Інформація надана виключно в освітніх цілях!
Адміністратор сайту не несе відповідальності за можливі наслідки використання наданої інформації.
ПРИНЦИП ДІЇ
Генератор Маркса - імпульсний генератор високої напруги. принцип дії якого заснований на заряді з'єднаних паралельно через резистори конденсаторів, що з'єднуються після заряду послідовно за допомогою комутуючих пристроїв - вихідна напруга при цьому збільшується пропорційно кількості з'єднаних конденсаторів.
Така схема була запатентована Ервіном Марксом (Erwin Marx) в 1923 році.
Ервін Отто Маркс
У 1914 році В. К. Аркадьєв спільно з Н. В. Бакліном побудували «генератор блискавок» - перший імпульсний генератор в Росії, працював на принципі послідовного з'єднання конденсаторів для отримання помноженого напруги, але використав контактно-механічний, а не безконтактний, спосіб з'єднання конденсаторів ступенів.
Після заряду конденсаторів запуск генератора зазвичай проводиться після спрацьовування першого розрядника (зазвичай позначається як trigger (тригер)). Після спрацьовування тригера перенапруження на інших розрядниках змушує спрацьовувати все розрядники практично одночасно, що й забезпечує складання напруг послідовно з'єднаних конденсаторів.
Генератори Маркса дозволяють отримувати імпульсні напруги від одиниць кіловольт до десятка мегавольт. Частота імпульсів, що виробляються генератором Маркса, залежить від потужності генератора в імпульсі - від одиниць імпульсів на годину до декількох десятків герц. Енергія в імпульсі генераторів Маркса широко варіюється (від деціджоулей до десятків мегаджоулей).
КОНСТРУКТИВНЕ ВИКОНАННЯ
Для своїх досліджень я зібрав експериментальний генератор Маркса.
ІЗОЛЯЦІЯ
У моїй експериментальній установці ізоляція повітряна.
розрядників
Як розрядників другої та наступних ступенів генератора Маркса застосовують зазвичай повітряні (в тому числі з глушниками звуку) розрядники на напругу до 100 кВ і струм до 1000 кА.
Для спрацьовування генератора Маркса необхідно ініціювати пробою першого (триггерного) повітряного проміжку ( "trigger gap").
Для цього можуть бути використані різні способи:
"Jumping wire" - рухливий провідник - механічне зближення контактів триггерного розрядника за допомогою ізольованою ручкою або внесення ізольованою викрутки між контактами розрядника
"Three electrode trigger gap" - трьохелектродний повітряний проміжок (тригатрон)
"Hydrogen thyratron" - водневий тиратрон
Водневий тиратрон - газорозрядне (заповнений воднем) прилад для управління струмами великої величини при високій напрузі.
Тиратрон має 3 електрода - анод, катод і сітку:
Тригатрон (від англ. Trigger - пусковий пристрій, пусковий сигнал і (елек) трон) - різновид керованого іскрового розрядника з холодним катодом для управління великими струмами (20-100 кА і аж до мегаамперов) при високій напрузі (зазвичай 10-100 кВ) .
Тригатрон має 3 електрода - 2 масивних (головних) для пропуску струму і маленький керуючий електрод:
Коли тригатрон відключений, напруга між головними електродами має бути менше напруги пробою, відповідного відстані між електродами і застосований діелектрика (повітрю, аргоно-кисневої суміші, азоту, водню або елегазі). Щоб включити тригатрон, на керуючий електрод подається високовольтний імпульс. Він іонізує газ між керуючим і одним з головних електродів, виникає іскровий розряд, який вкорочує не іонізований проміжок між головними електродами. Іскра створює ультрафіолетове випромінювання і породжує безліч вільних електронів в проміжку. Це швидко призводить до електричного пробою і між головними електродами виникає електрична дуга з малим опором. Дуга триває до тих пір, поки напруга між головними електродами не стане менше деякого значення. Скляні тригатрон часто покривають захисною хвилястою металевою сіткою, щоб уникнути розльоту шматочків скла при розриві колби.
