动手的快乐 ZVS+MARX 人造闪电的制作及问题分析

逍遥隼

动手的快乐 ZVS+MARX 人造闪电的制作及问题分析

    最近迷上了高压电路,网络上看了很多文章,也折腾了一些东西,从DC-DC开始中毒的,对高电压的追求,已经不满足于液晶高压板电路(高频高压,千伏级别,小电流)和闪光灯电路(大约400V直流,大电流瞬间放电),于是将注意力转移到万伏级别的电路上.经过一番学习和比较,考虑到实际条件,决定先造一个简单的小型高压电路.至于特斯拉线圈这样的大家伙,要靠经验的积累以及财力和精力的支持,打算放到以后再折腾了.
这次折腾的是一个网络上流行的老外设计的ZVS电路,由10-40V直流电源,经过震荡升压电路,达到大约10-20KV.输出为直流,这与使用了内部带有高压硅堆的高压包有关.
之后,通过制作一个10级MARX马克思发生器,将电压提升到大约接近200KV,高压击穿空气,能够造成超过10公分长的人造闪电.
下面说说折腾的过程,以及遇到的一些问题.

     首先是ZVS部分的电原理图.只有十几个元件,很简单.照图施工就可以,甚至可以不用电路板,在散热片固定好场效应管以后“搭棚”焊接都可以。
     需要注意的是：

470欧姆的电阻功率要足够；
两个二极管需要使用快恢复管；
谐振电容承受比较大的功率，要使用质量好的、耐压足够的高频电容；
    高压包的使用比较随意，高压次级线圈完好的旧包就可以。初级线圈自己在裸露的磁芯上用足够粗的导线（最好是1.0直径以上的漆包线）绕5+5圈，中间抽头就可以了；   
IRFP250到不是必须用这个型号，但是图中特别提到关于它的参数，耐压要高于4倍电源电压，电流足够大，导通电阻小于150毫欧。特别需要注意的是，这个家伙比较娇气，焊接的时候要注意静电防护，另外，在测试的时候需要加散热片，不然如果电路故障，可能瞬间损坏。 正常工作的时候，倒几乎没有什么温度。
最麻烦的是那个电感，需要几次调整才能达到合适的程度，这个就比较麻烦了。我是用0.62漆包线，现在4厘米磁环上绕了15圈，然后增减圈数，最后确定在25圈左右比较合适。通过拆用开关的电源上的电感替换测试，感量大约在130微亨。

                               
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     为了避免使用不合适的元器件造成试验不成功，我直接从天狼晓月那里买了套件，这样简单多了

                               
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   下面是制作的成品，正反两面，反面的元件用红色标  记.

                               
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    这是我另外选购的高压包，在天津安悦买其它配件的时候顺手买的，好像已经被我把内部硅堆击穿了，电压给得 太高了。

                               
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三星17吋纯平彩色显示器行输出变压器

      电路搭好以后，实验的效果。12V电压的情况下，开始击穿空气的距离大约3-5毫米，拉弧可以到4公分左右熄灭。估算电压大约在万伏左右。24V电压的 时候更高。

                               
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关于这部分电路遇到的问题：电路搭好以后，不工作，两个管子发热，电源显示接近短路状态，经过反复检查电路本身并没有问题，甚至把元件都焊下来检测了一遍，也都没有问题。电路在4V的时候开始有电流，5V就达到3A电流，结果电源受不了，最高输出就是5V3A了，怎么也达不到12V。
很郁闷，与天狼晓月请教，觉得有用的几句话摘录如下：


1、  1\ 高压包上的线圈，不能双线并绕，要分别绕。

电子爱好者 (16:23:37):

高压包上是0.68 5+5圈,双线并绕,首尾相接做中间抽头

天狼晓月 (16:32:40):

你不要那样绕。两个线圈分开绕。

0.68的线太细。

2、由于我的电源功率有限，在负载重的时候达不到12V，导致场效应管没有在正常工作状态上，严重发热，电路不工作。

天狼晓月 (16:34:05):

设计最低工作电压12V

你输入电压太低他就根本没在工作状态。

3、虽然这个我没出问题，但是对其它爱好者们提醒如下：快恢复二极管和稳压二极管有没有焊反？场效应管的管 脚是否正确？

                               
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2、  4\  关于电路的工作状态，摘录天狼晓月的对话如下，很有参考价值：

天狼晓月 (11:40:41):

对的。

通电后MOS管发热不？

哪个发热？

电子爱好者 (11:40:56):

基本不热

时间长了才热,但是我的电源会饿着它们,热不起来

天狼晓月 (11:41:20):

哪个热？

电子爱好者 (11:41:20):

过流保护

天狼晓月 (11:41:23):

全热？

还是一个热？

电子爱好者 (11:41:27):

是,都热

天狼晓月 (11:41:35):

都热是两种情况。

要么已经工作起来了。

要么电路彻底错误了。

因为如果电路不工作，状态是只有一个热。

电子爱好者 (11:46:43):

怎么确认已经工作?

