Marx Generator

Der sogenannte Marx Generator gehört zu den am häufigsten verwendeten Pulsgeneratoren/Stoßgeneratoren. Der Aufbau ist sehr einfach und es werden nur wenige Bauteile benötigt. Das Prinzip des Marx Generators beruht auf Widerstände und Kondensatoren. Eine hohe Anzahl von Kondensatoren werden parallel mit einer Gleichspannung aufgeladen und in Reihe schlagartig zu einem Objekt geschaltet. Hierbei summieren sich alle Spannungen der aufgeladenen Stoßkapazitäten zu einer hohen Impuls-Spannung. Die auftretende Spannung variiert je nach Anzahl der Kondensatoren und Höhe der Ladespannung. Entwickelt wurde der Marx Generator von Erwin Otto Marx im Jahr 1923 (geboren am 15. Januar 1893 in Mautitz, gestorben am 11. Januar 1980 in Braunschweig). Marx war ein deutscher Ingenieurwissenschaftler und im Bereich der Energieübertragung über weite Entfernungen tätig. Weiterhin hat Marx Forschungen an Isolatoren vorgenommen. Zu dieser Zeit traten bei Isolatoren immer wieder Überspannungen auf, die hauptsächlich durch Blitze verursacht wurden. Diese Überspannungen führten in den meisten Fällen zur Zerstörung der Isolatoren. Dies war einer der Hauptgründe, die dazu geführt haben, dass Marx den sogenannten „Marx Generator“ entwickelt hat. Es sollte also eine hohe impulsförmige Spannung erzeugt werden, die einem Blitz aus der Natur nahe kommt.

Grundschaltung Marx Generator (einstufiger Stoßgenerator)

Abbildung 1 – Grundschaltung eines einstufigen Stoßgenerator bzw. Marx Generator

Der Kondensator „CS“ (meistens als Stoßkondensator/Stoßkapazität bezeichnet) wird über eine Gleichspannung UL (Ladespannung) und dem Ladewiderstand RL aufgeladen. Die Ladespannung ist in den meisten Fällen schon eine Hochspannungsquelle (Gleichspannung) im Bereich von 10kV bis 100kV oder noch höher. Der Ladevorgang der Stoßkapazität erfolgt nach einer e-Funktion und ist nach einer Zeit von t=5τ=5RC zu 99% aufgeladen. Wie schnell der Ladevorgang abläuft, hängt natürlich von dem Ladewiderstand und der Stoßkapazität ab. In den meisten fällen wird kein schneller Ladevorgang benötigt und somit liegt die Zeit im Bereich von Sekunden oder auch Minuten. Die Funkenstrecke (FS) ist so justiert, dass es bei der maximalen Ladespannung zur Zündung der Funkenstrecke kommt. Die Funkenstrecke kann als ein einfacher Schalter betrachtet werden, der automatisch ab einer bestimmten Spannung kurzgeschlossen wird (für einen kurzen Augenblick). Somit würde die Schaltung selbstständig laufen und immer wieder Hochspannungs-Impulse erzeugen. Das Problem an einem einstufigen Marx Generator: Es können nur Stoßspannungen erzeugt werden, die gleich der Ladespannung (Amplitude) sind. Somit wird die Grundschaltung kaskadiert, also mehrfach hintereinander geschaltet. Meistens kommt es auch zu kleinen Modifikationen in der Grundschaltung, wie z.B. einen Dämpfungswiderstand hinter die Funkenstrecke in Reihe zu schalten. Weiterhin müssen auch die Verhältnisse der Widerstände zueinander abgestimmt werden. Um reine Hochspannungs-Impulse zu erzeugen, reicht es Ladewiderstand und Entladewiderstand gleich zu wählen. Somit bietet der Marx Generator eine sehr einfache Möglichkeit hohe Spannungen zu erzeugen.

Mehrstufiger Marx Generator

Um höhere Spannungen zu erzeugen, werden mehrere einstufige Stoßschaltungen hintereinander geschaltet. Somit ergibt sich ein n-stufiger Marx Generator. „n“ bezeichnet die Anzahl der Stufen bzw. die Anzahl der Kondensatoren/Stoßkapazitäten.

marx-generatorAbbildung 2 – Kaskadierung der Grundschaltung, mehrstufiger Marx Generator (4 Stufen)

Abbildung 2 zeigt einen Marx Generator mit insgesamt 4 hintereinander geschalteten Stufen. Alle Stoßkapazitäten werden parallel über die Ladewiderstände mit der Spannung UL aufgeladen:

Abbildung 3 – paralleles Aufladen der Stoßkapazitäten

Die Funkenstrecken werden alle so justiert, dass es bei der maximalen Ladespannung zu keiner Zündung der Funkenstrecken kommt. Natürlich kann der Abstand der ersten Funkenstrecke auch so justiert werden, dass es ab einer bestimmten Spannung zum Durchschlag der Funkenstrecke kommt (somit würde es sich um einen freilaufenden Marx Generator handeln). Sobald die erste Funkenstrecke durchschlägt bzw. zündet (durch erreichen der maximalen Spannung oder durch einen externen Impuls über einen Trigger), liegen kurzzeitig alle Stoßkapazitäten in Reihe. Alle anderen Funkenstrecken werden mit einer hohen Wahrscheinlichkeit auch zünden, da an der zweiten Funkenstrecke schon die doppelte Ladespannung anliegt, an der 3. FS die 3-fache Spannung usw. Es entsteht also eine Art Kettenreaktion. Somit zünden alle Funkenstrecken (geschlossener Schalter). Dieser Schaltvorgang läuft innerhalb von ein paar Nano-Sekunden ab:

Abbildung 4 – Stoßkapazitäten werden in Reihe entladen (Zündvorgang)

Um eine sichere Zündung aller Funkenstrecken zu gewährleisten, werden meistens alle Funkenstrecken übereinander bzw. nebeneinander angeordnet (Turm-Anordnung), damit ein direkter Sichtkontakt zwischen den einzelnen Funkenstrecken herrscht. Durch die auftretende UV-Strahlung, die beim Durchschlag einer Funkenstrecke entsteht, wird die Luft ionisiert. Ab einer bestimmten Spannung kommt es zu einer kritischen Feldstärke in den Elektroden der Funkenstrecke. Die Feldstärke steigt also immer weiter an. Ab einem bestimmten Punkt kommt es zu Ionisierung der Luft (Gasmoleküle in der Luft) und es werden Elektronen entrissen. Die Spannungsfestigkeit der Funkenstrecke sinkt, dies ermöglicht den Durchschlag (Stromfluss). Bei diesem Vorgang entstehen also auch Elektronenstöße, es werden Atome/Moleküle auf ein höheres Energieniveau gesetzt. Diese fallen nach eine gewissen Zeit wieder in ihren Grundzustand und es kommt zur Emission (hier können verschiedene Farben entstehen wie z.B. Violett, Orange, Blau, Gelb oder auch eine Mischung aus diesen Farben). Durch die Ionisierung kommt es zu einer erleichterten Zündung der nächsten Funkenstrecken (Vorionisierung). Somit sind die Elektrodenabstände der restlichen Funkenstrecken nicht so kritisch wie der Elektrodenabstand der ersten Funkenstrecke. Hierbei spielt die erste Funkenstrecke (im Schaltbild ganz links, FS1, Abbildung 4) eine wichtige Rolle. In den meisten Fällen wird die erste Funkenstrecke „getriggert“, somit wird sie auch als Triggerfunkenstrecke bezeichnet. Eine Triggerfunkenstrecke kann in vielen Variationen erstellt werden. Moderne Trigger bestehen aus einer Elektronik, die über eine eigene Batterie betrieben wird und über ein Lichtwellenleiter ausgelöst wird. Somit kann der Marx Generator zu beliebigen Zeitpunkten einen Hochspannungs-Impuls erzeugen oder auch mehrere Impulse mit einer variablen Frequenz (z.B. über einen Mikrocontroller oder PC).

Beim Zündvorgang können alle Stoßkapazitäten als Spannungsquellen, die in Serie geschaltet sind, betrachtet werden. Alle Stoßkapazitäten sind mit einer Ladespannung aufgeladen. In der nächsten Abbildung wird von einer Spannung von 6kV als Beispiel ausgegangen:

Abbildung 5 – Zündvorgang, Summierung der Spannungen

Somit addieren sich die Spannungen zu einer hohen Gesamtspannung und es kommt zu einem kurzen Hochspannungs-Impuls. Die Ausgangsspannung berechnet sich aus:

Wobei „n“ die Anzahl der Stufen entspricht. Somit kann z.B. aus einer 6kV Gleichspannungsquelle und einem 4 stufigen Marx Generator, 24kV Impulse erzeugt werden. Die auftretende Stoßenergie lässt sich folgendermaßen berechnen:

Hierbei entspricht „Cg“ der Gesamtkapazität (beim Zündvorgang sind alle Stoßkapazitäten in Reihe geschaltet).

