高電圧発生装時の電流

質問

多段構成のマルクス発生器を自作したのですが、出力端に火花放電を発生器させた時の電流波形を、高圧プローブを介したデジタルオシロで正しく測定する方法について悩んでおります。
出力端のＧＮＤ側に直列に検出抵抗として４７Ωの抵抗を接続し、その両端から得られる電圧から電流を算出したのですが、その値は数百アンペアと、ありえない値な気がします。ちなみに４[kV]充電の１１段構成です。

回答No.2

inara · ベストアンサー

構成は「４[kV]充電の１１段」とのことですが、ということは出力電圧は44kVですか？47Ωに数百A相当の電流ということは、47Ωの両端の電圧は20kV程度出ていたということですね。検出抵抗の47Ωは↓の回路（８ページ目）の左端の抵抗のGND側に入っているのでしょうか。
http://www.pplab.eecs.kumamoto-u.ac.jp/research_J/mini/2006Abumon_Mini1.pdf

Marx回路を始めて知ったので、理解のためにいろいろ質問させていただきましたが、充電時にはハシゴ部分の抵抗に電流が流れますが、放電時はその抵抗は関係なくなりますね。ということは放電電流はスイッチング素子を流れるわけですが、もし数百Aもの大電流が流れたとしたら壊れてしまうのではないでしょうか。

ANo.1さんがおっしゃるように、電流検出抵抗（47Ω）のインダクタンス成分が大きいために、逆起電力パルスを観測されている可能性があります。47Ω両端の信号の波形はどのようになっていますか（立ち上がりと立下りに大きなピークが出ていますか。本来出ないはずの負電圧側に出ていませんか）？

Marx回路の出力波形例を見ると、数十nsくらいで立ち上がっているので、いい加減な素子は使えません。47Ωはどんな抵抗をお使いでしょうか？セメント抵抗は内部が巻き線なのでインダクタンスが大きく、このような用途には使えません。

１段で4kVというのも大変な回路ですね。44kVの出力電圧波形を見るのも大変（危険）だと思いますが、充電パワーとパルス幅から、電流は計算できます（ N*C*Vin^2/2 = Iout*Vou*tw )。N ：段数、C ：１段のキャパシタ容量[F]、Vin ：充電電圧[V]、Vout ：出力電圧 [V]、I ：出力電流 [A]、パルス幅 [s] 。ただしこれで分かるのは放電時のVoutが既知の場合です。抵抗分割でVoutを1/10000に落としたとしても、オシロのプローブのように補償キャパシタを入れるなどして高周波的にフラットな分圧器にするのは、電圧が高いだけに、結構大変だと思います。

お礼

回答ありがとうございます。
>>検出抵抗の47Ωは↓の回路（８ページ目）の左端の抵抗のGND側に入っているのでしょうか。
そうです。

>>47Ω両端の信号の波形はどのようになっていますか？
非常にノイズがのった様な波形で、おっしゃる通り負電圧側にも大きなピークが出でいました。そのため、波頭長・波尾長もよくわからない状態です。

>>47Ωはどんな抵抗をお使いでしょうか？
ソリッド抵抗を使いました。

回答No.6

inara

＞実験したのは以下の回路です。
見れません。

回答No.5

tadys

波形にリンギングが乗っているということからプローブの使い方の問題が大きいようです。

プローブのアースと先端を抵抗の同じ場所に接続したときの波形はどうなっていますか？
すぐに実験できる事なのでやってみてください。
プローブの使い方に問題がないのなら波形は観測されないはずですが。
波形が見えるようでしたらプローブの使い方が適切でない事になります。

P6015Aについてはプローブの配置によって波形が変化するようです。参考URLを見てください。

４７Ωの抵抗に44kVの電圧をかけると言うのも問題です。通常のソリッド抵抗ならばそんな電圧をかけて良いようには作られていません。

電流を見たいのであれば素直に電流プローブを使うのが良いでしょう。

参考URL：

http://www.tektronix.co.jp/products/accessories/pdf/acc_P6015A.pdf

回答No.4

inara

＞ソリッド抵抗は（２）のものです。廃品の電気製品を分解して得たものなので経時変化はあるかもしれませんね。
これは結構古い抵抗ですね。瞬間的にしろ数百アンペアの電流を流した場合、中の焼結抵抗体が焼損したりしないでしょうか。断線していたらMarx回路に充電できないので断線はしていないのでしょうが。でも47Ωより高い抵抗になっていても充電はされるので、テスターで47Ωあるかチェックしたほうがいいかもしれません。

＞通常は対球電極にし、出来る限り平等電界が得られるようにしますが、球電極が手に入らなかったため六角袋ナットを流用しました。
Gapにバラツキがあると11段同時にONにならない可能性はありますが、その場合、出力波形が階段状になるだけで、47Ωの両端の電圧波形にスパイクが出ることはないと思いますが。

廃品の電気製品を分解して得たソリッド抵抗が臭いと思います。47Ωのソリッド抵抗と100Ωくらいの抵抗（高周波特性が良いと思われるもの）を直列に接続して、47Ω＋100Ωの両端に、上がり時間が100ns程度で振幅が数Vの矩形波を加えてみて、47Ωのソリッド抵抗の両端の波形を見てください。高圧プローブでも波形が見れれば高圧プローブのほうがいいですが、信号が小さくて観測できないときは普通の10:1プローブを使ってください。その波形がちゃんとした矩形波なら、47Ωのソリッド抵抗は問題ないと思いますが、大電流を流したときに異常になるのかもしれません。

