Marx-Generator

Marx-Generatoren dienen der Erzeugung von elektrischen Spannungsimpulsen sehr kurzer Zeitdauer und hoher Amplitude. Solche Impulse werden für Prüfzwecke und Versuche in der Hochspannungstechnik und zum Nachweis der Störfestigkeit in der elektromagnetischen Verträglichkeit benötigt. Hierfür haben sie oft einen vorgegebenen Zeitverlauf.
Weiterhin verwendet man Marx-Generatoren zur Speisung von Gaslasern (Impulslaser, zum Beispiel Stickstofflaser).

Der Ingenieur Erwin Otto Marx entwickelte den nach ihm benannten Hochspannungsgenerator 1923.

Funktionsweise

Marx-Generatoren basieren auf der Idee, eine große Anzahl an Kondensatoren parallel mit Gleichspannung auf die sogenannte Stufenspannung aufzuladen und diese Kondensatoren dann schlagartig in Reihe zu schalten. Bei dem Aufladen der parallelgeschalteten Kondensatoren addieren sich die einzelnen Ladeströme, bei der anschließenden Reihenschaltung addieren sich die Spannungen der einzelnen Kondensatoren. Dieser hochspannungstechnische "Trick" ermöglicht es, die Ladespannung und die damit einhergehenden Betriebsmittel (Ladetransformator, Gleichrichter) für deutlich geringere Spannungen zu dimensionieren als die gewünschte Impulsspannung. Während der Aufladevorgang einen verhältnismäßig langen Zeitraum beanspruchen kann (Größenordnung mehrere Sekunden bis etwa 1 Minute), erfolgt die Reihenschaltung der Kondensatoren und deren Entladung über den Prüfling in extrem kurzer Zeit (Größenordnung Mikrosekunden). Man kann also den Marx-Generator (auch Stoßgenerator genannt) umgangssprachlich als eine Art Sammelbecken ansehen, welches Ladung über einen langen Zeitraum bei geringer Spannung sammelt und diese dann konzentriert in kurzem Zeitraum und bei hoher Spannung wieder abgibt.

Einstufiger Stoßgenerator (Grundschaltung)

Grundschaltung eines einstufigen Stoßgenerators.

Nebenstehende Abbildung zeigt den grundlegenden Aufbau eines einstufigen Stoßgenerators. Über einen nicht dargestellten Hochspannungstransformator und einen Gleichrichter wird die Gleichspannung U_l (Ladespannung) zur Verfügung gestellt. Sie lädt über den Ladewiderstand R_l die Stoßkapazität C_s auf. Dieser Ladevorgang erfolgt in der Regel relativ langsam im Bereich von einigen zehn Sekunden. Die Spannung am Stoßkondensator folgt hierbei einer e-Funktion und erreicht nach praktisch 5τ ihren quasistationären Endwert. Die Funkenstrecke F_s ist so eingestellt, dass sie beim quasistationären Endwert der Spannung gerade noch nicht durchschlägt. Über eine Zündeinrichtung (siehe unten) kann zu einem frei bestimmten Zeitpunkt die Funkenstrecke zum Überschlag gebracht werden. In diesem Augenblick bildet das Plasma des Lichtbogens in der Funkenstrecke einen geschlossenen niederohmigen Schalter, und praktisch die volle Ladespannung liegt am ohmschen Spannungsteiler, bestehend aus R_d und R_e, an.

Die Belastungskapazität C_b ist bereits Teil des Prüflings. Der zeitliche Verlauf der an C_b, und damit am Prüfling entstehenden Stoßspannung wird durch die Bauteilwerte des Generators sowie diejenigen des Prüflings beeinflusst. Für Hochspannungsprüfungen ist der Zeitverlauf der Stoßspannung innerhalb eines Toleranzbandes durch Normen genau festgelegt. Zur Einhaltung eines normgerechten Stoßverlaufes zu Prüfzwecken sind ggf. umfangreiche Berechnungen im Vorfeld der Stoßprüfung und ggf. Vorversuche mit reduziertem Stoßpegel nötig; dies hat seine Ursache im unterschiedlichen elektrischen Verhalten der einzelnen Prüflinge. So weisen z. B. Transformatoren völlig andere Impedanzen und Wellenwiderstände auf als Schaltanlagen; beide Betriebsmittel werden aber typischerweise mit Stoßspannung geprüft.

