目前KC上所有的放电间隙开关汇总+分析+实验报告
Ball_Lightning2022/07/09原创 电磁炮

前言——对放电间隙开关的要求:

放电间隙开关(火花间隙开关/放电隙/spark gap/spark swich)一直是电磁炮圈子里一个比较冷门的话题。它可以用于某些SCR难以承受的高压电路,或是di/dt超大的场合。其特点就是:高可靠性(皮实耐用)

放电间隙开关的主要思想是用气体在不同状态下的导电性不同来转换功率回路状态。实现这个目标的途径主要有3个:

  1. 用电路自身上能产生高电压的部件实现击穿气体

  2. 外部高压输入,在间隙之间产生通路

  3. 通过向间隙之间发射电子(离子),加热阴极,或是通过气压等物理量的变化来实现气体击穿极限的变化

好的放电间隙开关要求触发稳定。因为对多级电磁炮来说,每一级的触发只有一次机会,所以为了安全,必须保证这个电路可以百分百成功打火。

通过途径2来打开电路的设计方案,应要求触发电压有足够的冗余量。某些爱好者设计放电管开关的时候会提到诸如“这个放电管的耐压要大于一倍发射电压小于二倍发射电压”之类的条件,其实这完全不靠谱。即使是大工厂工业流水线生产的放电管,触发电压也会有正负20%的误差,更别提自制的了。

KC上能看到的火花间隙触发电路,一般来自发明者的YY,缺乏实验支撑。所以今天,我将总结一下目前KC上能见到的所有成功过的放电间隙开关。

---------------------------我是分割线----------------------------------

正文开始:

PART  1   二级放电间隙开关

壹·

upload_downloader_1656655885827_22094188.png

来自4hv,最早由@lovevius 引入本论坛。其思想是利用发射线圈本身来产生高电压,与发射电压叠加后打通spark switch。(注意,左边电感和发射线圈是有耦合的)

优点:触发稳定有效

缺点:

1.触发单元引出线由于要承受瞬时(几ns)巨大的电流,所以不能离发射线圈太远,否则可能失效

2.不能用一个电容先后触发许多级的火花间隙

XXXXigger cap储能不能太少,所以触发损耗能量会更多

验证:放电管触发电路实验 - 科创

贰·

无标题.png

@三水合番 设计

验证:测试放电管大电流下的导通压降以及击穿电压 - 科创

据说用这个电路触发350V放电管成功,3500V未成功。本人验证未成功

如果前辈对这个电路有新的解释或改进,请回帖留言,谢谢😀

PART  2  三级放电间隙开关

壹·

1641560308904chufa.jpg

来路不详,由 @时代系 引入本论坛

具体的工作原理我还无法给出准确的解释。KCer们可以试着帮我解释一下,在间隙下半部分打火之后,上半部分是如何打火的

验证:6级14mm感应炮 - 科创

7月9日上午8:00,我忽然茅塞顿开,修改了这个电路并自认为找到了二次打火的方法,但由于未经实验验证,我将在其他楼层展示我的电路。

贰·

deea49ba921c9d1431c45aacf4fb6a7ffcd3344f.jpg

@创世实验室 同学设计,并最先验证。

本人也曾用zvs推高压包代替电路的左半部分,储能电容有电时成功触发。成功的原因可能是某一部分间隙打火之后由于温度,离子浓度巴拉巴拉的因素导致储能电容自己击穿了另一部分间隙。

但是,对于创世实验室同学视频里电容没电时电弧分两条路径流动的画面始终未能模仿成功。

后来询问了b站的萌萌战队,他的回答是:

无标题.png

如果事实真的如他所言,那么这种触发方式极其危险。当次级线圈匝数较少时(事实上可能只需要20匝)如果间隙的上半部分先打了火,那么线圈,磁芯什么的会直接爆掉😅

要解决这个问题,我们可以在次级旁边串联一个高压电容,这样不会有过多能量从储能电容涌入次级。其实,这样修改之后与之前三水前辈帖子里第一张电路图一样。

在研究感应炮的过程中,本人对三级火花间隙开关有了更深刻的理解。偶然中,我将自制的铝箔片电容并联在高压包两端然后如图接线,形成了明亮的分叉电弧。

如视频所示:


0e68439f07763bc70aa6d4ad1a0165ef.mp4 点击下载

在我的固有印象里,电弧仿佛只能有一条路径,一旦某处等离子体形成,别处的电压就会被拉低,失去了形成电弧的条件。

所以我猜想两条电弧只不过是随机交替打火造成的视觉暂留。

有了这个猜想我立刻开始试验。

微信图片_20220709165920.jpg

可以看到即使没有电容组和电感,也会出现分叉电弧,而当电容逐次放电时,只有一条最短路径。

这个实验c我做了一百次,只观察到2次电弧分叉。

有趣的是,当我把中心出头怼入更深的时候,不知什么原因,电弧更习惯于分成两部分,一上一下,粗的是直接与高压电容负极相连,那个电弧变细的原因应该是被电感扼流了。

慢镜头视频传不上来🤔一会在其他楼层试试看

另外,通过对电路的多次分析和yy,我发现只要是在小电容下边那条线上有一个大电阻,就可以实现半隙打火后另外半隙打火。我想到用发射线圈,也就是电感遏制电压下降,但维持时间只有几ns,现实实验中仍然不行。