天狼晓月 (11:50:29):

恩，有个简单的办法，你如果有LED的话，在变压器初级上绕个十几圈漆包线，接LED。应该会亮，或者会把LED烧掉。。。

    最终问题的解决：
    电源的问题！呵呵，看来一个好的实验电源对电子爱好者还是相当重要的。
    这个电路的工作电压是10-40V，低于这个电压，电路不再工作点上，无法正常工作。而我的实验电源由于功率问题，在大电路的时候电压被拉低。后来找了一个12V6.5A的开关电源，电路就工作了。
给其它爱好者一个借鉴吧！


下面是马克思发生器的部分：
原理图如下，具体工作原理大家可以自己百度。
实际组装的时候，电容之间的电阻使用1M欧的高压电阻，高压包出来的第一支充电电阻使用8 -10M欧姆。

                               
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电路使用的电容很重要：高耐压!高频！允许大电流放电。
电容的选择有很多，因为第一次试验，本着经济的考虑，我从天狼晓月那里买了一 些处理品，呵呵。

                               
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20KV(25KV) 560pF 高压瓷片电容  此陶瓷电容允许脉冲大功率放电，适用于火花放电场合

      本来我从网络上搜索的时候，选用了这个电容排，图的是它的外形，觉得肯定好安装，中间焊接上电阻就可以了。结果被天狼否定了，对话在下面，大 家就别再走弯路了。

                               
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高压陶瓷电容排300PF20KV 静电喷涂模块

天狼晓月 (11:24:27):

不能用。

这个是倍压电路里用的，而且是静电电容。

天狼晓月 (11:24:55):

他构建静电电场用的，火花放电回很细小。因为内阻大。

MARX里是不行的，

     电阻也很重要，一定要使用高压电阻，以及功率要足够。普通电阻在高压下电阻会发生变化，最麻烦的是，很容易被打火击穿。我的电路在提高电压的时候，把这个电阻也打残废了一个。后来我把电路全部用704胶封闭了，这个效 果不错，很少打火了。

                               
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1MΩ 2W 高压电阻

     马克思电路电压很高，一般的线路板安装容易打火，所以需要一个绝缘支架。一般是用有机玻璃之类的东西制作，我暂时找不到，但是我找到了一个文件夹，塑料很厚实，差不多有一毫米，绝缘性和强度都不错。用电**打了一下，打不透，就选用它了。长度刚好合适做个10级的马克思发 生器。没啥说的，下刀！

                               
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    我裁取了10公分宽的一块塑料板，长度大约33公分。折了三折，便于直立，以及防止高压打火。均匀地打了20个孔，把电容装到反面了，并且用 704胶封闭管脚和过孔。

                               
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    正面焊接了20个电阻。打火间隙很有意思，直接用电容的脚的时候，闪电长度只有4公分左右。后来发现老婆的腰带上有一些园头的铜铆钉，因为装得不牢固，经常掉一些，老婆正烦恼，我就全给拆了下来，废物利用了。把这个东西焊接 在放电间隙上，效果还不错。

                               
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      最终的实验效果，电弧长度超过10公分，图片上的放电电极之间的直线距离是11公分。  放电电极是用铜丝弯了个球，然后用焊锡填补成球状，效果也不错。


这个长度电弧的工作条件是：输 入电源24V，电流超过1A。

                               
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     目前的问题：可能是由于电压太高，击穿了高压包内的硅堆，所以有很多高频成分进了马克思发生器电路，效率降低，并经常拉出离子弧，看来我需要一个新的硅堆了。

Fireflying

很NB很强大！

Fireflying

马克思电路的原理没看明白。乍一看像是多级倍压整流电路，但细看又不是。

逍遥隼

马克思发生器的基本原理与倍压电路不通.基本原理是,一组电容同时并联充电,1M欧姆的电阻在这个电路里充电的时候基本可以无视,它只是起保护作用.  当电容电压达到额定值的时候,两个电容之间的间隙开始放电,并形成近似短路,9个间隙一起放电,就等于把10个电容串联起来,达到10倍(会略低)的电压并在主放电隙产生放电.
      这个东西动静太大,吵得要命,像在房间里放炮仗一样!

      高压!玩的时候小心,周围的物品要远离,打到你的手机电脑上,基本就买新的吧!打到人的话......