Я в своїй установці використовував подобу тригатрон - керований розрядник з трьома електродами, але не поміщений в корпус.
Розрядники інших ступенів - такі ж, тільки без критичного електрода.
Таким чином, в першому ступені спочатку відбувається пробій повітряного проміжку "стрижень - сегмент сфери", а в інших розрядниках - "сегмент сфери - сегмент сфери".
Напруженість електричного пробою повітря становить
Основний розрядник - два залуженних на кінці мідних дроти.
Стійкий пробій спостерігається при відстані
7 мм між ними:
Основними елементами схеми запалювання мого генератора Маркса є Времязадающая ланцюжок Rt - Ct. ксенонова лампа EL1. трансформатор T1 з обмотками L1 і L2.
Времязадающая ланцюжок Rt-Ct
Резистивна частина ланцюжка Rt складена з 15 послідовно включених резисторів опором 10 МОм номінальною потужністю 0,125 Вт.
Загальний опір Rt = 150 МОм.
Ємнісна частина ланцюжка Ct складена з дев'яти конденсаторів CBB81Ct1 - Ct9 3300 пФ x 1000 В:
Загальна ємність Ct = 3,3 нФ.
Постійна часу задає ланцюжка Rt - Ct становить $ \ tau = 0,5 $ с.
Імпульсний трансформатор ( "trigger transformer" або "trigger coil") часто застосовується в типових схемах харчування ксенонових ламп-спалахів ( "external triggering"):
У такій схемі конденсатори Cg і C (набагато більшої місткості - десятки і сотні мкФ) заряджаються до напруги
300 В. Конденсатор Cg розряджається на первинну обмотку трансформатора 1-2 (з малим числом витків) при замиканні ключа S (в якості ключа може бути використаний тиристор). Номінальна вхідна енергія при цьому для різних типів трансформаторів становить від 0,9 до 16 мДж. Імпульс струму в первинній обмотці викликає виникнення високовольтного імпульсу (2-10 кіловольт) у вторинній обмотці 3-2 (з набагато більшим числом витків, ніж в первинній). Цей імпульс прикладається до керуючого електрода лампи Ксенону (металевої (нікелевої) пластині або сітці, частково охоплює колбу лампи) і викликає іонізацію газу в ній - в лампі виникає тонкий іонізований стример ( "streamer"). Іонізація викликає різке зниження опору газу в лампі ( "triggering"), що ініціює розряд основного конденсатора C (енергія розряду - до 130 Дж), підключеного до електродів лампи, через лампу і необхідну різку спалах білого світла.
Як приклад такого трансформатора можна привести TC-50:
Параметри трансформатора TC-50:
первинна обмотка - 14 витків, 3,5 мкГн, 130 мОм;
вторинна обмотка - 1000 витків, 2,1 мГн, 180 Ом;
вхідна напруга - 300 В;
вихідна напруга - 10 кВ;
ємність конденсатора - 0,22 мкФ;
енергія - 10 мДж.
У своєму генератор Маркса я використовував імпульсний (авто) трансформатор, взятий мною з радянської мережевий фотоспалахи "Фотон":
1 - верхній висновок первинної обмотки L1
2 - об'єднані нижні виводи обмоток L1 і L2
3 - верхній висновок вторинної обмотки L2
мережева фотоспалах "Фотон"
На схемі спалаху трансформатор позначений як Тр:
Не слід плутати імпульсний трансформатор для запалювання лампи з трансформатором інвертора, призначеного для перетворення низької напруги харчування (наприклад, 6 вольт) в висока напруга заряду конденсатора C (наприклад, 340 вольт):
Ксенонова лампа EL1
Ксенонова лампа являє собою трубку (з кварцового або боросилікатного скла), заповнену ксеноном, і має три електроди - анод, катод і тригер:
Анод і катод зазвичай виготовляються з вольфраму.