明天我去把中心触头分两个尖锐的叉指向两边,看看触发效果如何。


来自:物理高能技术 / 电磁炮动手实践:实验报导严肃内容:专著/论述
10
 
Ball_Lightning 作者
1个月5天前
1楼

我去,这图怎么是倒着的😂

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二次元的创世科技
1个月5天前
2楼

CA4AB240-DE51-4A35-BF89-FBDF4AF99DA3.jpeg CA4AB240-DE51-4A35-BF89-FBDF4AF99DA3.jpeg 额,说一下,时代系那个放电系是引自一个德国老哥的:XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/XXXXXXXXXm


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虎哥
1个月5天前 修改于 1个月5天前
3楼

那个触发极,并不参与主放电(不然就炸坏了)。触发的作用是用更高的电压使主电极起弧,主电极和触发极之间起弧后,它的表面发射就会变得活跃。由于触发电容很快就放光了,产生的电弧(类似于半导体中的载流子)在电场作用下还可能飘向另一个主电极,于是主电极之间此时的“击穿电压”就迅速的下降到主电容电压以下,主电极之间发生放电。一般来说,主电极之间的放电只遵循他们之间的规律,无需考虑触发电极。

基于上述原理,触发极可以适当的靠近其中一个主电极,从而降低触发电压,并不需要放在两个主电极的中点位置。

这种触发方式安全可靠,是十分常见的,个人猜测可追溯到百年之前,并不是电炮领域的发明。

需要注意的是,常见的电弧放电,并不只有电极的参与,空气也是很重要的。没有空气就没有放电(真空放电极困难并且是完全不同的原理),空气是放电的参与者。气体离子是电的传递者,不同的气体会有不同的绝缘能力和传递速度,分子量越小的气体带电后荷质比越大,在电场下的相互作用越快,于是能达到越大的di/dt。因此,充装氢气、氦气的放电管比空气快。但氦气太容易电离,也就是绝缘能力太差,因此在高速放电管中,能用的就只有氢气了。另一个办法就是加大气压。电极被加热烧蚀后,表面逸出的电子和离子也是很重要的,一个极端情况就是电弧焊,只要电流够大,在几十V的电压下可以拉出几厘米的电弧。

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Ball_Lightning作者
1个月4天前
4楼

微信图片_20220710215650.jpg

忘了说,今天下午我实验了一种独特的火花间隙,据我所知没有人尝试过这个电路

如图所示(电路与本帖中实验d一样)。

这个结构与 @虎哥 在我另一篇帖子下回复的工作原理是完全不同的。我认为这类似于闪电分叉(但其实我并不理解百度上的闪电分叉的原理😂谁来解释解释)

这个电路触发成功率接近百分百,缺点是……阻抗有点大。只要中间的线粗一些我觉得应该问题不大。

所以本次多级感应炮初次实验我采用了它当触发单元并获得成功。具体的在多级感应炮项目正式开工,持续更新 - 科创中更新,谢谢关注😃



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阡陌徘徊
1个月4天前
5楼

upload_downloader_1657505339255_18372665.jpg 左侧3nF电容在初始时刻两端电压有6+2.5=8.5Kv,按下Trigger以后,这个电压通过150K的电阻加在放电管两端,击穿放电管。

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Ball_Lightning作者
1个月4天前
6楼

额,按下trigger 以后6kV电源+极与390k右边电压不就没了吗?此时150k两端只有不到2.5kV吧。

如果要那样的话需要在3nF电容正下方那条线上以及Triggerstrecke下边各串一个大电阻

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Ball_Lightning作者
1个月4天前
7楼
引用阡陌徘徊发表于5楼的内容
左侧3nF电容在初始时刻两端电压有6+2.5=8.5Kv,按下Trigger以后,这个电压通过150...

对不起刚才忘了引用你了😅@阡陌徘徊

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阡陌徘徊
1个月3天前
8楼
引用Ball_Lightning发表于6楼的内容
额,按下trigger 以后6kV电源+极与390k右边电压不就没了吗?此时150k两端只有不到2....

先是电容充电呀,按下trigger以后电容8.5KV击穿放电管呀,和6kv没关系呀。由于电感的作用,合上trigger瞬间,电流不会被立刻拉低到2.5Kv,而是优先击穿了放电管,放电。

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Ball_Lightning作者
1个月3天前
9楼

@阡陌徘徊

评论里超过200字发不了……

我用祖传的Railgun simulator 模拟(20kV2nF对20uH放电)的数据是电感峰值电流160A,即使模拟步长拉到0.1ns,也看不到电压下降的过程😂

另外,我给用35kHz的高压包通过30uH电感给电容充电,观察不到二级间隙打火的情况

也试过用高压电容通过5MΩ电阻击穿二级间隙,失败。

说明电感或电阻什么的扼制电压的能力与我们的需求相比太弱了

呃……您表示火花间隙两端电压的是哪两个点啊?表示没看太懂,您画得难道不是一个二级火花间隙?

在原电路图里如果下半个间隙先打火,小电容就会接地,能量会迅速释放

下一步您或许可以试试把电路图里那个电感调成10uH


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时代系
13天13时前
10楼

1630749577942.jpeg


V_20220107_203354_ES6.mp4 点击下载

对了,给你看图(电弧是先打在上端,让后击穿间隙放电,不知道是不是手机问题拍不到)

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