Der Nachteil der dargelegten einstufigen Stoßschaltung ist, dass am Prüfling keine höhere Spannung als die Ladespannung U_l erzielt werden kann. Mit anderen Worten: die Betriebsmittel Ladetransformator, Gleichrichter und Stoßkondensator müssen für die höchste gewünschte Stoßspannung dimensioniert werden, was bei den heutzutage üblichen hohen Pegeln der geforderten Stoßspannungen (> 6 MV) äußerst schwierig und teuer bzw. schlichtweg unmöglich ist. Aus diesem Grund bedient man sich mehrstufiger Stoßschaltungen, die unter dem Namen Marx-Schaltungen bekannt sind. Stoßgeneratoren der Praxis werden faktisch ausschließlich als mehrstufige Anordnungen ausgeführt, wobei die Stufenzahl typischerweise in der Größenordnung von bis zu 12 Stufen liegt.

Marx-Schaltung

Mehrstufige Anordnung nach Marx.

Zur Erzeugung von Impulsen höherer Spannung verwendet man eine mehrstufige Anordnung nach Marx wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Ein solcher Marx-Generator besteht aus einer Reihenschaltung von n der oben beschriebenen Stoßstromkreise. Man spricht dann von einem n-stufigen Marx-Generator.

Über die Ladegleichspannung U_l werden alle n Stoßkondensatoren C_s gleichzeitig aufgeladen. Die Ladewiderstände R_l begrenzen hierbei den Ladestrom. Die Schlagweiten der Funkenstrecken F_n sind so gewählt, dass die Strecken bei Erreichen der maximalen Ladespannung gerade noch nicht durchschlagen.

Sind alle Stoßkondensatoren auf ihren quasistationären Endwert der Spannung aufgeladen (Größenordnung einige zig Sekunden), erfolgt mittels einer speziellen Zündfunkenstrecke F₁ (Triggerfunkenstrecke, siehe unten) zu einem frei wählbaren Zeitpunkt die Zündung der untersten Strecke, die daraufhin durchschlägt. An der nächsten Funkenstrecke F₂ steht nunmehr bereits die doppelte Ladespannung an, so dass F₂ mit Sicherheit zünden wird. Innerhalb extrem kurzer Zeit zünden nun alle Funkenstrecken des Generators und die einzelnen Stufenspannungen summieren sich zur Gesamtspannung, welche dann am Prüfling als Prüfspannung ansteht.

Um das Zünden der Funkenstrecken zu beschleunigen, ist es hilfreich, wenn zwischen den Funkenstrecken eine optische Sichtverbindung besteht, denn das von einer Funkenstrecke ausgesendete UV-Licht vermindert die Spannungsfestigkeit der anderen Funkenstrecken und ist entscheidend für das fast gleichzeitige Zünden aller Stufen.

Aufladevorgang. Alle Kondensatoren werden parallel geladen.

Entladevorgang. Alle Kondensatoren sind über die Funkenstrecken in Reihe geschaltet.

Praktische Ausführung, Zündung und Betrieb

Triggerbare Schaltfunkenstrecke

Prinzipiell wäre es möglich, durch die Wahl der Schlagweiten der einzelnen Funkenstrecken die Zeit bis zur Zündung und damit den Zeitpunkt des Beginns der Stoßspannung festzulegen. In der Praxis spielen jedoch die Einflüsse der Luftfeuchtigkeit, der Sauberkeit der Kugeloberflächen und weitere Effekte eine große Rolle, so dass der Zeitpunkt des Zündens der Funkenstrecken auf diese Weise nicht exakt vorhersehbar ist.

Da man für Prüf- und Versuchszwecke den Augenblick des Zündens jedoch exakt festlegen möchte, benötigt man eine Möglichkeit, das Zünden des Generators zu einem bestimmten Zeitpunkt herbeizuführen. Hierzu werden alle Funkenstrecken im Generator so dimensioniert, dass sie bei Erreichen der quasistationären Ladespannung gerade noch nicht von selbst zünden. Die unterste Funkenstrecke in einem Marx-Generator ist als Trigger- oder Zündfunkenstrecke ausgebildet:

Eine Elektrode (1, siehe Bild) dieser Triggerstrecke ist mit einer Zündelektrode (2) ausgerüstet, welche gegenüber der Hauptelektrode isoliert angebracht ist. Sie wird mittels einer Keramikhülse (3) gehalten.

