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简单易懂的人造闪电——MARX发生器

DIYer:
制作时间:一星期
制作难度:★★★☆☆
GEEK指数:★★★★★


1   电路原理

与其它电路相比,MARX发生器的历史极为悠久。发明者E.Marx在1924年提出了这个获取高电压的简便电路,之后历经电子管,晶体管,集成电路的改朝换代,当年的许多电路都面目全非,Marx发生器却依旧保持原貌,在高电压领域兢兢业业地工作着。现在的各种防雷测试设备和EMP设备中,都有着它的身影。


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  • 上面是一个4级Marx发生器的原理图,这里通过它简要介绍一下原理。高压变压器T输出交流高压(一般来说是高频高压),经过二极管D半波整流得到直流高压。注意这里得到的电压U,由于在后面要求击穿放电间隙,所以这里的电压不能太低。一个可供参考的数据是2mm间隙需要3kV的击穿电压(当然具体和空气湿度以及其他有关,但这里重要的是数量级)。
  • 二极管整流后的高压通过电阻们向电容充电。。。这时候间隙P1~P4全部开路,4个电容并联充电,直到电压接近U。然后好戏就开始了——经过调整的放电间隙P1在高压下击穿形成电弧,之后电弧两端电压会迅速下降到几十伏,对于电容上几千伏的高压来说可以视为短路,同时在瞬时分析下兆欧级的电阻R们可以视为断路。这时候A点接地,B点通过间隙P1接地,C点的对地电压立刻变为是-U(原先和A点一样是0V),然后间隙P2承受的电压是2U,毫无疑问当场击穿。。。这个过程像滚雪球一样发展下去,直到最后一个间隙P4击穿,此时在瞬态下的电路如下图:

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  • 可以看到此时间隙全部击穿,4个电容串联,不计损耗的话最后的大间隙P两端的电压是4U,足够击穿4倍距离的间隙。换言之,这个4级的Marx发生器可以从一个3kv的高压升压到12kv,打出大约8mm的电火花。而如果增加发生器的级数,还可以获得更强的高压——专业模拟雷电的可以达到MV级别。
  • Marx发生器的核心是通过巧妙的电路结构集中能量,将电源的能量存储在电容中并在短时间内释放,从而达到以低规格的零部件获取高压的效果。材料中需要的高压变压器,高压电容和电阻耐压可以比最后的高压低上许多(材料准备中可以看到这一点),所以非常适合自行DIY!

2   材料准备

电路上看这个发生器的部件非常简单,只需要一些常见的电阻电容就能够解决(不愧是上世纪20年代的技术。。。)。按电路图,我做的4级Mark发生器需要的部件如下:

○ D:高压二极管(或者高压硅堆),耐压5kV以上
○ R1:10M电阻,耐压3kV以上
○ R: 2M电阻7个,耐压3kV以上
○ C: 2000pF电容4个,耐压3kV以上

上面这些是理论上的要求,所用的都是高压电容,电阻,二极管。但是还有对器件要求更低的替代方案。。。。。

○ D:IN4004串联,每个耐压400V,串上10个就有4kV耐压了
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○ R1:1/8W,1M电阻10个串联
○ R: 1/8W,470k电阻4个串联,合计7组
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○ C: 2000pF电容4个,耐压3kV以上
这里串联的目的都是增加耐压值。尤其要注意的是普通的电阻,它们能承受的电压都不太高,只有300~500V(可以看出在R上只用了4个电阻串联其实很不够保险。。。但是作为演示够用了,嗯,其实是我偷懒),直接加上kV级别电压会击穿绝缘发生打火,然后就没有需要的阻值可言了。。。。。
除了发生器本体,还需要一个提供初始高压的前级。电路图里提供的变压器是一个方法,但是其他的高压源也可以考虑。最后我用的是一个负离子发生器中的直流模块,标称3kV,并且输出直接是直流,可以省去后面的整流二极管D。
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● 最后还需要应手的工具,电烙铁焊锡松香钢丝钳镊子之类,常做电子方面的筒子们一般都有,就不多说了。

3   焊接电路

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焊接本身没有什么技巧可言。。。而且电路简单,完全可以依样画葫芦。

一些需要注意的事情如下:
  • 注意电路图中那些电压差距大的地方,布置元件时留出足够的安全距离。
  • 焊接电阻,二极管时尽量保持表面清洁。。。脏污的表面容易打火爬电,需要的时候可以用酒精棉球擦洗一下。
  • 串接多个元件时可以先将引脚缠住再焊,这样比较省时间。
  • 电容间隙可以直接用两根挨近的铜线,注意间隙的距离适合于选用的前级高压发生器,确保初始电压足够击穿间隙。而最后的大间隙距离可以比前面的小间隙大不少。
  • 有条件的时候可以将电容间隙制成球状(焊上钢珠或者一团焊锡),与尖端放电相比球状间隙的击穿电压更大也更稳定。

4   调试——噼啪!

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  • 焊接好之后开始测试——且慢。**安全第一,尤其是高电压制作。**相信不小心被电蚊拍电过的人都不容易忘记那滋味,更别提被这个打到了。。。。
  • 检查各处焊点,高电压部分周围没有导电物,最好给整个电路准备一个绝缘垫子。准备好之后确认电源极性,最后确认无误才能通电。图中可以看到我把它们放在一个小纸箱里,免得一不小心电到花花草草手机电脑。。。。。
  • 最好的情况下,每过3~5秒,就可以看到4个间隙几乎同时击穿,同时大间隙发出响亮的噼啪声,同时在空中跃过浅蓝色的明亮电弧。和闪电一样,这样的声音是由于空气受热急剧膨胀产生的。

5   故障排查列表

实验中更多的可能是,等了很久以后发生器没有动弹的迹象。下面是一些来自亲身经历的故障排查建议,可供参考。
  • 用万用表检查高压前级的供电是否正常。 警告:珍爱生命和表,远离高压部分
  • 很多高压模块的高频变压器在工作时会发出嗡嗡声,可以帮助判别高压前级是否工作正常。
  • 准备一个带有绝缘柄的金属器具(通常可以用新的干净塑柄螺丝刀),用它短路前级高压的输出。如果是交流高压应该可以拉出电弧,直流高压会有小的电火花和噼啪声。 警告:一定要确认绝缘完善,否则有高压触电危险!
  • 短路没有明显现象的话,拆下后级电路,单独测试前级输出。没有高压输出或者输出不够劲的话,换一个吧。 警告:一经通电,电容中就有可能存储高压,做任何焊接工作时都应断开电源,用金属物短路电容两端充分放电,然后才能继续进行。
  • 前级正常的话,一大可能是后级的放电间隙超出前级的负载能力。尝试调小放电间隙。如果小放电间隙中不时有细微火花,但是大间隙中始终没有放电,那么把大间隙的距离调小。 警告:同上,先给电容放电再调整。
  • 最后,如果觉得大间隙中的电弧太短,可以逐级拉大放电间隙直到刚好能放电,并且用球形间隙作改进,来获得更大的放电电压。

6   DIYer签到处


编辑:小蜂

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The End

发布于2011-07-29, 本文版权属于果壳网(guokr.com),禁止转载。如有需要,请联系果壳

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叶子疏

微电子专业硕士研究生,DIY爱好者

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