدمه
درمبحث پالس قدرت ١ يکي از مهمترين المانها سوئيچ است که بايد داراي خصوصيات خاصي ازجمله سرعت سوئيچينگ و جيتر مناسب باشد. از سوئيچ هايي که در توليد و بکارگيري پالس قدرت کاربرد دارند مي توان به سوئيچ هاي گازي (اسپارک گپ ، تايراترون ،...)، سوئيچ هاي مايع و سوئيچ هاي با دي الکتريک جامد اشاره کرد. از آنجاييکه استحکام دي الکتريک جامدات بسيار بزرگتر از گازها است لذا ميتوان به جاي استفاده از دي الکتريک گازي در سوئيچ هاي توان بالا (مانند اسپارک گپ ها)، از يک جسم جامد به عنوان دي الکتريک استفاده کرد. اين کار چند نتيجه دارد که مهمترين آن کوچک شدن حجم سوئيچ است . بدنبال کوچک شدن حجم سوئيچ و فاصله بين الکترودها، اندوکتانس و جيتر سوئيچ نيز کاهش خواهد يافت . ديگر مزيت اين نوع سوئيچ عبارتست از عدم نياز به مدار الکترونيکي توليد پالس تريگر. اين مزايا مهمترين انگيزه توسعه سوئيچ هاي با دي الکتريک جامد هستند.
مهمترين عيب اين سوئيچ ها نيز اين است که بر خلاف مايعات و گازها، دي الکتريک جامد پس از يکبار سوئيچ شدن ديگر قابل استفاده نيست . لذا اين نوع سوئيچ ها اغلب در کموتاسيون جريانهاي بالا و براي يکبار استفاده ٢، بکار مي روند. عملکرد اين سوئيچ ها بر پايه تخريب دي الکتريک حين انجام عمل سوئيچينگ است و بنابراين پيش بيني دقيق عملکرد اين سوئيچ ها امکان پذير نيست . لذا در کاربردهاي بسيار دقيق بايد در استفاده از اين سوئيچ ها دقت عمل بالايي بکار برد.
همانند ساير سوئيچ ها، مي توان اين نوع را نيز به دودسته شکست خودبخود٣و شکست با فرمان ٤ تقسيم کرد.عملکرد شکست خودبخود اين سوئيچ ها همانند ساير سوئيچ هاي گازي يا مايع است . بدينصورت که با رسيدن ولتاژ دو سر الکترودها به ميزان مورد نياز براي شکست دي الکتريک ، عمل شکست انجام شده و جريان برقرار ميگردد. براي مکانيزم شکست با فرمان نيز روش هاي مختلفي وجود دارد. يکي از مهمترين روشها استفاده از مکانيزم انفجار است که براساس آن سوئيچ هاي انفجاري توسعه يافته اند. اين نوع سوئيچ ها را مي توان در ولتاژهاي چند کيلو ولت تا حدود ٢٥٠ کيلو ولت و براي سوئيچ جريانهايي در حدود kA ١٠٠٠-١٠٠ بکار برد. زمان صعود جريان در اين نوع از چند نانوثانيه تا چند ميکروثانيه است [٦].
٢-سوئيچ هاي انفجاري باز شونده
در مدارهاي مولد پالس با استفاده از ذخيره القايي ١
، داشتن يک سوئيچ که در يک زمان معين و با سرعت مناسب از حالت بسته به حالت باز برود، ضروري است .
يکي از بهترين سوئيچ هاي باز شونده سوئيچ هاي انفجاري باز شونده اند که داراي قابليت بسيار بالايي در اين زمينه هستند. روش عملکرد و طراحي اين نوع سوئيچ ها به مراتب از نوع بسته شونده پيچيده تر است .
در اينجا به علت تمرکز روي نوع بسته شونده ، از پرداختن به اين نوع سوئيچ خودداري مي شود.
٣-سوئيچ هاي انفجاري بسته شونده
در اين بخش به اين نوع سوئيچ ها پرداخته مي شود. دو روش عمده براي ساخت يک سوئيچ بسته شونده انفجاري وجود دارد که در ادامه به آنها اشاره ميشود.
٣-١سوئيچ انفجاري مبتني بر چاشني الکتريکي ٢
ساده ترين روش براي ساخت يک سوئيچ بسته شونده انفجاري استفاده از يک چاشني الکتريکي است . يک چاشني الکتريکي بسيار سريع براي اين سوئيچ بايد به کار رود تا سرعت مناسبي حاصل شود. در شکل هاي
١و٢ دو نوع سوئيچ مبتني بر چاشني الکتريکي مشاهده ميشود. کارکرد اين سوئيچ ها نسبتا ساده است و بدين ترتيب است که با عملکرد چاشني الکتريکي، لايه عايق بين دو الکترود سوراخ شده و شرايط لازم براي ايجاد اتصال الکتريکي بواسطه يونيزاسيون بين دو الکترود فراهم ميشود. تاخيرو زمان عملکرد سوئيچ وابسته به تحريک چاشني الکتريکي و عملکرد آن است . جنس دي الکتريک بکار رفته ميتواند براي مثال ورقه پلي اتيلن به ضخامت حدود mm ١.٥ باشد [٢]. براي جريان هاي بالا استفاده از يک سوئيچ از اين نوع مناسب نيست و ميتوان از چند سوئيچ از نوع مذکور به صورت موازي استفاده کرد. براي نمونه با استفاده از شش عدد سوئيچ موازي از اين نوع ، جرياني به ميزان حدود KA ٢٥٠ سوئيچ شده است . اين عمل در ولتاژ KV ١٢٠ صورت گرفته است . در سوئيچ شکل ٢ که با استفاده ازيک چاشني الکتريکي به مقدار جيتر کمتري دست پيدا کرده اند [٢].نوع چاشني استفاده شده در اين سوئيچ ها غالبا چاشني پل انفجاري ٣ است که علاوه بر سرعت عملکرد مناسب ، داراي ايمني بسيار خوبي است .
