Marxov generátor 1/2

Impulzný zdroj – Marxov generátor, jednoduchá cesta k získaniu veľmi vysokého napätia o veľkom špičkovom prúde. Vznikajú tu impulzy VVN rádovo v stovkách kV pri stovkách A až jednotkách kA za vzniku silného elektromagnetického impulzu.

      Je to impulzný generátor, ktorý bol navrhnutý Erwinom Marxom ešte v roku 1924 a v súčasnosti sa používa v rôznych prevedeniach. Dajú sa s ním veľmi jednoducho vytvoriť impulzy veľmi vysokého napätia s obrovským špičkovým prúdom. Tiež vieme s ním vytvoriť, ako spínací napäťový impulz, tak aj tvar atmosférického impulzu, teda blesku. Zmenou tvaru impulzu – čelo vlny, tyl vlny a vrcholová hodnota napätia vlny. Pod čelom vlny rozumieme stúpajúcu časť, pod tylom vlny jej klesajúcu časť. Rieši sa to zmenou impedancie, teda pridávaním ďalších vhodných rezistorov do série s každým kondenzátorom, kedy vieme vhodným zostavením súčiastok dosiahnuť špecifický požadovaný tvar impulzu pre testovanie špecifickej aplikácie.

Stručne princíp

      V jednoduchosti povedané, princíp fungovania Marxovho generátora je nasledujúci. Zložený je z veľkého počtu kondenzátorov a rezistorov. Cez ochranný rezistor a ďalšie nabíjacie rezistory sa všetky kondenzátory nabíjajú paralelne, ale vybijú sa do série. Po pripojení napájacieho napätia sa kondenzátory nabíjajú až do chvíle, kým nedôjde k preskoku v prvom spodnom iskrišti. Tým sa zvýši napätie na ďalšom iskrišti, ktoré sa tiež zapáli a tak ďalej až po vrchné iskrište. Tým sa spoja všetky kondenzátory do série a vznikne impulz VVN (Veľmi Vysokého Napätia). Zapálené iskrištia majú veľmi malý odpor, čiže nabíjacie rezistory v túto chvíľu nemajú vplyv. Prvé spodné iskrište by malo mať o nejaké mm menšiu medzeru, aby sa zapaľovalo vždy ako prvé. Hodnoty súčiastok tu nie sú nejako kritické. Rezistory môžu mať hodnotu asi od 100k do 2M2 a kondenzátory od 1n vyššie po povedzme 10n. Osobne odporúčam aspoň minimálne 2n a viac. Ako kondenzátory tak aj rezistory musia zniesť vysoké napätie. Samotné iskrištia musia mať minimálne straty korónou – v ideálnom prípade homogénne iskrištia. To znamená, že to musia byť gule alebo pol gule, ktorých polomer je väčší, ako medzera v iskrišti. Za týchto podmienok vzniká v medzere homogénne pole a kritické napätie sa rovná preskokovému napätiu (nevzniká koróna).

Moje riešenie

      Ja som použil keramické kondenzátory po 2x v sérií 4n7/10kV a ruské 2W rezistory MLT-2 330k tiež po 2x v sérií na 660k. Spravil som 2 veže pre kladnú a zápornú polaritu napätia po 11 poschodí. Napájací zdroj je o napätí 15-16kV DC. Medzery v iskrištiach sú o vzdialenosti 13mm drôtom priemeru 0,75mm zahnuté do očiek, spodné prvé iskrište má vzdialenosť 9mm. Chce to so vzdialenosťami iskríšť aj trochu experimentovať. Teoreticky výstupné napätie je okolo +120 a -120kV z jednotlivých veží a oproti sebe 240kV impulz. Reálne napätie sa bude pravdaže líšiť, no dá sa to odhadnúť podľa elektród, polarity napätia atď. podľa týchto tabuliek a grafov. Maximálnu vzdialenosť preskoku výboja som mal 40cm medzi dvoma vežami a 20cm z jednej veže proti zemi. Jedna veža funguje bezchybne a bez problémov. No zapojiť a nastaviť 2 veže oproti sebe je už ťažší oriešok. Vzniká tu dosť problém so synchrónnym zapaľovaním iskríšť v oboch vežiach a veľmi často sa mi stávalo, že strieľali veže na striedačku a nechceli sa trafiť súčasne naraz. Je to dosť problém prepojenia samotných veží, dlhé vodiče a kapacity vodičov voči zemi a okoliu + kapacita voči prostrediu okolia samotných veží. Treba nato fakt priestor a vhodné podmienky pre synchrónne vyladenie oboch veží, čo som ja veľmi nemal. Na skúšku som si to vyskúšal a podarilo sa aj nafotiť zaujímavé fotky.

      Výhoda dvoch veži proti sebe je zníženie korónových strát na iskrištiach, keďže výstupné napätie je znížene (rozdelené) o polovicu voči zemi. Nevýhoda je práve v tom vyladení oboch veží, aby sa nabíjali súčasne a dochádzalo vždy k preskoku výboja. Čím väčšie rozmery a vyššie napätie, tým sú s tým väčšie problémy, vďaka spomínaným kapacitám voči zemi a okoliu – keďže logicky, musia ísť aj veže ďalej od seba. Na schéme dole sú už výsledné hodnoty rezistorov a kondenzátorov v zapojení.

