Портативный генератор Маркса

Среди различных высоковольтных генераторов огромную нишу занимают трансформаторы Тесла, однако, внимания заслуживают далеко не только они. В этой статье я опишу сборку портативного генератора Аркадьева-Маркса, питаемого всего лишь от одной ААА батарейки, но способного при этом выдавать разряды до 2 - 3 см. В начале хотелось бы сказать несколько слов о том, что же это вообще такое.

Генератор Маркса - это разновидность импульсных накопительных установок, так называемый ГИН (Генератор Импульсных Напряжений), изобретённый Эрвином Марксом в 1924 году. Он работает по принципу умножителя напряжения: за счёт последовательного соединения заряженных высоким напряжением конденсаторов. В отличии от отечественной разработки (Генератора Аркадьева, изобретённого в 1914 году), генератор Маркса использует не механическую коммутацию, а бесконтактную, через электрический разряд в искровом промежутке. Генератор Маркса работает исключительно на постоянном токе, причём требует достаточно высоких напряжений: даже самые маленькие конструкции, вроде моей, требуют не менее 6 кВ. Описывать сборку я буду последовательно, дабы не запутать читателя.

Первая часть. Низковольтная. Эта часть схемы представляет собой обычный блокинг-генератор и высокочастотный повышающий трансформатор. Эта система призвана преобразовать постоянное напряжение батарейки на 1.5 Вольта в 1.5 - 3 кВ переменного высокочастотного напряжения. Схема устройства очень проста и много раз была опубликована на Сайте в том или ином виде. Эта часть была приобретена на AliExpress в виде комплекта для сборки. То есть мне не пришлось ни мотать трансформатор, ни подбирать детали (в комплекте уже был транзистор D880Y, диод UF4007 и резистор на 120 Ом). Единственное, что здесь я добавил от себя - удалил диод между базой транзистора и резистором. Оригинальная схема, взятая со страницы продавца:

Комплект выглядит так:

Считаю необходимым отдельно показать трансформатор крупным планом:

На AliExpress это не единственный вид миниатюрных импульсных высоковольтных трансформаторов, однако, как показал мой личный опыт, вышеприведённый трансформатор работает лучше всех других.

После сборки первая часть должна выдавать дугу примерно 2 - 3 мм длиной. Дуговой разряд непрерывен, а значит не создаёт никаких звуков, кроме тихого высокочастотного пищания.

Теперь у нас есть возможность получить 2 - 3 кВ высокочастотного переменного тока от одной ААА батарейки (при сборке навесным монтажом использовалась АА батарейка, но после сборки на плату, она была заменена на ААА).

Вторая часть. Высоковольтная. Эта часть, по сути, представляет из себя простой учетверитель напряжения, собранный по стандартной схеме.

Конденсаторы умножителя самые стандартные, из "Чип и Дип", керамика на 680 пФ x 15 кВ. Они имеют небольшой размер и выглядят так:

В качестве диодов были взяты высоковольтные выпрямительные столбы КЦ106Г. Они использовались в умножителях напряжения строчной развёртки советских цветных телевизоров. Выглядят так:

Подключаем собранный умножитель к низковольтной части и запускаем.

Умножитель должен давать разряд длиной примерно 5 - 8 мм. Брать промежуток более 9 мм крайне не советую: напряжение холостой работы преобразователя достаточно высокое, и может привести к пробою диода или конденсатора в умножителе.

На этом этапе уже можно говорить о том, что генератор Маркса можно запитать от батарейки, во всяком случае, напряжения для этого уже достаточно.

Третья часть. Генератор Маркса. Переходим к самому интересному - сборке непосредственно генератора Маркса. Нужно отметить, что это самая кропотливая часть, так как она потребует максимальной аккуратности и большого объёма пайки. Как было упомянуто выше, генератор будет иметь 9 ступеней. Чисто теоретически, он должен увеличивать входное напряжение в 9 раз. Простейшие расчёты показывают, что выходное напряжение умножителя составляет 2 * 4 = 8 кВ в среднем, а выходное напряжение генератора Маркса составляет 8 * 9 = 72 кВ. На практике напряжение не достигнет таких значений по нескольким причинам: во-первых, напряжения в 8 кВ вполне достаточно для стекания напряжения. Эти процессы не всегда видны глазом, однако, именно они приводят к большим потерям в любых высоковольтных устройствах, начиная от тех же самоделок и заканчивая высоковольтными ЛЭП. Во-вторых, в момент разряда серьёзные потери существуют на разрядниках и незначительные на резисторах. Суммарно это даёт не менее 50% потерь. Кроме того, напряжение в 72 кВ способно пробить до 72 мм воздуха, что означает пробой всей системы практически по диагонали, поэтому допускать такой большой разности потенциалов нельзя. Схема генератора стандартная. Ниже приведу схему на шесть ступеней.

