马克思发生器(Marx发生器、多级冲击电压发生器)的原理简介与制作教程

马克思发生器（Marx发生器、多级冲击电压发生器）的原理简介与制作教程

天狼晓月

平龙认工作室

2011年7月2日 1.0版（点击察看是否有更新）

欢迎转载，转载请注明作者和出处，且勿修改文章内容。

本文章部分原理资料参考中国电力出版社出版的《高电压技术》（第二版）。

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警告：Marx发生器的工作方式是并联充电串联放电，所有电容的全容量将在放电中得到完全释放，因此释放的能量相对较高，可能对人体造成伤害，请您决定动手制作前保证自己具备相关的高压安全常识及防护知识。

免责声明：一切由制作此Marx发生器可能引起的直接、间接经济损失或人身安全事故，本人及平龙认工作室不负任何责任，请您知悉。

马克思发生器（Marx Generator）是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置，该结构由E.Marx于1924年提出，它能模仿雷电及操作过电压等过程。所以经常用于绝缘冲击耐压及介质冲击击穿、放电等试验中。

Marx发生器在科学试验中是重要的试验设备，已经有非常完善的理论和设计技术，我们所制作的Marx发生器，其实只是Marx发生器的一个基本模型，在大型Marx发生器中，使用电感取代了充电电阻，使用变压器油将发生器整体浸泡绝缘，使得效率更高。而整个Marx发生器中，最为关键的就是打火间隙，可以说打火间隙制作的好坏，直接决定了Marx发生器的工作效果。

基本工作原理

多级冲击电压发生器通常都采用Marx回路，如图1所示。平龙认工作室·天狼晓月


图中C为级电容，它们由充电电阻R并联起来，通过 变压器T-高压硅堆D-充电电阻R充电到电源电压U。

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为点火间隙，由点火脉冲起动；其他各级中g为中间间隙，它们调整在g0起动后逐个动作。

这些间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。平龙认工作室·天狼晓月

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。

需要注意的几个关键点

1、 各级电容C经数目不等的的充电电阻R并联的由电源进行充电，由于充电电阻的数目各异，各电容上的电压上升速率是不同的，最前面的C充电最快，最后面的C充电最慢。不过在充电时间足够长时，全部电容都几乎能充到电源电压。为了避免第一个电容迅速充电到电源电压然后使第一间隙打火，而后面的电容却没有充电到位这种情况的发生，电源到发生器之间应该有一个足够大的保护电阻，即有些图上的 10MΩ或 50MΩ的电阻。

2、 电阻R虽然称为充电电阻，但实际上他们在充电过程中没有什么作用。如果取他们的阻值为0，各电容的充电速度反而更快。但是，这些充电电阻在放电过程中却起着非常重要的作用，而且其阻值要足够大（数兆欧），而对其阻值稳定性的要求并不太高。

3、 一旦第一对火花间隙g0被击穿，各级间隙g均将迅速依次击穿，所有电容被串联起来，发生器立即由充电状态转为放电过程，因此第一对间隙g0被称为“点火间隙（或点火球隙）”。

4、 由于前级间隙击穿后，后一级间隙上的电压是逐级叠加的，所以通常将各级间隙的极间距离也设计为逐渐增大。

5、 冲击电压发生器的起动方式有两种。一种是自启动方式，这时只要把点火间隙g0的极间距离调整到等于或略小于电源的打火电压，当点火间隙上的电压上升到等于电源电压时，点火间隙即自行击穿，起动整套装置。这时输出的冲击电压高低主要取决于点火间隙的极间距离，提高充电电源的电压，只能加快充电速度和增大冲击波的输出频率，而不能提高输出电压。另一种起动方式是点火间隙的间距大于电源击穿电压，使用外部点火脉冲起动整套装置，这个方式业余条件下不容易做到且对于业余条件来说没有什么意义，不做过多叙述。平龙认工作室·天狼晓月

通常情况下，Marx发生器的输出电压取决于电源电压（高压电源的电压）、点火间隙的极间距离、级数（即电容个数）。

制作Marx发生器的元件选择

天狼晓月自注：由于本文是天狼晓月誊写的文章，以下选材的说明为客观说明，但所选择的元件为平龙认工作室有售的最合适元件，并不是说您必须选择我们工作室的元件，您也可以按照元件的要求，在本地市场就近购买或在网络上选择您认为更合适的元件。

