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DIY马克思发生器:12V到180kV的过程

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发表于 2016-4-26 10:15:54 | 显示全部楼层 |阅读模式
可以确定一件事:如果你对高压电感兴趣,那么你就来对了地方;马克思发生器可以满足你对电火花、重击和震撼的渴望。这个马克思发生器是我几年前制作的,但是在几次实验后出了故障,直到上个月我才修好它。我认为详述这个装置的制作是一个很棒的选择,这样你们可以一起分享马克思发生器带来的刺激。

现在,我用这篇来描述马克思发生器使用的物理现象原理。电子学吸引了一大批复杂的爱好者,包括懂物理学的和不懂物理学的。这里已经有几篇很好的马克思发生器文章。我更希望读者对电学的热情甚于火花。

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首先,我必须提醒电非常危险。能量不会凭空产生和消失,低电压同样具有危险性。考虑到人的身体对电非常敏感,人很容易被电路烧伤。所以,聪明点,警惕电的危险。如果你不确定,不要去碰电线,护目镜也是个好选择。

好吧,现在开始了。

第一步:这与共产主义无关

什么是马克思发生器?可能你并不熟悉,亦或许你已经在Tesla coils搜索浪费了时间,马克思发生器不是共产主义发生器,这只是开个玩笑,呵呵。

马克思发生器电路包括电容、电阻和安装在阶梯结构的火花间隙,在电容充放电时这个火花间隙可以产生高电压脉冲(产生火花)。现在可以查下维基百科,看看我解释的怎么样。

马克思发生器是Erwin Otto Marx在1924年提出的,它的功能是将低压直流电变换成高压脉冲。马克思发生器应用在高能物理学实验,而且可用于模拟闪电在电源线和航空设备的影响。很多马克思发生器在桑迪亚国家实验室Z Machine内生成X射线。

我认为我解释的不错,尽管我没提到“低压直流电”。从维基百科文章可以看出,马克思发生器对我和你并没有什么实际用途,但是它们的确很酷。同时,注意“高压、高能量”这些词,这意味着很危险,请注意。

但是也许我们应该后退一点点,也许这是你第一次接触到电子学,让我们从基础开始。

第二步:电子物理基础
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当我们提到电流,我们会谈论电荷载体的流动。这些载荷子可以是像质子、电子、带电的原子或者是离子一样的原子微粒,不断运动。因为电子的质荷比很低,电子是固体导体最主要的载荷子。电荷的计量单位是库(C)。电荷在电、磁场中相互作用,磁场只对运动的电荷有影响,而电场可同时影响运动与静止的电荷。一个点电荷产生的电场强度可由高斯定律计算,和电荷量成正比,与电荷距离的平方成反比。在电场中的微粒受到的力与自身的电荷量成正比。即F=qE,F代表作用力,q代表电荷量,E代表电场强度。一个微粒受到另一个微粒的力与两个微粒的电荷量成正比,与两微粒距离的平方成反比,这就是库仑定律。

在电学里,有两大领域:静电学和电磁学。静电只在静止的电荷中产生,它不能像电磁学一样解释大多数物理情景,电磁学是在电荷运动时产生的更复杂的物理学。除非你一辈子呆在封闭的盒子里,否则你会经历静电学和电子学的物理现象。用气球摩擦头发置换电荷就是静电作用的一个例子。微波、磁铁以及大多数电子器件都遵守电磁学的原理。为了达到我们的目的,我们在分析时会忽略电磁学的作用,因为马克思发生器更多的是遵守静电学的原理。但是,你还是应该知道电学与磁学的关系,你应该知道时变的磁场会产生电场(法拉第定律),而变化的电场同样会产生磁场(麦克斯韦安培定律)。从麦克斯韦方程组可看出电与磁的对称性,这也证实了存在与光速相同的电磁波。