Im Augenblick der Zündung liefert ein Hilfsgenerator H einen Hochspannungsimpuls von einigen kV an die Zündelektrode, worauf sich zwischen dieser und der Hauptelektrode ein Überschlag bildet, der die Luftstrecke zwischen den beiden Kugeln ionisiert. Die Ionisation führt innerhalb kurzer Zeit (10 bis einige 100 ns) zum Durchschlag der Zündfunkenstrecke, was das Durchzünden aller anderen Funkenstrecken des Marx-Generators zur Folge hat.

Anwendungen

Prüfzwecke

Normierter Verlauf einer Blitzstoßspannung zu Prüfzwecken nach VDE 0432

Normierter Verlauf einer Schaltstoßspannung zu Prüfzwecken nach VDE 0432

Hochspannungstechnische Betriebsmittel müssen den in der Praxis auftretenden Überspannungen standhalten. Man unterscheidet Überspannungen, welche durch direkte oder indirekte Blitzschläge im Energienetz auftreten können (Blitzstoßspannung oder äußere Überspannung) und solche, die durch das Ausführen von Schalthandlungen im Hochspannungsnetz auftreten (innere Überspannungen). Zünden während des Anstehens der transienten Überspannung Überspannungsableiter, so liegt aufgrund der hochfrequenten Anteile im Spannungsverlauf eine besondere Belastung für das Betriebsmittel vor, man spricht von einer abgeschnittenen Stoßspannung.

Um die Betriebsmittel hinsichtlich ihres Verhaltens bei Auftreten solcher transienter Netzüberspannungen zu testen, werden sie genormten Hochspannungsimpulsen ausgesetzt, welche mit Marx-Generatoren erzeugt werden.

Nebenstehende Abbildung zeigt den zeitlichen Verlauf einer zu Prüfzwecken erzeugten Blitzstoßspannung (durchgezogene Linie). Hierbei bedeutet T_s die Stirnzeit der Stoßspannung und T_r die Rückenhalbwertzeit. Typischerweise wird der Verlauf der Stoßspannung so gewählt, dass T_s = 1,2 µs und T_r = 50 µs betragen. Die gestrichelte Linie zeigt den Verlauf der sogenannten abgeschnittenen Stoßspannung. Moderne Anlagen können Blitzstoßspannungen bis zu einigen Millionen Volt erzeugen.

Die Abbildung zeigt den zeitlichen Verlauf einer Schaltstoßspannung. Sie ist gekennzeichnet durch die Werte T_cr (Scheitelzeit) und T₂ (Rückenhalbwertzeit). In der Norm IEC 60060-1 ist eine unipolare, aperiodische Schaltstoßspannung mit einer Scheitelzeit von 250 µs und einer Rückenhalbwertszeit von 2500 µs vorgegeben.

Weiter findet die Stoßspannungsprüfung allgemeine Anwendung im Rahmen der CE-Prüfungen bezüglich der Elektromagnetischen Verträglichkeit. Diese wird allgemein nach der englischen Bezeichnung auch als Surge-Prüfung bezeichnet. Die Eigenschaften des hier zur Anwendung kommenden Prüfgenerators und des Prüfimpulses sind in der IEC 61000–4–5 festgelegt. Standardpuls ist hierbei der oben beschriebene 1,2/50 µs-Puls mit T_s = 1,2 µs und T_r = 50 µs für die Leerlaufspannung und T_s = 8 µs und T_r = 20 µs für den Kurzschlussstrom. Zur Prüfung von Telekommunikationsleitungen ist zusätzlich in der IEC 61000–4–5 noch der 10/700 µs-Impuls mit T_s = 10 µs und T_r = 700 µs für die Leerlaufspannung und T_s = 5 µs und T_r = 320 µs für den Kurzschlussstrom definiert

Wissenschaft und Technik

Marx-Generatoren sind für folgende Zwecke einsetzbar:

• Speisung von Impuls-Gaslasern (TEA-Laser: Impuls-Kohlendioxidlaser und Stickstofflaser, transversal angeregte Stickstofflaser)
• Speisung von Impuls-Magnetrons
• Erzeugung von harten Röntgenimpulsen
• Erzeugung dichter heißer Plasmen
• Untersuchung der Vorgänge bei Blitzeinschlägen

Weblinks

• http://www.electricworld.de/ Website mit Fachartikeln und Informationen zur Starkstromtechnik
• http://www.electricstuff.co.uk/marxgen.htm Bastelanleitung: "Quick & Dirty" Marx generator (Englisch)
• Video eines Marx-Generators in einem Hochspannungslabor