Schéma

Aj napriek jednoduchosti impulzného Marxovho generátora nie je vôbec určený pre začiatočníkov ! Je to veľmi nebezpečné zariadenie, ktoré vytvára napätie v stovkách kV o veľmi veľkom impulzom prúde a veľmi silné elektromagnetické impulzy, ktoré môžu poškodiť alebo zničiť elektronické prístroje či pamäťové média na veľkú vzdialenosť. Pri každom impulze je rušená elektronika v okolí (alebo skôr celom dome), vypínajú sa monitory, vypadáva wifi a celý router, televízny signál úplne vypadáva každým impulzom, v reproduktoroch pukajú pulzy, samovoľne sa vypol PC, prelaďuje sa rádio atď. A to nemusí ani nastať preskok výboja ! Úplne stačí impulz do priestoru a impulzná strímrová koróna aj cez 10cm okolo vodiča a na vrchole veže do priestoru !


Fotky zo stavby

      Výber fotiek z priebehu stavby jednotlivých veží. Základná nosná konštrukcia je polepená tavnou pištoľou z kúskov plexiskla – recyklácia už poškrabaných olámaných kúskov. Samotné rezistory a kondenzátory sú tiež polepené tavnou pištoľou pre zníženie korónových strát na spojoch.



Fotky výbojov – 1 veža

      Výber fotiek výbojov z jednej veže do zeme na vzdialenosť 20cm. Kladná polarita napätia o výške asi 120kV.

      Vyrezané detaily z pár fotiek zhora.



Fotky výbojov – 2 veže

      Výber fotiek výbojov z dvoch veži oproti sebe, napätie asi 220kV. Vzdialenosť elektród 36-38cm, maximálne mi skákal na 40cm no je tam problém so synchrónnosťou veží, takže dával som o niečo menej pri fotení. Častejšie preskočil výboj, keďže viditeľne strieľali iskrištia na striedačku vo vežiach...

      Vyrezané detaily z pár fotiek zhora.



Výboje do argónovej fľaše

      Pokus výbojov v argónovej fľaši z Marxovho generátora z jednej veže.



Výboje a jablko

      Nejaké pokusy s jablkom :) Presne na miestach vstupu výboja vznikol mierne slabo vypálený obrazec lichtenberga a začalo jablko v týchto miestach hniť.



Detaily koróny

      Posledné fotky sú výrezy a detaily strímrovej koróny okolo vodiča kladnej polarity. Všimnite si na poslednej fotke, ako preráža koróna aj cez izolovaný vodič potiahnutý zmršťovacou bužírkou.



Video jednej veže Marxovho generátora

 

Zväčšenie kladnej veže z 11 na 18 stupňov

9.2.2018
      Mal som ešte nejaké kondenzátory nazvyš a podarilo sa mi k ním zohnať aj ďalšie rezistory MLT-2, aké som mal použité na veži Marxovho generátora. Tak som ešte zväčšil jednu vežu pre kladný impulz o 7 stupňov. Teraz má veža 18 stupňov (predtým 11) a dáva na výstupe asi 170kV kladný impulz. Výboj skáče na vzdialenosť 28,5cm do zeme. Predtým dávala veža výboj len 20cm do zeme. Dole sú nejaké fotky zväčšenej veže a výboje.



Fotky výbojov – 1 zväčšená veža (18 stupňov)

      Výber fotiek výbojov z jednej zväčšenej veže do zeme na vzdialenosť 28,5cm. Kladná polarita impulzného napätia o veľkosti asi do 170kV.



100W žiarovka na hrote



Fotky výbojov – 2 veže (zatiaľ nevyladené)

      Prvý pokus o zapojenie dvoch veží proti sebe. Fungovať to fungovalo, no stále dosť asynchrónne a viac nepreskočil výboj, ako preskočil. Strašne je to ovplyvňované kapacitami navôkol a kapacitami spodných prepojovacích vodičov voči zemi a okoliu. Stačilo dať do inej polohy veže a opäť to šlo viditeľne inak, no horšie.



Nové vertikálne zapojenie 2 veží proti sebe - fungujúce



Fotky výbojov – 2 veže

      Výboje som čakal, že budú väčšie, no už sú tu značné veľké korónové straty. Nielen na iskrištiach, ale aj okolo elektród do priestoru. Výboje do 40cm sú v pohode, občas to skáče aj na 42cm. Už len zo spodku disku z hrany ide koróna, hore pripojenie vodičom na hrot kladnej elektródy ide pozdĺž vodiča slušná koróna aj cez izoláciu vodiča. No je zaujímavé, že práve v takomto zostavení to funguje pekne synchrónne. Veža pre záporný impulz je napojená na disk a veža pre kladný impulz je napojená na horný hrot zavesený na nitke o svetlo na strope. Napätie odhadom asi 240kV (pozri tu, určovanie a odhadovanie napätí)



Fotky výbojov – 2 veže – dlhá expozícia



Výboje a znova ďalšie jablko :)

      Jablko som pravdaže celé zvnútra upiekol, opäť zhnilo a dokonca sa mi aj podarilo výbojom rozpáliť stopku jablka až do červena.



Detaily koróny



Videá z jednej veže a dvoch veží Marxovho generátora

 
 


Pozri tiež:
Marxov generátor 2/2