Triggerfunkenstrecke

Einer der kritischsten Punkte an einem Marx Generator, ist die erste Funkenstrecke. Der Abstand zwischen den beiden Elektroden bzw. Zündkugeln kann so justiert werden, dass es automatisch zu einer Zündung kommt. Da aber verschiedene Einflüsse wie Raumtemperatur, Luftfeuchtigkeit, Atmosphärendruck, Material und Durchmesser der Elektroden die Durchschlagspannung beeinflussen, ist es sinnvoll die erste Funkenstrecke zu „triggern“. Bedeutet also, zu einem beliebigen Zeitpunkt die Funkenstrecke zum Durchschlag zu bringen. Bei einem freilaufenden Marx Generator kann es immer wieder zu Fehlzündungen kommen (durch die oben genannten Einflüsse), somit wäre immer wieder eine Nachjustierung nötig. Getriggerte Funkenstrecken können auch in einem Behälter mit erhöhtem Druck oder einem Gas betrieben werden. Bei einem erhöhten Druck „p“ kann der Abstand der beiden Elektroden kleiner gewählt werden. Vorteil: schnellere Schaltzeiten und Geräuschunterdrückung.

Das Prinzip aller folgenden Methoden beruht auf der Vorionisierung der Hauptfunkenstrecke (erste Funkenstrecke oder allgemein eine Funkenstrecke). Die Vorionisierung kann z.B. durch UV-Strahlung oder Röntgenstrahlen erreicht werden. Dadurch wird zwischen den beiden Elektroden der Funkenstrecke ein dünner niederohmiger Strompfad erzeugt. Es kommt zu einer kontrollierten Zündung der Funkenstrecke.

Eine Triggerfunkenstrecke kann auf verschiedenen Arten aufgebaut werden:

trigger1Abbildung 6 – Triggerfunkenstrecke mit Zündstift in einer Zündkugel

In Abbildung 6 wird ein Zündstift direkt in das Innere einer Zündkugel (Elektrode) angebracht. Der Zündstift ist komplett über seine Länge isoliert ausgeführt, so dass nur an der Spitze der Funke zur Elektrode überschlagen kann. Der Triggerimpuls muss in etwa 10-20kV betragen, um die Hauptstrecke mit einem Abstand „d“ zum Durchschlag zu bringen. Durch den Zündimpuls kommt es zur einer Vorionisierung der Luft und es kommt zu einem Durchschlag der Hauptfunkenstrecke. Dieses Prinzip wird auch „Trigatron“ genannt.

trigger2Abbildung 7 – Triggerfunkenstrecke mit Zündelektrode seitlich zur Hauptstrecke angebracht

Wie in Abbildung 7 zu erkennen ist, wird bei dieser Methode eine Zündelektrode außerhalb der beiden Zündkugeln angebracht. Der Impuls schlägt in einer der beiden Elektroden ein und triggert somit die Funkenstrecke. Eine ziemlich einfache Methode, da als Zündelektrode z.B. eine Hutmutter genommen werden kann. Auch hier muss wieder an der Zündelektrode ein Impuls zwischen 10-20kV erzeugt werden. Wichtig sind hier auch die Abstände zur Zündkugel und Zündelektrode. Dieses Prinzip wird auch „Feldstörungstyp“ genannt.

trigger3Abbildung 8 – Triggerung durch zwei Elektroden von z.B. einer Zündspule

Eine weitere Möglichkeit der Triggerung wird in Abbildung 8 gezeigt. Hier werden ganz einfach zwei Elektroden von z.B. einer Zündspule direkt neben der Funkenstrecke in einem bestimmten Abstand platziert. Der Abstand zur Hauptfunkenstrecke darf nicht zu klein sein (Überschlag von Zündspule in Hauptelektroden), aber auch nicht zu groß. Die Triggerung geschieht hier durch UV-Strahlung. Erfahrungen haben gezeigt, dass diese Methode sehr gut funktioniert, wenn der richtige Abstand zur Hauptstrecke gewählt wird (Vorionisierung). Somit kommt es auch nicht zu einem direkt Kontakt zwischen Triggerelektrode und Hauptfunkenstrecke => Zerstörung der Zündelektronik wird um einiges verringert. Eine weitere Möglichkeit der Triggerung kann durch eine Blitzröhre/Blitzlampe oder auch UV-LEDs realisiert werden. Wichtig ist hier die Leistung und die Wellenlänge der Blitzröhre bzw. der LED. DIe Wellenlängemuss kurz genug sein, um eine Ionisierung der Luft zu ermöglichen. Somit werden Funkenstrecken auch mit leistungsstarken UV-Lasern getriggert.