一、电容。Marx发生器的

电容需要符合以下几点要求：

1、 充放电等效内阻小。这是很重要的，否则等效内阻过大相当于每个电容的引脚上都串联着限流电阻，放电的时候火花就不会很剧烈。

2、 耐压足够高。耐压太低，要么输入过高电压后自身击穿，要么做很多级后输出电压因为仍然是级数乘电源电压（电源电压不能超过电容耐压），输出电压很低。

3、 容量适当的大。在业余制作的情况下，由于并不需要指定输出的冲击能量大小，很多朋友仅仅是为了看到很长的发出响亮声音的火花，那么容量不要无限的取大，否则不但成本增加，而且输出能量过高，一旦误触可能有生命危险。

4、 由于业余制作条件下，制作出来的Marx发生器多数是在空气中直接工作的，不浸泡变压器油，所以元件的引脚都应该大于其耐压的空气击穿距离，例如在20KV下工作的电容，引脚间距要大于20KV的约 2厘米空气击穿距离，否则引脚间距过小，将在空气中直接打火，而无法让放电间隙正常打火。平龙认工作室·天狼晓月

综上所述，平龙认工作室所销售的电容有两种类型较为合适：

1、20KV 2000pF CBB高压电容



此电容耐压20KV，容量2000pF，引脚间距大于 3厘米。

2、50KV 1000pF 高压陶瓷电容



此电容耐压50KV，容量1000pF，引脚间距大于 3.5厘米。

二、电阻。Marx发生器的电阻需要符合以下几点要求：

1、 耐压要足够高。如果耐压不够高，不管阻值多么合适，神马都是浮云……由于耐压不够，会造成元件表面电晕放电或沿面电弧放电，这就会造成电阻暂时失效或永久损坏。

2、 阻值要足够大。当然不是越大越好。在10~20KV电源电压的情况下，一般取值 1M~ 2MΩ较为合适。20KV~40KV电源电压的话，则 2M~ 3M比较合适。

3、 电阻的长度要足够长。电阻体长度最好大于高压电源的击穿长度（既10KV电源 1厘米击穿长度，电阻长度最好大于 1厘米）。为什么会有这个说明，有些朋友可能比较迷惑，认为高压电阻不都是很长的吗？这个概念并不算太错，但是长的并不都是高压电阻，而高压电阻也并不都是很长的。有些电路中使用的低阻值高压电阻，电阻体上仅仅是对地带有很高的电压，电阻两端并不承受高压，这类高压电阻的长度就并不很大。而以前的老国产电阻大功率的都是很长的，但是他们并不是高压电阻。这类非高压电阻由于内部的陶瓷基和表面的绝缘油漆等是按照几百伏的耐压标准设计的，在高压下容易电晕放电或沿面放电。至于大红色电阻都是高压电阻，这个概念却是彻底错误的，后面会提到。平龙认工作

室·天狼晓月

需要注意的一点是，不要把大红袍电阻（即表面涂红色油漆的电阻）作为高压电阻来使用，大红袍电阻为计划经济时代不惜工本的精品之作，请注意此类电阻的颜色并不是鲜红的而是很黯淡的红色，这并不是长期存放造成的，而是大红袍电阻的工艺所决定的，此类电阻生产出来后要在指定温度的烘箱内老化烘烤数天待参数稳定后方可出厂，红色的黯淡即此老化工艺所致。大红袍是国内早期的产品，90年代之后即已经不再生产（因新的国标已经制定）。而现在有不少厂家为了傍上大红袍的口碑，做出来的电阻刷上红油漆然后就卖很高的价格，这样的电阻仅仅是红色好看而已，并没有大红袍所具备的特性和优点。大红袍电阻中有高压电阻，这类高压电阻电阻体上标有耐压数值，例如3KV/5KV/8KV等字样。电阻体上未标明耐压的大红袍，只是普通大红袍电阻，并非高压电阻。另外一定要注意有新产品傍大红袍这个名字制作徒有其表的电阻，这类新产品建议不要选用。

另外需要注意的一点是，高压电阻的价格都非常高，最便宜的一只一般也要8元以上，Marx发生器的每级是2个电阻，如果作为业余爱好者来说，多级的发生器所用的电阻全用高压电阻是一笔不小的支出。

为了解决这个问题，有几个方法可以变通使用：

1、 可以使用普通的几角钱（甚至几分钱）的2W~5W高阻值电阻。为了表面电晕放电和沿面放电的问题，将电阻在松香和石蜡（即蜡烛的材料）的混合熔融液体中浸泡一下取出冷却，使得表面的绝缘介质变为松香石蜡混合体，加强表面绝缘。也可以用2个500KΩ左右的电阻串联作为1个 1MΩ来使用，这样两个电阻将各分担高压的一半，所承受的压力减轻。这种方法成本是最低的，普通电阻一般来说当地都有销售，而且很便宜。

2、 使用国产的比较老的电阻。这类电阻所用的陶瓷基和表面绝缘漆质量较好，且电阻体长度较长，能承受一定的高压。此方式成本不低，因为国产的老电阻留存到现在，价格都不便宜。