像自然界其他的事物一样,电也遵守能量守恒定律,物理学中能量的单位是焦耳(J)。能量既不能凭空产生也不会凭空消失。当然,通过物理作用能量可以保持不变。电压与电流的关系将静止和运动的电荷产生的能量固定。电压值就是电位差,单位为伏特(V)或焦耳每库伦(J/C),换句话说电压值等于电荷移动所需的能量除以微粒本身的电荷量。带电粒子从高电位移动到低电位就会产生电流,电流大小等于单位时间内通过导体横截面的电荷量,单位为库伦每秒(C/S)或者是安培(A)。两个因素决定电流的大小:一个是带电粒子的平均漂移速度,另一个是所有微粒的静电荷量。电流会随着经过固定横截面微粒的数量或速度增加而增加,功率与电压和电流有关,等式为P=IV,P为功率,I为电流,V为电压。功率乘以时间等于电能,电压与电流同样遵守能量守恒定律。我们都知道能量守恒,并且电压就是电子从一个点移动到另一个点的电位差。所以,可以推断出在闭合环路各段电阻的总电压值为0,这就是有名的基尔霍夫电压定律。另外基尔霍夫电流定律是:在集总电路中,任何时刻,对任意结点,所有流入流出结点的支路电流的代数和恒等于零。基尔霍夫定律对更复杂的电路分析有很有用。

电压和电流还与电阻值有关,即对电流的阻值。欧姆定律描述了电流与电阻产生电压,V=IR。另外,欧姆定律的标准式是I=V/R。在直流电路中,电阻以热能的形式消耗电能,而这与导体材料的电阻率有关。在交流电中,电阻则变为阻抗,阻抗的大小与电抗元件(电容、电感)的容抗与感抗有关。

第三步:电路原理基础
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现在,把话题转移到我最感兴趣的电学部分——电路

电路遵守上述物理概念及定律,由电子元件组成,分立元件通过物理定律来实现各种特殊的功能。了解电路元件是怎样工作的有助于复杂电路的分析。制作马克思发生器只需要三个独立的元件:电阻、电容和火花间隙。但是,为了提供更多的电学知识,我还在这里介绍几个其它几个主要的元件。

电阻:阻止电流通过,电阻是增加电流通过的阻力就像摩擦力一样。电路负载包括(例如电灯)增加电阻值或者是感抗元件产生的阻抗。导线拥有固有的金属特性电阻率,导线的电阻值等于电阻率与导线长度的乘积除以横截面积。电阻、电阻两端电压以及通过电阻的电流都遵守欧姆定律。电位器、变阻器和微调电容器都是可变电阻,可以在分压电路中应用。电阻通常用于限流或分压,在这里,我将电阻用来延迟电容的充放电。

电容:可以存储能量,由两个电极组成,两端存在电压时电荷就会聚集。在两电极之间产生的均匀电场强度与电极表面电荷密度成正比,由于电荷的聚集,电场强度和电极之间的电压也将随之增加。当电容电压等于电源电压时电流将等于0。减小电极的面积时,单位电荷的电压会增加而电荷聚集也会相应的减少。在特定的电容器中电荷量与电压的比值保持不变,这个比值就是电容值(C),电容储存的电场能量值等于0.5CU2。电容可通过RC电路充电,而且在充电过程中电容电压与电源电压的差值逐渐减小,从而使得充电速度降低。可以利用一阶微分方程计算直流RC电路中电流随时间的变化,结果表明电流呈指数形式下降至0,而且电容与电阻的乘积越大,下降的越快。RC电路中R*C是个常量,称作时间常数。电容在电路中存在容抗,交流电中电抗元件对电流的阻碍作用叫阻抗,阻抗等于电阻与电抗在向量上的和。换句话说,在高频电路中,电容的容抗接近0,在电路中相当于短路。而在低频电路中(直流电路)电容的阻值无限大,相当于电路开路。在这里,我们会用电容器作主要的储能元件。

