코크로프트-월턴 배전압 정류회로(Cockroft-Walton Voltage Multiplier) 를 만들어 보았다.
이 회로는 영국의 물리학자인 코크로프트(Sir John Douglas Cockcroft, 1897~1967)가 아일랜드의 물리학자인 월턴(Ernest Thomas Sinton Walton, 1903~1995)과 공동으로 입자가속기를
만들어서 인공 입자선에 의한 핵분열에 이용한 회로이다.
이 공로로 코크로프트와 월턴은 1951년 공동으로 노벨 물리학상을 수상하였다.
이 회로는 n 개의 콘덴서와 다이오드로 전압을 높이는 방식이라서 n배 전압 정류회로로 불리기도 한다.
실험을 위해서 0.1uF 의 콘덴서 100개와 다이오드(1N4007) 100 개를 준비했다.
[그림 1]
콘덴서의 내압은 630V 이다. 코크로프트 월턴 회로에서는 맨 첫번째 콘덴서에 교류전압의 최대값(220V 의 경우 311V)의 전압이 충전되고
그 다음 콘덴서부터는 교류전압의 최대값 전압의 2배 전압이 충전(622V)가 되므로 AC220V 에서 사용하려는 경우 콘덴서의 내압은 622V 보다 높아야 한다.
[그림 2]
먼저 그림 2 과 같이 콘덴서들을 글루건으로 고정시킨 후, 다리를 구부려서 납땜하기 편리하도록 만든다.
다루기 쉽도록 25개씩 연결했다.
홀수개로 연결해야 전원측의 접지와 배전압회로의 접지가 같아지므로 한 개를 떼어내서 99 개로 연결하였다.
[그림 3]
그림3 은 납땜이 다 된 모습이다. 왼쪽의 두 가닥에 AC220V 를 가하면 흑색선과 오른쪽 적색 선 사이에 고전압이 생긴다.
발생하는 전압은 콘덴서의 갯수로 추산할 수 있는데, 99개의 콘덴서와 다이오드를 사용하였으므로 AC220V 의 최대값인 311V * 99 = 30789V (약 30kV)가 발생한다.
공기의 절연내력이 약 3kV/mm 이므로 1cm 정도의 갭에서 방전을 일으킬 수 있다.
그냥 방전을 일으키는것은 무의미하므로 알루미늄 호일로 만든 공을 왕복시키면서 방전되도록 했다.
[동영상 1]
동영상 1은 60Hz AC220V를 직접 회로에 가한 동영상이다. 코크로프트-월턴 회로는 전류제한장치 없이 AC전원에 바로 연결해버리면 2차가 방전될 때
AC전원측이 단락된 것 처럼 될 수 있다. 따라서 전류제한장치를 반드시 부착하고 실험해야 한다. 여기서는 전류제한장치 대신 과전류차단기(5A)
를 이용하고, 방전시킬 때는 스위치를 끄고 실시 하였다.
스위치를 올리면 전압이 점점 높아져서 알루미늄 구슬이 어느 한쪽으로 이동하게 되고, 전하를 충방전 시키면서 왕복운동을 하게 된다.
가위를 이용해서 전하를 방전시켰더니 폭음을 내면서 전하가 방전되고, 구슬의 움직임은 둔해진다. 방전거리는 약 1cm 정도 된다.
전기울타리용 전원 장치 등으로 사용하면 될 것 같다.
[동영상 2]
동영상 2 에서는 절연변압기를 이용하였다. 코크로프트-월턴 회로에서 이상이 생기더라도, 변압기 구간에서 전류가 제한되도록 하기
위해서이다. 220V-220V 절연변압기가 없어서 220V-24V 변압기 2 개를 이용했다.
여기서 나온 고전압으로 알루미늄 캔을 흔들어 보았다.
전원을 투입하면 오른쪽의 맥스캔은 점점 전압이 높아지게 된다. 그렇게 되면 정전기 유도현상으로 인해서 캔은 어느 한 쪽
극 쪽으로 끌려가게 된다.
(+) 극 쪽으로 끌려간 캔은, (+) 극에 닿자마자 (+) 전하로 충전되게 된다. 2개의 캔이 같은 전하를 띠게 되므로 반발력이
생겨서 캔은 왼쪽[(-)극 방향] 으로 끌려 가게된다.
(-) 극에 캔이 닿으면 전하가 방전되어 다시 (+) 극을 띤 캔으로 끌려가게 된다.
(+) 극에 전하가 충전되어 있는 한, 이 현상은 반복된다.
[동영상 3]
동영상 3에서는 두 깡통간의 거리를 좁혀본 것이다. 깡통이 더욱 빠른 속도로 움직인다.
이 때, (-) 극과 연결된 전선을 이용하여 (+) 극의 전하를 방전시키면 캔은 운동을 멈추게 된다.
이번에는 (-) 전압을 출력하는 30kV 모듈을 하나 더 제작하여 2개를 연결해 보았다.
[그림 4]
보관하기 편하도록 A4 용지를 보관할 수 있는 보관함에 수납하였다.