Конденсаторы имеют ёмкость в 330 пФ, напряжение 15 кВ. Резисторы - 100 кОм, 2 Вт. Возникает логичный вопрос: зачем нужна такая большая мощность резисторов? На самом деле, нужна не сама мощность, а их большие размеры. В интернете представлено много различных конструкций, но в описании каждой упоминается проблема пробоя резисторов. Эта проблема решаются всеми по-разному: кто-то использует самодельные жидкостные резисторы, кто-то вообще сырые ветки дерева. Ещё один способ - увеличение размеров резисторов, что позволяет повысить их электрическую прочность.

Для начала была собрана установка на 5 ступеней.

Однако пяти ступеней оказалось всё же маловато, поэтому были добавлены ещё пять ступеней, одна из которых в готовое устройство не вошла. Десять ступеней давали уже весьма внушительный результат.

Разряд достиг длины около 35 мм. Разрядники требуют точной настройки: все искровые промежутки должны быть строго одинаковыми, а самый первый - немного меньше остальных. На фотографии видно, что мне пришлось держать один из разрядников, так как он не был жёстко зафиксирован (как, собственно, и другие), нарушая работу системы.

Цель достигнута, генератор работает, однако, в таком виде он занимает полстола. Следующим шагом стала реализация печатной платы.

Печатная плата. Каскады генератора Маркса будут собраны в виде башни, как это делается практически во всех конструкциях, а батарейка, блокинг - генератор и умножитель - на одной плоскости на главной плате.

Башня делается таким образом: между двумя одинаковыми пластинами фольгированного текстолита располагаются конденсаторы и разрядники. Резисторы устанавливаются с противоположных сторон плат.

Отпиливаем две одинаковые пластины текстолита. У меня они имели ширину около 3 см, высоту - около 8.5 см.

Затем с помощью напильника делаем пропил шириной около 1 см так, как показано на фотографии:

После размечаем плату и сверлим отверстия.

Далее - отрисовка дорожек перманентным маркером.

Травим в растворе хлорного железа.

После травления смываем маркер с плат.

После этого платы нужно тщательно промыть в тёплой воде с мылом и можно приступать к лужению.

После лужения остаются следы канифоли. Их необходимо смыть, так как они не только ухудшают внешний вид устройства, но и могут снизить электрическую прочность монтажа. Обычно это делают чистым медицинским спиртом, однако, с этой задачей блестяще справляется растворитель № 646.

Теперь распаиваем компоненты. Сначала конденсаторы...

Затем резисторы...

Разрядники...

Высоковольтный выход.

Теперь башня готова. Следующий этап - изготовление базовой платы, на которую будет крепиться сама башня и все остальные детали. Размеры платы - 5.5 x 8.5 см. После отпиливания намечаем расположение деталей:

Теперь рассверливаем отверстия и по ним отрисовываем дорожки на обратной стороне платы перманентным маркером.

Затем травим плату.

Последующие действия аналогичны тем, что проводились с первыми двумя платами: стираем маркер, моем, облуживаем, смываем канифоль.

Приступаем к установке деталей, сначала закрепим башню.

Башня имеет 4 "ножки", в центрах которых расположены отверстия. В них вставляются короткие кусочки медной жилы, а затем всё это заливается припоем.

После этого устанавливаются все остальные компоненты.

Теперь устройство почти готово, осталось только покрыть его высоковольтным лаком, чтобы минимизировать стекание заряда. Я для этого использую лак - цапон. После того, как лак просохнет, можно приступать к тестированию.

Схема получившегося устройства:

Все номиналы были описаны в статье, кроме того, их можно найти в списке компонентов в конце статьи.

Несколько слов о безопасности...

При разработке данного устройства, я постарался сделать его максимально безопасным как для человека, так и для различного электронного оборудования, однако, по понятным причинам, риск всё же велик. Генератор Маркса производит достаточно высокое напряжение, поражение которым вполне может обернуться трагическими последствиями для людей с больным сердцем, поэтому не стоит пренебрегать техникой безопасности! При разряде установка создаёт мощные электромагнитные импульсы, которые могут привести к сбоям либо выходу из строя различной чувствительной электроники (например, телефона или компьютера), поэтому перед подачей питания необходимо убедиться в том, что вся дорогостоящая техника находится на расстоянии не менее 20 см от установки. После отключения аппарата, конденсаторы сохраняют опасный заряд на некоторое время, поэтому их необходимо замыкать куском заизолированного провода, иначе первое же прикосновение к ним даст мощный "заряд бодрости".

На этом у меня всё, желаю всем удачи!

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Высокое напряжение
• Преобразователь напряжения
• Трансформатор
• Генератор