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

---

Marxov generátor v2.1

      Mal som dávnejšiu myšlienku, tento Marxov generátor upraviť na ešte vyššie napätie a energiu. Tieto úpravy som robil viac, ako rok dozadu, no až teraz sa nejak dostávam k tomu to spísať na web. Nakúpil som priebežne z Aliexpress nové kondenzátory 10n/30kV na výmenu za pôvodné 2x v sérií 4n7/10kV. Papierovo aj fyzický vidieť značný rozdiel medzi nimi. To som ešte netušil, aký to bude prúser s nimi.

      Tieto modré keramické kondenzátory sú veľmi obľúbené a často používané ľuďmi na násobiče alebo Marxove generátory. No často práve na menšie výkony a nižšie napätia. Nakúpil som tie s „naj“ parametrami, čo do kapacity aj výšky napätia. Keď mi prišli domov prvé kusy, na oko fyzicky podstatne hrubšie a väčšie oproti tým na 10kV, kúpil som ešte ďalšie a ďalšie kusy. Cena bola prijateľná k papierovým hodnotám.

      Kondenzátory môžu pracovať aj na vzduchu, ale inak verzie na vyššie napätia sú určené na zaliatie do hmoty alebo ponorenie do oleja, vzhľadom na rozteč vývodov k udávanej nominálnej výške napätia. V mojom prípade som zalietal s tavnou pištoľou aj samotné vývody kondenzátorov.

      Začal som s nimi robiť prvé testy a zistil som hneď prvý vážny problém. Kondenzátor na 30kV mi začal prebíjať už pri asi 18kV ! A nie nebol to preskok výboja medzi vývodmi po povrchu, bol to vnútorný prieraz dielektrika a zničenie kondenzátora. Takto som prerazil aj ďalší a ďalší kondenzátor pri testovacích pokusoch na stole. Iba nabitie kondenzátora bez žiadnej ďalšej záťaže. Zaujímalo ma, či bude problém s plazivými preskokmi výbojov medzi nožičkami a ono skôr nastal vnútorný prieraz dielektrika, ako preskok na povrchu. Týmto zistením som prispôsobil celé prerobenie Marxovho generátora a bol som nútený znížiť vstupné napájacie napätie kvôli kondenzátorom. Čo by teoretický nebol až taký hrozný problém. Ostalo by asi rovnaké prípadne mierne nižšie U_IN, ako som používal aj doposiaľ s predošlými malými kondenzátormi na 10kV, ale vo výsledku aj tak s podstatne väčšou kapacitou a energiou vo výboji.

      Lenže pri dokončení úprav a prvých testoch hotovej veže mi po pár preskokoch výbojov behom pár sekúnd začali odchádzať prvé kondenzátory. Našiel som chybný, vymenil som a znova pár preskokov, pár sekúnd a ďalší kondenzátor sa vnútorne prerazil. Prvé testovanie v prevádzke a kondenzátory úplne zlyhali. Potom som sa nato vybodol a zahodil túto myšlienku vylepšenia Marxovho generátora.

      Záverom. Tie malé 4n7/10kV kondenzátory v sérií sú odolnejšie a hlavne znesú udávané nominálne napätie U_N oproti tým veľkým na 30kV (!), ktoré nielenže nevydržia nominálne, ale nevydržia ani len polovičné v prevádzke ! Pritom fyzicky sa netvária, aby to mali byť nejaké 15-20kV fejky a len nápis iný. Neviem, nemal som chuť skúšať iných predajcov. Mimo týchto 30kV kondenzátorov som problém s týmto typom nikdy nemal. Od 10kV nižšie bolo vždy všetko OK. Tento typ keramických kondenzátorov bežne používam, ale od 10kV nižšie. Verzie na 20kV som zatiaľ neskúšal a netestoval. Možno som len natrafil na nejaké zlé kusy z výroby, ktoré sa predávajú na Aliexpress...

      Nejaké využitie som pre nich aspoň mal aj keď sa nezaobišlo bez nadávania. Používal som ich do kaskadného násobiča pre röntgen pod olejom, kde pracovali pri dosť nižšom napätí a menších kontinuálnych prúdoch bez impulzného zaťaženia. Impulz do skratu šiel len pri poruche, pri prieraze VN kábla a pod. (VN diódy držali). A prečo som písal, že sa to ani túto nezaobišlo bez nadávania ? Aj tu pri tomto použití sa mi občasne tie kondenzátory prerazili. Niekedy pri impulze v skrate do zeme pri poruche a inokedy doslova bez zjavnej príčiny proste nejaký kondenzátor odišiel. Potom to celé vyberať a opravovať... od oleja. Ale aspoň som ich nejako využil, už keď ich toľko mám.

      Na veľký Marxov generátor by to chcelo nejaké poriadne kondenzátory, lenže problém je cena, ktorá rapídne začína rásť do výšin. Jedine tieto modré keramiky sú cenovo dostupné pri danom množstve. Asi ostanú len pre menšie projekty a nižšie napätia, kde fungujú OK. Alebo som len mal sakra smolu na predajcu.

• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•  

Pozri tiež:
Marxov generátor 2/2