电感和变压器:储存磁场能量,电感的磁场作用类似于电容的电场效应。电感就是导电线圈,其本身存在寄生电感(两根导线靠近时也会产生寄生电容)。电感就应用了安培定则与法拉第电磁感应定律描述的电磁学。安培定则提到电流通过导线周围会产生磁场,而法拉第电磁感应定律则表示磁通量变化时,导体会产生电流来抵消磁场的变化。结合以上两个定律可以看出电感单个线圈环所产生的磁场是用来组织电流通过线圈,电感器这种特有的性质定量为电感(L),电感储存的磁场能量为0.5LI2。像电容一样,电感可以利用一阶微分方程计算直流RL电路中电流随时间的变化,可看出电流逐渐趋向于V/R,这个值按照指数的形式增长,并且随L/R的增加,电流的增速也加快。L/R为电路时间常数。当通过电感的电流变化时会产生阻碍电流通过的电动势,这个电动势的大小与电流变化的速率和电感大小的乘积成正比。由此可以看出,电感阻碍电流变化的程度就是感抗,电感在直流和交流电路中的作用与电容相反。因此,在LC电路中就存在容抗与感抗抵消的频率,这个频率叫谐振频率,在此频率下电路呈纯电阻性。

两个电感线圈可以组成变压器,其中一个线圈为初级线圈,另一个为次级线圈。两个线圈之间存在互感,也称作耦合。初级线圈电流变化时,产生的磁通也将变化,而磁通会通过磁芯转移到次级线圈。而这导致在次级线圈产生电流,电流值与初级线圈的电流成正比。初级线圈匝数与次级线圈匝数的比值决定两级线圈的电压、电流关系。次级线圈的电压值等于初级电压除以匝数比,而电流等于初级线圈电流乘以匝数比,所以能量没有变化。如果次级线圈与初级线圈的比值大于1,那么次级电压降更大,这类变压器是升压变压器,反之称为降压变压器。变压器的初级与次级线圈可随时对换,在这里我们会用到升压变压器来提供电压。

二极管:只允许电流单向通过,半导体二极管由两个参杂的半导体材料连接组成。正向导通电压为一般为0.7V-1.4V,大于导通电压则可以允许电流通过。而反向击穿电压远远大于正向压降,反向电压超过击穿电压时二极管会被损坏,而电流可反向通过(通常情况下这不是理想状态)。但是,对于稳压二极管就是利用反向雪崩击穿而工作。二极管还经常用于整流电路,电路由4个二极管组成,叫全波整流电器或者二极管电桥。我们会用到二极管将交流信号变为直流。

三极管:作开关以及放大用,尽管三极管的种类很多,但是大多数都有相同结构组成:基极,集电极,发射极。三极管由两个PN结结合组成,有NPN型和PNP两种形式。从基区传输到集电区的信号能够被放大,最后从发射极输出的信号比信号源更大。高增益三极管可应用于二态逻辑电路,我们会用到大功率NPN三极管来改变变压器的电流。

火花间隙:在高压状态时导电,火花间隙由两个电极组成,电极被空气或其他绝缘体隔开。在一定的电压范围内,绝缘体会组织电流通过。但是当两电极间的电压超过极限值,绝缘体将会变成导体。空气电离极限电压是每毫米间隙大概1kV,我们用火花间隙来触发马克思发生器产生火花。

特殊元件—制动器,换能器和传感器:转换能量的形式,换能器就是用来做能量转换用的。制动器(例如电动机和电磁线圈)能将电能转化为动能。麦克风、扬声器和压电材料就可称作换能器。传感器则可通过环境的变化来发送信息,比如光强度的变化以及化学成分的改变。

集成电路:将电路封装到微小的芯片,IC的集成度也呈指数形式增长,这个增长趋势叫摩尔定律,而IC也变得更小、性能更好以及更便宜。目前的技术足以使数十亿个三极管封装到一个IC。在这个制作过程中会用到TLC555定时器来产生方波信号。

第四步:准备材料



1、两个重型6V手提电池:
为马克思发生器提供12V的电压
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  2、9V电池:

我第一次设计马克思发生器的时候,我用的是9V电池为555定时信号发生器供电。然而,电路经过修改后,定时器可直接由手提电池供电,这个方案更实用。

  3、555定时器集成电路:

TLC555定时器集成电路通过产生方波来调制变压器电流

  4、大功率三极管:

采用NPN型三极管,用来调整变压器电流



  5、变压器:
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在CW倍压器之前变压器可提高电压,我用的是20:1的抽头变压器。

