Wymagane elementy:
Do zbudowania generatora potrzeba:
• 2 baterie 6V - połączone szeregowo zapewnią zasilanie dla generatora
• Bateria 9V - potrzebna do zasilania timera NE55
• 555 timer - wymagany do wygenerowania przebiegu prostokątnego, który będzie modulował prąd transformatora za pomocą tranzystora.
• Tranzystor - wysokiej mocy tranzystor NPN jest potrzebny do modulacji prądu transformatora.
• Transformator - konieczny do podwyższenia napięcia ze źródła zasilania, w tym projekcie użyto egzemplarza o przekładni 1:20.
• Diody - potrzebne do układu powielacza, każdy stopień wymaga 2 diod.
• Rezystory:
Do timera 555
Niezbędne do nastawienia częstotliwości i współczynnika wypełnienia przebiegu prostokątnego. Tutaj użyto jednego rezystora o wartości 2.2kΩ i jednego o rezystancji 3.3kΩ
Do generatora Marxa
Dla 'n' stopni generatora potrzeba '2n' rezystorów. W tym projekcie użyto oporników o mocy 1/4W i rezystancji 1MΩ.
• Kondensatory:
Do timera 555
Użyto ceramicznego kondensatora o pojemności 47nF, który są potrzebny do ustawienia częstotliwości.
Do powielacza napięcia
Konieczne jest użycie kondensatorów wytrzymujących wysokie napięcie. Każdy stopnień powielacza wymaga dwóch kondensatorów o niskiej pojemności i napięciu wynoszącym przynajmniej 1000V. Spełniono ten warunek poprzez użycie kombinacji ceramicznych i foliowych kondensatorów o pojemności od 220pF do 560pF.
Do generatora Marxa
Każdy stopnień generatora Marxa wymaga kondensatorów o parametrach napięciowych na poziomie przynajmniej 8000V. W tym projekcie wykorzystano jednostki o napięciu 4000V i pojemności 68nF połączonych szeregowo.
Oprócz wyżej wspomnianych elementów wymagana jest także duża ilość cyny i taśmy klejącej.
Schemat
Bateryjnie zasilany generator Marxa zbudowany jest z 3 sekcji:
Sekcja pierwsza
Składa się ze źródła zasilania i timera 555. Działa ona w taki sposób, że zamienia prąd stały o napięciu 12V pochodzący z baterii na prąd zmienny o wartości 240V.
Układ NE555 jest tutaj wykorzystany w konfiguracji astabilnej. Generuje on przebieg prostokątny, który steruje bazą tranzystora wysokiej mocy. Włączany i wyłączany tranzystor powoduje, że przez uzwojenie pierwotne transformatora płynie prąd, który indukuje dużo wyższe napięcie na uzwojeniu wtórnym.
Sekcja druga
Kolejną częścią jest powielacz napięcia Cockcrofta – Waltona. Zamienia on prąd zmienny o napięciu 240V na prąd stały o wartości 8000V. Jego działanie jest następujące:
Przy dodatniej połówce przebiegu prostokątnego i przy założeniu, że kondensator C1 jest już naładowany oraz napięcie na nim panujące wynosi 'U'. To jeżeli źródło V1 daje również napięcie 'U', to oba napięcia z kondensatora C1 i ze źródła V1 się dodają, więc punkt A względem punktu odniesienia posiada napięcie o wartości '2U'.
Przy ujemnej połówce prostokąta oba napięcia z kondensatora C1 i źródła V1 również się dodają, jednak w tym przypadku napięcie źródła V1 względem punktu odniesienia wynosi -U, więc punkt A względem punktu odniesienia posiada napięcie 0V.
Po podwyższeniu napięcia sygnał trafia na diodę D2 i kondensator C2, które działają jako detektor szczytu, więc przy dodatniej połówce dioda D2 przewodzi i ładuje kondensator C2. Dla ujemnej połówki dioda D2 jest w stanie zaporowym, ponieważ na jej anodzie panuje 0V a na katodzie panuje napięcie 2V (w warunkach idealnych).
Dzięki zastosowaniu detektora szczytu w punkcie B otrzymujemy stały prąd o podwojonym napięciu względem punktu odniesienia. Po "wykonaniu" całego stopnia cała operacja się powtarza podnosząc wartości kolejnych potencjałów. Napięcie wyjściowe powielacza może być obliczone za pomocą wzoru:
$$Vo=Vi*2n$$
Gdzie:
Vi – napięcie wejściowe
n – liczba stopni
W wyniku reaktancyjnych właściwości kondensatorów istnieją granice, w których dodawanie kolejnych stopni staje się niepraktyczne. W tym projekcie użyto 16-stu stopni i nie zauważono znaczących spadków wydajności.
Sekcja trzecia
Ostatnią sekcją jest sam układ generatora Marxa. Zamienia on 8kV prądu stałego z powielacza i produkuje wysokonapięciowe pulsy o napięciu około 180kV. Sam generator składa się z rezystorów, kondensatorów i iskierników. Kiedy kondensatory zostaną naładowane, napięcia na nich panujące są mniejsze od napięcia przebicia iskierników, więc nic się nie dzieje. W wyniku ręcznego zwarcia pierwszego iskiernika, pierwszy i drugi kondensator zostanie połączony w szereg. Po połączeniu ich szeregowo, napięcia obu zostają dodane, co spowoduje kolejne przebicie, które przyłączy następny kondensator do szeregu. W wyniku tych wydarzeń następuje efekt lawinowy, w którym wszystkie kondensatory są połączone szeregowo, a ich napięcia zostają zsumowane. Efekt ten widoczny jest na poniższym obrazku.
W idealnych warunkach napięcie wyjściowe jest zgodne ze wzorem:
$$Vo=Vi*n$$
Gdzie:
Vi – napięcie wejściowe
n- liczba stopni w generatorze
Iskierniki w generatorze Marxa mogą być zrobione poprzez uginanie nóżek rezystorów i kondensatorów. Jednakże trzeba uważać, aby przerwy nie były zbyt małe lub zbyt duże. Napięcie wyładowań można zmierzyć w taki sposób, że na każdy milimetr wyładowania przyjąć 1kV. W tym przypadku zaobserwowano wyładowania o maksymalnej długości 18cm, co odpowiada wyładowaniom o napięciu 180kV.
Możliwe usprawnienia
Generator Marxa wymaga szeregowego rozładowania kondensatorów. Zamontowane rezystory o wysokiej oporności znacznie spowalniają niechciane równoległe rozładowanie, lecz powodują wolniejsze ładowanie, co oznacza mniejszą częstotliwość wyładowań. Można więc zastąpić rezystory cewkami, które posiadałby wysoką impedancję podczas przebić i niską podczas ładowania.
Dobrym pomysłem byłoby również dodanie tranzystorów zamiast iskierników wraz z systemem monitorującym napięcie na poszczególnych stopniach, który jednocześnie włączałby wszystkie tranzystory, jeżeli stopnie osiągnęłyby pożądany poziom naładowania.
Bezpieczeństwo
Podczas używania generatora należy uważać, aby elektroda zawierająca wysoki potencjał znajdowała się z dala od układu. Zbliżenie elektrody do układu spowoduje zniszczenie kondensatorów.
Nie zaleca się budowy tej konstrukcji osobom niedoświadczonym, mimo bateryjnego zasilania, urządzenie o tak wysokim napięciu wyjściowym stanowi realne niebezpieczeństwo dla życia lub zdrowia.
źródło: http://www.instructables.com/id/12V-180kV-A-Battery-Powered-Marx-Generator-and-int/
Fajne? Ranking DIY
