简单易懂的人造闪电——MARX发生器

DIYer:
制作时间:	一星期
制作难度:	★★★☆☆
GEEK指数:	★★★★★

双向电梯

• 1   电路原理
• 2   材料准备
• 3   焊接电路
• 4   调试——噼啪！
• 5   故障排查列表
• 6   DIYer签到处

1   电路原理

与其它电路相比，MARX发生器的历史极为悠久。发明者E.Marx在1924年提出了这个获取高电压的简便电路，之后历经电子管，晶体管，集成电路的改朝换代，当年的许多电路都面目全非，Marx发生器却依旧保持原貌，在高电压领域兢兢业业地工作着。现在的各种防雷测试设备和EMP设备中，都有着它的身影。

• 上面是一个4级Marx发生器的原理图，这里通过它简要介绍一下原理。高压变压器T输出交流高压（一般来说是高频高压），经过二极管D半波整流得到直流高压。注意这里得到的电压U，由于在后面要求击穿放电间隙，所以这里的电压不能太低。一个可供参考的数据是2mm间隙需要3kV的击穿电压（当然具体和空气湿度以及其他有关，但这里重要的是数量级）。
• 二极管整流后的高压通过电阻们向电容充电。。。这时候间隙P1~P4全部开路，4个电容并联充电，直到电压接近U。然后好戏就开始了——经过调整的放电间隙P1在高压下击穿形成电弧，之后电弧两端电压会迅速下降到几十伏，对于电容上几千伏的高压来说可以视为短路，同时在瞬时分析下兆欧级的电阻R们可以视为断路。这时候A点接地，B点通过间隙P1接地，C点的对地电压立刻变为是-U（原先和A点一样是0V），然后间隙P2承受的电压是2U，毫无疑问当场击穿。。。这个过程像滚雪球一样发展下去，直到最后一个间隙P4击穿，此时在瞬态下的电路如下图：

• 可以看到此时间隙全部击穿，4个电容串联，不计损耗的话最后的大间隙P两端的电压是4U，足够击穿4倍距离的间隙。换言之，这个4级的Marx发生器可以从一个3kv的高压升压到12kv，打出大约8mm的电火花。而如果增加发生器的级数，还可以获得更强的高压——专业模拟雷电的可以达到MV级别。
• Marx发生器的核心是通过巧妙的电路结构集中能量，将电源的能量存储在电容中并在短时间内释放，从而达到以低规格的零部件获取高压的效果。材料中需要的高压变压器，高压电容和电阻耐压可以比最后的高压低上许多（材料准备中可以看到这一点），所以非常适合自行DIY！

2   材料准备

电路上看这个发生器的部件非常简单，只需要一些常见的电阻电容就能够解决（不愧是上世纪20年代的技术。。。）。按电路图，我做的4级Mark发生器需要的部件如下：

○ D：高压二极管（或者高压硅堆），耐压5kV以上

○ R1：10M电阻，耐压3kV以上

○ R： 2M电阻7个，耐压3kV以上

○ C： 2000pF电容4个，耐压3kV以上

上面这些是理论上的要求，所用的都是高压电容，电阻，二极管。但是还有对器件要求更低的替代方案。。。。。

○ D：IN4004串联，每个耐压400V，串上10个就有4kV耐压了

○ R1：1/8W，1M电阻10个串联

○ R： 1/8W，470k电阻4个串联，合计7组

○ C： 2000pF电阻4个，耐压3kV以上

这里串联的目的都是增加耐压值。尤其要注意的是普通的电阻，它们能承受的电压都不太高，只有300~500V（可以看出在R上只用了4个电阻串联其实很不够保险。。。但是作为演示够用了，嗯，其实是我偷懒），直接加上kV级别电压会击穿绝缘发生打火，然后就没有需要的阻值可言了。。。。。

除了发生器本体，还需要一个提供初始高压的前级。电路图里提供的变压器是一个方法，但是其他的高压源也可以考虑。最后我用的是一个负离子发生器中的直流模块，标称3kV，并且输出直接是直流，可以省去后面的整流二极管D。

● 最后还需要应手的工具，电烙铁焊锡松香钢丝钳镊子之类，常做电子方面的筒子们一般都有，就不多说了。

3   焊接电路

焊接本身没有什么技巧可言。。。而且电路简单，完全可以依样画葫芦。

一些需要注意的事情如下：

• 注意电路图中那些电压差距大的地方，布置元件时留出足够的安全距离。
• 焊接电阻，二极管时尽量保持表面清洁。。。脏污的表面容易打火爬电，需要的时候可以用酒精棉球擦洗一下。
• 串接多个元件时可以先将引脚缠住再焊，这样比较省时间。
• 电容间隙可以直接用两根挨近的铜线，注意间隙的距离适合于选用的前级高压发生器，确保初始电压足够击穿间隙。而最后的大间隙距离可以比前面的小间隙大不少。
• 有条件的时候可以将电容间隙制成球状（焊上钢珠或者一团焊锡），与尖端放电相比球状间隙的击穿电压更大也更稳定。

4   调试——噼啪！

• 焊接好之后开始测试——且慢。**安全第一，尤其是高电压制作。**相信不小心被电蚊拍电过的人都不容易忘记那滋味，更别提被这个打到了。。。。
• 检查各处焊点，高电压部分周围没有导电物，最好给整个电路准备一个绝缘垫子。准备好之后确认电源极性，最后确认无误才能通电。图中可以看到我把它们放在一个小纸箱里，免得一不小心电到花花草草手机电脑。。。。。
• 最好的情况下，每过3~5秒，就可以看到4个间隙几乎同时击穿，同时大间隙发出响亮的噼啪声，同时在空中跃过浅蓝色的明亮电弧。和闪电一样，这样的声音是由于空气受热急剧膨胀产生的。

5   故障排查列表

实验中更多的可能是，等了很久以后发生器没有动弹的迹象。下面是一些来自亲身经历的故障排查建议，可供参考。

• 用万用表检查高压前级的供电是否正常。 警告：珍爱生命和表，远离高压部分
• 很多高压模块的高频变压器在工作时会发出嗡嗡声，可以帮助判别高压前级是否工作正常。
• 准备一个带有绝缘柄的金属器具（通常可以用新的干净塑柄螺丝刀），用它短路前级高压的输出。如果是交流高压应该可以拉出电弧，直流高压会有小的电火花和噼啪声。 警告：一定要确认绝缘完善，否则有高压触电危险！
• 短路没有明显现象的话，拆下后级电路，单独测试前级输出。没有高压输出或者输出不够劲的话，换一个吧。 警告：一经通电，电容中就有可能存储高压，做任何焊接工作时都应断开电源，用金属物短路电容两端充分放电，然后才能继续进行。
• 前级正常的话，一大可能是后级的放电间隙超出前级的负载能力。尝试调小放电间隙。如果小放电间隙中不时有细微火花，但是大间隙中始终没有放电，那么把大间隙的距离调小。 警告：同上，先给电容放电再调整。
• 最后，如果觉得大间隙中的电弧太短，可以逐级拉大放电间隙直到刚好能放电，并且用球形间隙作改进，来获得更大的放电电压。

6   DIYer签到处

编辑:	小蜂

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