Лампа в моєму генераторі Маркса взята з спалаху цифрового фотоапарата Genius G-Shot D211:
запалювання
Після подачі живлення від випрямляча, підключеного до високовольтного генератора. конденсатор Ct починає заряджатися через резистор Rt.
Паралельно відбувається заряд основних конденсаторів C1 - C4 через резистори R1 - R7 (див. Повну схему установки вище).
Коли напруга на конденсаторі досягає напруги спрацьовування лампи EL1. відбувається пробій, лампа спалахує
і замикає ланцюг, поєднуючи заряджений конденсатор Ct з первинної обмоткою L1 трансформатора T1. Виникає в обмотці L1 імпульс струму наводить імпульс високої напруги у вторинній обмотці L2. Цей високовольтний імпульс пробиває повітряний проміжок між електродами 3 і 2 повітряного розрядника (див. Фотографію вище) (див. Розряд 1 на фото нижче). Розряд з керуючого електрода 3 ініціює розряд між основними електродами 1 і 2 конденсаторів першого ступеня C1 (див. Розряд 2 на фото нижче).
1 - пробій допоміжного проміжку
2 - пробою основного проміжку
Резистор R1 запобігає виникненню дугового розряду на першому розряднику після його пробою.
Я в своїй установці використовував конденсатори CBB81 (аналог К78-2) - високовольтні конденсатори НЕ-індуктивного типу на основі поліпропілен-металізованої плівки (з великими струмами розряду) з вогнезахисним епоксидним покриттям корпусу:
1 - поліпропілен-металізована плівка
2 - шар напиляного металу
3 - висновки
4 - червона епоксидної смоли
5 - алюмінієва фольга
резистори
Резистори R2 - R7 (див. Повну схему установки вище) складені з трьох з'єднаних послідовно резисторів МЛТ по 560 кОм, а резистор R1 - з трьох резисторів ОМЛТ по 910 кОм (у всіх резисторів номінальна потужність 2 Вт):
Резистори ОМЛТ мають такі ж електричні параметри, як і МЛТ, але володіють підвищеною механічною міцністю і надійністю - термін зберігання у резисторів ОМЛТ - 25 років, а у МЛТ - 15 років.
ЕКСПЕРИМЕНТИ З МОЇМ ГЕНЕРАТОРОМ МАРКСА
Розряд генератора Маркса:
1 - спалах лампи Ксенону
2 - розряд на керуючому електроді
3 - розряд розрядника ступені
4 - розряд основного розрядника розряд генератора Маркса
При напрузі живлення 3,6 кВ інтервал між розрядами склав 1,2 с.
При підвищенні напруги на виході високовольтного джерела частота розрядів зростає - при напрузі 4,2 кВ інтервал між розрядами 0,7 - 0,8 с.
НЕБЕЗПЕКА ГЕНЕРАТОРА МАРКСА
Висока напруга
Генератор Маркса є джерелом високої напруги - містить конденсатори, які в процесі роботи заряджаються до небезпечної напруги. Необхідно завжди розряджати конденсатори перед будь-якими маніпуляціями з пристроєм.
Слід враховувати, що висока напруга може викликати електричний пробій повітря (напруга 1 кВ пробиває повітряний проміжок довжиною 1,1 мм).
ультрафіолет
Електричні розряди генератора Маркса є джерелом ультрафіолетового випромінювання в діапазонах UVA (ближній ультрафіолет, УФ-A промені, 315 - 400 нм) і UVB (середній ультрафіолет, УФ-B промені, 315 - 280 нм).
При експериментах слід використовувати захисні окуляри.
озон
При розряді генератора Маркса в повітрі відбувається утворення аллотропной форми кисню - озону $ O_3 $:
$ O_2 + O = O_3 $
Небезпека озону (Класифікація ЄС відповідно до Директиви про небезпечні речовини (DSD)):