Realer-Aufbau (Marx Generator für einen Stickstoff-Laser)

laser_symbol_1Im Rahmen der Projektarbeit „Stickstoff-Laser“ (D. Arendt, K. Breuer, R. Ochs) wurde ein 6-stufier Marx Generator aufgebaut. Bei einem Stickstoff-Laser handelt sich um einen Gaslaser der nur im Pulsbetrieb funktionieren kann. Als Laser-Medium kommt Stickstoff-Gas zum Einsatz (so wie es der Name auch schon andeuten lässt). Das Stickstoff-Gas muss mit einer Hochspannungsquelle zum „Lasern“ gebracht werden. Die Stickstoff-Atome müssen also per Hochspannungs-Impulse angeregt werden. Diese Impulse müssen sehr kurz (1-10ns) und energiereich sein (20-50kV). Für diesen Zweck kommt ein Marx Generator zum Einsatz, da der Aufbau ziemlich „einfach“ ist. Bei der Anregung des Stickstoff-Gases spricht man auch von „elektrisches Pumpen“. Die Wellenlänge eines Stickstoff-Lasers liegt bei 337,1nm (stärkste Linie, Nebenlinien vorhanden), also im UV-Bereich und ist für das menschliche Auge nicht sichtbar. Durch fluoreszierende Stoffe, wie sie z.B. in Papier oder Waschmittel vorkommen, kann der Laser-Strahl sichtbar gemacht werden.

Aufgebaut wurde ein 6-stufiger Marx Generator mit einer Ladegleichspannungsquelle von UL=6kV. Die Anzahl der Stoßkapazitäten beträgt somit n=6 und jede Kapazität beträgt C=2nF. Der Ausgangsimpuls berechnet sich aus:

Beim Zündvorgang liegen alle Kapazitäten kurzzeitig in Serie, die Gesamtkapazität errechnet sich aus:

Somit beträgt die Energie:

Um die Stoßenergie zu vergrößern, können mehrere Kapazitäten parallel geschaltet werden (Summierung der Kapazitäten), um eine größere Stoßkapazität pro Stufe zu erhalten. Weiterhin kann die Ladespannung erhöht werden. Professionelle Marx Generatoren liegen im Bereich von mehreren kilo-Joule.

Abbildung 9 – Testaufbau eines Marx Generators für die Projektarbeit „Stickstoff-Laser“

IMAG0665Abbildung 10 – Testaufbau eines Marx Generators für die Projektarbeit „Stickstoff-Laser“

In Abbildung 9 und 10 ist ein 6-stufiger Marx Generator abgebildet, angeschlossen an einem Hochspannungs-Netzteil mit einer maximalen Spannung von 6kV/10mA mit 6x 2nF/50kV Hochspannungs-Kondensatoren + 100kΩ Leistungswiderstände. Die Spannungsfestigkeit der Kondensatoren wurde so hoch wie möglich gewählt, um einen Spielraum für höhere Ladepannungen zu erhalten. Die Funkenstrecken wurden mit Hutmuttern und Gewindeschrauben realisiert. Die Triggerung der ersten Funkenstrecke wird hier durch eine CDI (Capacitor Discharge Ignition oder auch Kondensatorentladungszündung) realisiert. Die beiden Elektroden der CDI wurden in einem bestimmten Abstand zur ersten Funkenstrecke angebracht. Der Abstand der Elektroden von der CDI zur ersten Funkenstrecke wurde experimentell ermittelt (ab wann kommt es zu einer sicheren Zündung). Die Triggerung erfolgt also per UV-Strahlung und bietet eine sehr sichere und saubere Triggerung, wenn die erste Funkenstrecke sauber justiert ist. Die CDI wird über einen Mikrocontroller angesteuert, um den Marx Generator mit einer bestimmten Frequenz zu triggern oder nur einen Impuls zu erzeugen (1-50Hz zum Beispiel). Bei dem Mikrocontroller handelt sich um einen MSP430G2452 von Texas Instruments.

Abbildung 11 – Triggerung per CDI

Abbildung 12 – Marx Generator zündet (36kV Impuls)

Abbildung 12 zeigt eine Momentaufnahme der Zündung des gebauten Marx Generators. Ganz vorne im Bild ist die letzte (also die 6. Funkenstrecke zu erkennen). Hier entsteht durch die Summierung der aufgeladenen Stoßkapazitäten, eine kurze Impulsspannung von etwa 36kV. Der Abstand der letzten Funkenstrecke ist im Vergleich der restlichen (die vorderen Funkenstrecken im Bild) um einiges größer gewählt worden. Weiterhin ist zu erkennen, dass alle Funkenstrecken gleichzeitig zünden. Für die Funkenstrecken wurde handelsübliche Hutmuttern verwendet, nach einer gewissen Zeit sehen die Hutmuttern folgendermaßen aus (Austrittpunkt der Funken ist deutlich zu erkennen):

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