3、 使用耐压级别较低的高压电阻超参数工作。这样仍然存在电阻损坏的可能性，但比之使用普通电阻，损坏的可能性大大降低，但成本增高不少。

综上所述，平龙认工作室所销售的电阻有两种类型较为合适：

1、国产老产品的普通1MΩ（2MΩ） 2W碳膜电阻



此电阻为国产的老产品，质量比较好，价格适中，建议表面进行松香石蜡混合绝缘处理，否则一旦表面打火可能造成永久损坏。

2、2.2MΩ 3W高压电阻



此电阻为10KV高压电阻，可超参数在20KV下工作使用，即使偶尔表面出

现打火现象，一般不会造成损坏。

三、打火间隙。Marx发生器的打火间隙需要符合以下几点要求：

1、 放电部位足够平滑，没有尖端和毛刺。打火间隙如果表面有尖端或毛刺，会造成电晕放电或者尖端放电，高压爱好者都知道，尖端比球面更容易放电，那么一旦尖端放电，会降低电容两端的电压或引起提前放电，这可能会造成Marx发生器打火乱序或者输出电压变低，严重时甚至整体无法工作。

2、 在多次放电后，表面不应由于高压冲击而造成严重的毛刺或烧蚀。

3、 本身具有一定强度，不会由于轻微的外力或高压放电的作用力导致变形或位移。平龙认工作室·天狼晓月

打火间隙的形状以球形为最好。如果无条件做到，那么一个弯成平滑弧形的放电尖端也是要尽量做到的。材料铜或铁，关系不大，但是截面积稍大一些利于散热和分担冲击高压，避免表面集中的被烧蚀。

综上所述：

打火间隙可以用比较粗的铜丝弯成弧形：

引用自网友Flottant在平龙认工作室高电压爱好者分站所发的作品图片，参看红圈内打火间隙。



也可以用螺丝保护头作为放电间隙：

引用自网友作品（未知）



也有网友很认真，把自行车的钢珠焊接在了铜丝上，这种电极其实是最标准的电极，不过焊接有相当的难度：

引用自网友sheng的作品图片。



至于Marx发生器的高压电源如何准备，这个其实不在本教程叙述的范畴之内。平龙认工作室店内有20KV的高压模块，输入3V左右时，输出大约12~15KV左右，作为小型Marx发生器的高压电源是比较合适的解决方案。当然，其实一切直流高压电源都是可以使用的。例如您自制的单管自激高压电源、ZVS高压电源或555震荡高压电源等。需要注意的是，Marx发生器是需要输入直流高压的，不要把变压器出来的高压不经整流直接输入Marx发生器，这样的话Marx发生器不能正常工作。黑白/彩电高压包内含高压硅堆，在允许参数和频率内输出的是近似半波整流的高压，但是如果您的驱动电路过于强劲，超出了高压包内含的硅堆耐压或电流参数，可能导致硅堆进入软击穿甚至硬击穿状态，这个时候输出的高压可能是交流高压，也可能是含有很强交流成分的近似直流高压，这两类输出是不可以让Marx发生器工作的，严重的时候还可能损坏Marx发生器的电容或电阻。如果您做的高压电源输出电压不够高，但输出是交流高压，那也不要紧，您可以用倍压电路对您的高压进行n倍压整流，合理的选取n的倍数，使得输出高压接近Marx发生器的电容耐压（但绝不要超过），可以获得最理想的高压输出。

平龙认工作室·天狼晓月

判断高压输出大约电压数值的一简易方法是，将高压输出接至球形间隙或者有弧度的铜丝上，由两侧向中间缓慢靠近，记录刚好产生电弧的距离。连续记录几次，如果差距不大的话，那么可以根据这个距离推算高压的电压数值。在一个大气压条件下，空气湿度不是很低很高（也即不是刚下过雨或即将下雨等情况），大约10KV的高压能击穿 1厘米左右的空气。这个数值可能有一定误差，但是在没有测量高压的设备的情况下，不失为一个简易的办法。在电工学上，有专门的球隙电压测量器，同时有击穿电压和空气湿度、气压等因素影响的对照修正表，当然我们没有这种条件，也就不再详述。

以下是我自己制作的一个很简易的五级Marx发生器，放电间隙偷懒使用铜丝弯出弧度，不过他也正常工作了。工作的时候可以产生大约 6厘米左右的电弧。



从这个角度可以看到简陋的打火间隙：



本文写到这里就结束了，如果有朋友还有其他意见或问题，可以加我的QQ 66678211或给我发邮件 Wolf@ 互相交流，如果有说的不到或不妥的地方，也请您多多指正。

平龙认工作室

天狼晓月

2011年7月1日