전원의 한 쪽을 접지시키면, 대지와는 30kV 의 전위차를 가지고, 2극 서로는 60kV 의 전위차를 가지게 된다. 전원은 SMPS 전원장치에서 빼낸
트랜스를 이용해서 블로킹발진을 이용한 전원공급을 하였다.
[동영상 4]
전선을 개별적으로 잡고 방전을 시켰을 때에는 코로나 방전때문에 전압이 높게 올라가지 않았는데,
뾰족한 부분이 거의 없는 깡통을 전극으로 사용하였더니 전압이 60kV 정도까지 상승해서 방전이 일어난다. 방전이 일어날 때 마다 물방울이
출렁거린다. 냉장고에서 꺼낸 음료수라서 그런지 이슬이 맺혀있었는데, 방전이 일어날 때 마다 응집이 되어 아래로 흘러갔다. 아마도 방전이 될
때, 초음파와 같은 강력한 파동이 가해져서 그런 것 같다.
[그림 5]
그림 5 에서는 약 100kV 를 발생시키는 모듈을 제작하여 사용하였다. 옆으로 누워 있는 병 속에 들어있는것이 해당 모듈이다.
테이크아웃용 플라스틱 컵을 애자로 사용하여, 아령 위에 은박접시와 껌종이를 올려두고 전압을 가하면 반발력으로 날아가게 된다.
은박접시가 코크로프트-월턴 회로의 전원선 부근에 떨어지면, 접시에 충전된 전하로 인해서 전원부가 손상되는 경우가 있으므로 저압측 전원부는 뽁뽁이비닐로 감쌌다.
전원공급은 12V 1A 기어드모터를 이용한 발전기로 하였다. 일반 전원을 사용하면 비상시 전원을 차단하기 어려울 수 있지만 기어드모터를 이용한 손발전기의 경우 발전기만 멈추면 전원이
차단되므로 안전하다.
[동영상 5]
동영상 5는 아령 2개를 전극으로 해서 방전시키는 동영상이다. 불꽃의 길이로 보아 150kV 는 되어보인다.
[동영상 6]
[동영상 7]
60kV 일 때에는 접시가 날아가지 않았지만, 100kV 정도의 전압에서는 은박접시가 전기적인 반발력으로 날아간다.
날아가는 은박접시는 대전이 되어 있어서 손으로 만지면 '틱' 하면서 불꽃이 튀기는 것을 볼 수 있었다.
[동영상 8]
동영상 8 에서는 휴지를 가늘게 잘라서 아령에 붙이고, 아령을 대전시켜 보았다.
휴지는 반발력으로 인해서 일어나게 되고, 입으로 바람을 불어도 모양이 흐트러지지 않는다.
접지된 전선으로 방전시키면 처음의 상태로 돌아가는데, 영상을 자세히 보면 접지된 전선을 가까이 가져가기만 했는데도 전하가
방전되어 휴지들이 내려앉는것을 볼 수 있다.
이는 전선의 뾰족한 부분에 코로나방전으로 인한 이온이 생겨서 아령에 달라붙기 때문인데, 겨울철에 정전기 방지를 위해서 클립이나
뾰족한 금속을 옷에 붙이는 것도 이런 효과를 얻을 수 있기 때문이다.
이 실험을 할 때에는, 깡통 처럼 뾰족한 부분이 없는 금속물체를 전극으로 이용해야 전압이 효과적으로 오르게 되며, 코로나가 발생하게 되면
코로나방전으로 전하가 빠져나가므로 전압이 높아지지 않는다.
[그림 6]
변전소 같은 곳에서는 노출된 전극에서 코로나방전이 생기면 여러가지 부작용들이 생기므로 부싱 주위나 전압을 띠고 있는 부분들을 둥글게 제작한다.
[그림 7]
위의 사진은 내전압 테스트장비의 전원을 공급하는 코크로프트-월턴 배전압 회로이다. 약 1,200kV 정도가 발생한다고 한다.
아래의 동영상은 CCFL 인버터와 코크로프트-월턴 회로를 이용하여 만든 정전기장난감 동영상이다.
[동영상 9]
약 60kV~80kV 가 발생하는 것으로 추정되는데, 여러가지 물체들을 이용하여 정전기 실험을 할 수 있다.
원래 펀 플라이스틱 이라는 장난감을 따라한 것인데, 이 방식으로 하니 재료비가 펀 플라이스틱 2개를 구매할 수 있는 비용이 들어버렸다.
현재 페이지에 소개된 실험은 비교적 위험한 실험이므로 충분한 안전조치 없이 실험을 시도하는 경우 사망하거나 부상을 입을 위험이 있다.
또한, 코로나방전이 일어나면서 오존 가스가 생성되므로 호흡기가 약한 사람은 이 실험을 시도해서는 안 되며, 환기가 잘 되는 곳에서 해야
한다.
감전 위험이 있는 실험입니다. 사망 또는 심각한 부상을 유발할 수 있으므로 함부로 따라하지 마세요.
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