お礼

なるほど、後日試してみます。47Ωあることは確認済みです。
それと今気付いたのですが、私の説明が言葉足らずだったようで。実験したのは以下の回路です。
http://www.vipper.org/vip451360.jpg.html

回答No.3

inara

＞おっしゃる通り負電圧側にも大きなピークが出でいました。
だとしたら、やはりインダクタンス成分による逆起電力が重畳しているのですね。

＞ソリッド抵抗を使いました。
最近見かけない古いタイプですかね（昔はこれしかなかったですが）。外観は以下のどれでしょうか。
(1) 鉄アレイのように両端がやや太くなっているが中心部は円筒形。リード線は円筒の軸方向と直角に出ている。円筒にらせん状の溝が入っていますか？
(2) 両端が盛り上がっていない完全な円筒形でカラーコード付。リード線は円筒の中心軸から軸方向に出ている。円筒は茶色。

(1)は炭素皮膜抵抗で、らせん溝入りは高周波特性が悪いかもしれませんが、低抵抗は溝が少ないので問題ないはずです。(2)はソリッド抵抗ですが、巻き線構造がないので原理的に高周波まで使えます。経時変化があるので古いものは特性が良くないかもしれません。末尾のURL[3]に抵抗器の特徴（高周波特性も）が出ています。もし抵抗値のインピーダンスをLCRメータか何かで測定できるのなら確認してみてください。

もっと低い抵抗値（10Ω）で良いのであれば電流検出用の抵抗[3]というのがあって、こちらは高周波特性に注意されていますので、参考にしてください。

抵抗器は問題なくて、ANo.1さんがおっしゃるように、プローブの問題ではないでしょうね。高圧プローブは手作りですか？それとも市販品ですか？40kVの高圧プローブ[4]は結構高価ですね。私は高圧プローブを使ったことはありますが40kVは未経験です。カタログを見ると、3mケーブルで75MHzまで使えるようなので特に問題ないと思いますが、念のため周波数補償の調整ズレがないか確認してみてください（オシロから出ているテスト用の矩形波につないで、プローブのトリマコンデンサを調整）。

【抵抗器の特徴】
[1]　http://www.serial.co.jp/electronics/mechatro.htm
[2]　http://www1.s-cat.ne.jp/kiyoshi/m_basic/part_r0.htm#RC
【電流検出用抵抗】
[3] http://www.koaproducts.com/topics/topics1.htm
【40kVのプローブ】
[4] 【価格】　http://www.ppl.eng.osaka-u.ac.jp/kitano/power/
[5] 【P6015】 http://www.tektronix.co.jp/cgi-bin/frame.cgi?body=/Products/Measurement_Prod/Accessories/acc_hv.html

お礼

ソリッド抵抗は（２）のものです。廃品の電気製品を分解して得たものなので経時変化はあるかもしれませんね。

高圧プローブはまさにそのテクトロのP6015Aを使っております。

他の原因として、マルクス発生器本体のギャップスイッチは通常球対球電極にし、出来る限り平等電界が得られるようにしますが、球電極が手に入らなかったため六角袋ナットを流用しました。それによる不平等電界の形成がこの現象に関係あるような気がしますがどうなんでしょう。

回答No.1

tadys

コンデンサの種類や配置、配線のしかたによっては有りえなくも無いとは思いますが測定の方法にも問題があるかもしれません。

１、測定用の抵抗は周波数特性のよいものでないと正確な測定は出来ません。
　　特にインダクタンス成分があると立ち上がりが大きくなってしまいます。
２、オシロのプローブはCMRRがよくないので高速のパルスでは誤差が大きくなります。

CMRRの影響を見るにはプローブのアースとチップ先端を抵抗のGND側に接続して波形を見てください。
この状態でパルス波形が見えないか振幅が小さければオシロ側は大丈夫です。

波形が大きい場合には以下の対策をします。
Ａ、プローブのアースリードを短くする。
Ｂ、プローブのクリップを外して先端部分のＧＮＤと測定部のＧＮＤを短い線で結ぶ。信号側も短くする。
　　プローブに半田付けなどは出来ないので裸線、バネなどで接触を図る。
　　テクトロのプローブにはこのような目的の部品が付いている場合があります。
Ｃ、プローブのリード部分に不要輻射防止用のフェライトコアを取り付けてみる。
Ｄ、２本のプローブを使い、オシロの差分演算機能で差分を表示する。

これらの方法に効果があるかどうかの確認はプローブのアースと先端を抵抗の同じ場所に接続して波形が小さいかどうかで行います。
十分小さかったら抵抗の両端で測定します。

これらの方法で効果が見られない場合は差動プローブを使うことで効果があるかもしれません。
光ファイバを使ったアイソレーションシステムを使えば大丈夫でしょう。
差動プローブやアイソレーションシステムは参考ＵＲＬからレンタルすることが可能です。
テクトロニクスなどとコンタクトが可能ならばデモ機の貸し出しを受けることが出来るかもしれません。

参考URL：

http://www.orixrentec.jp/TM/search_list.cgi?type=3&route=4&lcategory=30029&id=1-9-2

お礼

解答ありがとうございます。
測定関連の事にはほとんど無知でして。試してみます。