  6、二极管

CW倍压器电路需要功率二极管,每级电路配置两个二极管。

  7、电阻若干个:
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这里需要两个电阻来调节555多谐振荡器电路的频率以及振荡周期,我用的是一个2.2KΩ和一个3.3KΩ的电阻。另外,在马克思发生器的电路也需要最少0.25W的大功率电阻,如果马克思发生器有n级,则需要2n个这样的大功率电阻。在我的设计里用的都是0.25W 1MΩ的电阻。

  8、电容若干:

低容值的陶瓷电容(我用的是0.047μF)用来控制555定时器的振荡频率,在CW倍压器和马克思发生器电路中还需要高压电容器。每级CW倍压器电路需要两个额定电压最少为1KV的低容值电容器。在这里我是把1KV的陶瓷电容和金属薄膜电容(220-560pF)结合起来应用;每级马克思发生器电路则需一个额定输入电压大约为8kV的电容,我选择的是两个4kV 68nF的立陶宛电容。

  最后,你还需要准备导线和焊锡,还有把所有东西固定在一起的胶带。

第五步:电路原理图与计算

  在准备完所有材料后,就可以开始漫长的马克思发生器制作步骤。

  马克思发生器可以分成三部分。

  第一部分包括电源电路和555控制电路,电源电压为12V,而输出电压为240V。555定时器在多谐振荡模式下,产生方波信号输入到大功率三极管中。三极管改变变压器初级线圈的电流,次级线圈将获得更大的电压。
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第二部分是CW倍压器,第一部分的240V交流信号通过CW倍压器将转换为8kV的直流电压。交流信号通过级联的电容和二极管过滤,每一级CW倍压器配置两个电容器和两个二极管。CW倍压器的输出电压Vo=Vi(2n),Vi为输入电压,n是倍压器的级数。因为电容具有电抗特征,CW倍压器的级数受到限制。我采用的是16级,效果还不错。

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最后一部分是真正的马克思发生器电路。从CW倍压器输出的8kV直流电信号经过此电路后会产生高达180kV的脉冲信号!这个电路由电阻、电容以及火花间隙组成。这些电容通过以并联的形式进行充电,然后串联通过火花间隙进行放电。当第一火花间隙电压到极限时就会导通产生火花,后续电压不断增大,火花间隙也就会逐个产生火花。经过这些电容后理想的输出电压Vo=Vi(n),n是发生器的级数,我设计的是45级。当你所有的电容电压足够电离火花间隙时,就会产生大量的火花,这也证明了你的马克思发生器制作成功。

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第六步:电路分析

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  火花间隙可用弯曲的电阻和电容连接各级组成,不过你需要时刻关注这过程,通常用螺丝刀操作触发第一个火花间隙更有效,这样可使后续各级火花更完美。

  如果你制作的马克思发生器足够大,我建议你设计一个更耐用的火花间隙,而不是像上图所示的临时产品。我用胶带纸缠住电容,但是这不是最好的办法。

  你可以通过测量最大的火花间距和每毫米1kV的原则估算你的火花电压。我的火化间距为18cm,与180kV的放电电压相对应。你会发现数学计算的并不准确,假设输入电压为12V,通过公司计算最后的火花电压应该为12*(20)*(32)*(45)=345600V,大概是180Kv的两倍。这可能是由于位置的失真和不精确的估算造成的。
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注意将最后一个火花间隙未接地的电极与其它电路隔离开,火花很容易影响到CW倍压器。


  创新方法:

  马克思发生器利用电容串联放电,而不是并联,这一点原理图中就可看到。不幸的是,电阻会产生副作用,使得充电率降低并且点火的频率也将减少。用电感代替电阻也许是一个可行的方案,这样在产生火花时会体现高阻抗性质,充电时则表现为低阻抗。电感还会有效的阻止电容并联放电。

  另外,三极管可以代替火花间隙,马克思发生器完全由固态电路组成。外围电路可以监控各级电压,并且当各级都达到极限电压时可触发放电过程。这样设计需要用大功率三极管和足够的级数,这样可以在更低的输入电压下产生高脉冲。

  最后一步:产生火花
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