逍遥隼

工作原理：如图1所示。图中C为级电容,它们由充电电阻R 并联起来,通过整流回路T-D-r充电到V。此时,因保护电阻r 一般比R约大10倍,它不仅保护了整流设备,而且还能保证各级电容充电比较均匀。在第1级中g0为点火球隙，由点火脉冲起动；其他各级中g为中间球隙,它们调整在g0起动后逐个动作。这些球隙在回路中起控制开关的作用,当它们都动作后,所有级电容C就通过各级的波头电阻Rf串联起来,并向负荷电容C0充电。此时,串联后的总电容为C/n，总电压为nV。n为发生器回路的级数。由于C0较小，很快就充满电,随后它将与级电容C一起通过各级的波尾电阻Rt放电。这样，在负荷电容C0上就形成一很高电压的短暂脉冲波形的冲击电压。在此短暂的期间内,因充电电阻R远大于Rf和Rt,因而它们起着各级之间隔离电阻的作用。冲击电压发生器利用多级电容器并联充电、串联放电来产生所需的电压，其波形可由改变Rf和Rt的阻值进行调整,幅值由充电电压V 来调节，极性可通过倒换硅堆D两极来改变。 　　图中C1为主电容，又称冲击电容，它相当于各级串联后的总电容,即;C2为负荷电容,即C2=C0，它包括调波电容、试品电容、测量设备（分压器）电容及联线等寄生电容;G代表控制放电的球隙;Rf和Rt分别为波头电阻和波尾电阻,它们相当于各级rf和rt的总和，即Rf=nrf，Rt=nrt；U1为充电电压,它相当于各级串联后的总电压，即U1=nV；U2为输出电压,即所需的冲击电压。此等值电路相当于单级冲击电压发生器的电路。根据电路分析，输出电压U2(t)为一双指数函数  Marx（马克思发生器）τ1>>τ
　半峰值时间T2≈0.69Rt(C1+C2)
效率 冲击电压发生器输出电压幅值V2m与充电电压пV 之比称作发生器的效率η，即 　　η=(V2m /nV)×100％
　 对雷电冲击波，η一般约80％；对操作冲击波，η有时仅60％。
　冲击电压波形参数T1(Tcr)、T2及发生器效率η与回路结构和参数有关，均需通过实际调试进行调整和确定。
　对于电力变压器等带有绕组的电力设备，通常还要求做雷电冲击截波试验。冲击电压发生器外接一截断间隙即可产生冲击截波。标准雷电截波是标准雷电冲击波经过2～5μs截断的波形。
　冲击电压发生器是高电压试验室的基本试验设备之一。目前中国已建的冲击电压发生器最高额定电压为6MV，有个别国家高达10MV。


涉及到特斯拉线圈的一些计算公式
1.        电弧长度： 电弧长度 L(单位：英寸); 变压器功率 P (单位 瓦特); L=1.7*sqrt(P) （sqrt为开方）
2.        电容阵容量： 变压器输出电压(交流)E(单位 伏特); 变压器输出电流 I(单位 毫安); 电容器阵列最大容量C(单位 微法) ; 交流频率F(单位赫兹) C=(10^6)/(6.2832*(E/I)*F) [电容的大小涉及到与变压器功率的一个匹配问题，当电容过大时在交流上升到顶点时(即sqrt (2)*V时，电容电压过低无法击穿打火器的空气隙则打火器无法启动就无法工作，整个系统也就无从启动 ]
3.        电容阵的计算就是电容的简单串，并联，初中就学过，在此就不提了.例如当变压器功率为1000瓦时，输出电压为10000伏(交流)，那么电容匹配为0.0318uf，手头有电容规格为：0.047uf 1000~，1600-，再取保险一点到 耐压 1500v~则需要电容阵列安排如下：15个电容串联成一个基本链(BC);再10个这样的基本链并联而成(J)，共需要电容150个，若每支电容分压降为630v~(这样可以大幅度延长电容寿命)，则： 24–BC，16–J，共需384支电容.
4.        其他： 震荡频率：F = 1/(2*Pi*sqrt(L*C))
主线圈相关计算如下图                    次极线圈相关计算如下图
                     
放电终端相关计算如下图

hsw113

小心中毒啊！！你这是直流了

逍遥隼

是,直流高压,有一定危害.
呵呵,本来就是可以做模拟雷电损害测试用的.

逍遥隼

我看坛子里,大家买了很多防雷插板,哈哈,要不要拿来让我打一下看看?

Fireflying

原来马克思电路是靠气隙间歇击穿来实现并联充电串联放电的？

shuai0shuai

.....我想知道被打到会是什么后果

逍遥隼

昨天被高压包的余电打了一下,挺爽的,感觉是被抡了一棒子,把高压包扔出去摔墙上了,挺结实,没坏.

fat

E＝C＊U＊U，好在你的电容容量够小，否则会致命的，国外电击武器的门槛是10J

fat

E＝C＊U＊U，好在你的电容容量够小，否则会致命的，国外电击武器的门槛是10J

fat

E＝C＊U＊U，好在你的电容容量够小，否则会致命的，国外电击武器的门槛是10J

fat

OMG，回声又出现了{:1_218:}

MAGLITE

量产吧

买个爽爽

whseen

MAGLITE 发表于 2011-11-18 19:35

                               
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量产吧

买个爽爽

以后的话可以变成半导体释放电流，变成1AA一节五号电池手电的无电感升压电路不错呀，先给电容并联充电然后电容串联放电往复工作能直接升压到白光LED的驱动电压。