٣-٢سوئيچ هاي مبتني بر چاشني و خرج انفجاري
براي سوئيچ کردن جريانهاي بالاتر بوسيله يک سوئيچ و توانايي انتخاب آزادانه سطح الکترودها از اين روش استفاده ميشود. در اين روش يک چاشني الکتريکي باعث آغازگري يک خرج انفجاري شده و سپس با تخريب دي الکتريک بين الکترودها عمل سوئيچ انجام ميشود. در اين نوع نيز دو روش وجود دارد که يکي تخريب مستقيم دي الکتريک (شکل ٣) و ديگري سوراخ شدن دي الکتريک بوسيله توليد جت است (شکل ٤). در روش توليد جت نيز مي توان از ساختارهاي متفاوتي مانند خرج گود مخروطي يا استفاده از يک شيار روي سطح يکي از الکترودها استفاده کرد.
يکي از مسائل مهم که در اين سوئيچ ها بايد به آن توجه شود اين است که زمان بسته شدن سوئيچ (زمان کموتاسيون ) به ولتاژ اعمالي وابسته است . در نمودار شکل ٥ وابستگي زمان بسته شدن سوئيچ به ولتاژ اعمالي براي سوئيچ شکل ٣ نشان داده شده است [٣]. براي کاهش امپدانس سوئيچ مي توان سطوح الکترودهاي آن را بزرگ در نظر گرفت .
٣-٣سوئيچ ها بسته شونده مبتني بر هدايت موج انفجاري
در اين نوع سوئيچ ها از خاصيت هادي بودن جبهه موج انفجار٤ استفاده مي شود. درشکل ٦ يک نمونه از اين سوئيچ ها نشان داده شده است . امپدانس اين سوئيچ در آزمايشات انجام شده کمتر از '١(براي جريان KA ١) بوده و زمان بسته شدن نوعي اين سوئيچ نيز حدود ns ٢٠٠ گزار شده است [٤].
در اين روش ، دي الکتريک بين الکترودهاي سوئيچ يک لايه عايق بعلاوه ماده منفجره است که با انفجار آن و توليد جبهه موج ، محيط بين الکترودها يونيزه شده و عمل سوئيچينگ انجام ميپذيرد.
٤-طراحي سوئيچ انفجاري
سوئيچ مورد نظر در اين پژوهش از نوع مبتني بر توليد جت در نظر گرفته شده است . شماتيک و تصوير سوئيچ طراحي شده در شده درشکل ٧ نشان داده شده است .
در اين سوئيچ از خرج پلاستيک بر پايه پتن بعنوان ماده منفجره و از يک محفظه از جنس تفلون ١ بعنوان دي الکتريک استفاده شده است که داراي استحکام دي الکتريک حدود V.mil ١٠٠٠ مي باشد [٦]. جنس الکترودها نيز از آلومينيوم است . بين دو سطح الکترودها يک لايه تفلوني به ضخامت mm ٠.٣ وجود دارد. اين لايه تفلوني ، با اطمينان مانع از تخليه بين الکترودها و بر قراري جريان قبل از صدور فرمان تخليه مي گردد.
براي جلوگيري از خزش سطحي احتمالي بين الکترودها قبل از تخليه ، شيارهايي روي بدنه محفظه تفلوني ايجاد شده (شکل ٧) تا سطح موثر بين الکترودها افزايش يابد.
با رسيدن انفجار به دهانه سوئيچ ، خرج پلاستيک موجود منفجر شده و اين انفجار باعث توليد جت در سطح الکترود بالايي ميشود. اين جت لايه تفلون را سوراخ کرده و عمل سوئيچينگ انجام مي شود.
٥-شبيه سازي عملکرد سوئيچ
در اين بخش سوئيج طراحي شده توسط نرم افزار
2D V6.1-AUTODYN و با روش المان محدود شبيه سازي شده است . چند مرحله از نتايج شبيه سازي در شکل ٨ نشان داده شده است . همانطور که مشاهده ميشود با پاره شدن عايق بين الکترودها و اتصال آنها ، عملکرد مورد انتظار از سوئيچ به طرز مناسبي برآورده مي شود. درشکل ٩ نيز نمودار زماني رسيدن مواد حاصل از انفجارو تشکيل جت به سه نقطه تعيين شده روي سوئيچ نشان داده شده است که از روي آن مي توان زمان عملکرد سوئيچ (کموتاسسيون ) را بدست آورد..
