Quelltext der Seite Marx-Generator

[[Datei:High-Voltage Impulse Test System.jpg|mini|Im Aufbau befindlicher Marx-Generator in einem Hochspannungslabor]]
Ein '''Marx-Generator''' ist ein [[Impulsgenerator (Energietechnik)|Impulsgenerator]] zur Erzeugung von kurzen [[Hochspannung]]s-Impulsen. Er ist nach dem Ingenieur [[Erwin Otto Marx]] benannt, der erstmals 1923 solche Generatoren entwickelte.<ref>Kurt Jäger (Hrsg.): ''Lexikon der Elektrotechniker.'' VDE Verlag, Berlin, 1996, ISBN 3-8007-2120-1</ref>

Die Hochspannungsimpulse des Marx-Generators haben wesentlich höhere Energien als die von anderen künstlichen Hochspannungsquellen (z&nbsp;B. [[Tesla-Transformator]]en oder [[Hochspannungskaskade]]n). Daher führt ihre Entladung stets zu einem [[Funke (Entladung)|Funken]] oder einer [[Gasentladung]].

Marx-Generatoren werden im [[Hochspannungslabor]] für Prüfzwecke und Versuche sowie zum Nachweis der Störfestigkeit in der [[elektromagnetische Verträglichkeit|elektromagnetischen Verträglichkeit]] benötigt. Weiterhin verwendet man Marx-Generatoren zur Speisung von [[Gaslaser]]n, zum Beispiel [[Stickstofflaser]].

== 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 eine Minute), erfolgt die Reihenschaltung der Kondensatoren und deren Entladung über den Prüfling in extrem kurzer Zeit (Größenordnung Mikrosekunden).  Der Marx-Generator sammelt also Ladung über eine lange Zeit bei geringer Spannung und gibt die Ladung in kurzer Zeit und bei hoher Spannung wieder ab.

=== Einstufiger Stoßgenerator (Grundschaltung) ===
Es wird mittels einer Gleichspannungsquelle (Ladespannung) über einen Ladewiderstand (Strombegrenzung) ein Kondensator geladen. Dieser Ladevorgang dauert in der Regel relativ lange (einige zehn Sekunden). Die Spannung am Stoßkondensator folgt hierbei einer <math>e</math>-Funktion und erreicht je nach Ladewiderstand und Kapazität dann einen quasistationären Endwert. Eine [[Funkenstrecke]] verbindet den Kondensator mit dem Prüfling bzw. der Last. Sie ist so dimensioniert, dass sie bei der Ladespannung nicht durchschlägt – sie wird mit einer Zündelektrode zu einem frei bestimmten Zeitpunkt zum Überschlag gebracht. In diesem Augenblick bildet das Plasma des Funkens eine niederohmige Verbindung, und praktisch die volle Ladespannung liegt am Prüfling an.

Für Stoßspannungsprüfungen ist der Zeitverlauf der Stoßspannung durch Normen innerhalb eines Toleranzbandes festgelegt. Zur Einhaltung eines normgerechten Stoßspannungsverlaufes sind im Vorfeld ggf. Berechnungen und Vorversuche mit reduziertem Stoßpegel nötig; dies hat seine Ursache im unterschiedlichen elektrischen Verhalten der einzelnen Prüflinge. Die Kurvenformen (Anstiegszeit und Abfallzeit des Impulses) erreicht man durch Serien- und Parallelwiderstände sowie durch eine zusätzlich zur Prüflast parallel geschaltete Kapazität.

Der Nachteil der einstufigen Stoßschaltung ist, dass am Prüfling keine höhere Spannung als die Ladespannung erzielt werden kann. Aus diesem Grund entwickelte Marx mehrstufige Stoßschaltungen, die heute unter dem Namen Marx-Generator bekannt sind.

=== Mehrstufige Schaltung ===
[[Datei:Marx Generator de.svg|hochkant=2|mini|Prinzipskizze des Marx-Generators: die jeweils stromführenden Verbindungen und Bauteile sind hervorgehoben]]
Zur Erzeugung von Impulsen höherer Spannung verwendet man eine mehrstufige Anordnung nach Marx wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Ein solcher Marx-Generator bildet beim Zünden eine Reihenschaltung mehrerer der oben beschriebenen Stoßstromkreise.

Über die Ladegleichspannung <math>U_l</math> werden alle <math>n</math> Stoßkondensatoren <math>C</math> gleichzeitig aufgeladen. Die Ladewiderstände <math>R_c</math> begrenzen hierbei den Ladestrom und laden zwar aufgrund ihrer Reihenschaltung nach rechts hin immer langsamer, sind jedoch bei der Zündung alle in Reihe geschaltet und müssen daher nur für die Spannung einer Stufe dimensioniert sein. Um den Ladevorgang zu verkürzen, werden für hohe Puls-Folgefrequenzen statt der Widerstände Drosseln eingesetzt.<ref name="DE102004001782">{{Patent| Land=DE| V-Nr=102004001782A1| Titel=Bipolarer Marxgenerator mit Schalterturm, direkter Triggerung und Gaskonditionierung für industriellen Dauerbetrieb| A-Datum=2004-01-12| V-Datum=2005-08-11| Erfinder=Martin Kern}}</ref>

Die Schlagweiten der Funkenstrecken <math>F_n</math> sind so gewählt, dass die Strecken bei Erreichen der maximalen Ladespannung noch nicht durchschlagen.

Sind alle Stoßkondensatoren auf ihren quasistationären Endwert der Spannung aufgeladen, erfolgt mittels einer Zündfunkenstrecke <math>F_1</math> (Triggerfunkenstrecke, siehe unten) zu einem frei wählbaren Zeitpunkt die Zündung der untersten Strecke, die daraufhin durchschlägt. An der nächsten Funkenstrecke <math>F_2</math> steht nunmehr bereits die doppelte Ladespannung an, so dass <math>F_2</math> 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.

<!--bitte belegen--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 durch Ionisierung der Luft die Spannungsfestigkeit der anderen Funkenstrecken und ist entscheidend für das fast gleichzeitige Zünden aller Stufen.--bitte belegen-->

== Praktische Ausführung, Zündung und Betrieb ==
[[Datei:Schaltfunkenstr.jpg|mini|Triggerbare Schaltfunkenstrecke]]
Prinzipiell ist 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 von den Entladungen herrührender Metallstaub eine große Rolle, sodass der Zeitpunkt des Zündens der Funkenstrecken auf diese Weise nicht exakt vorhersehbar ist. Solche selbsttriggernde Marx-Generatoren werden daher nur dann eingesetzt, wenn die Zündzeitpunkte bzw. die Folgefrequenz der Pulse nicht ausschlaggebend sind.

Für Prüf- und Versuchszwecke möchte man den Zündzeitpunkt jedoch exakt festlegen. Hierzu werden alle Funkenstrecken im Generator so dimensioniert, dass sie bei Erreichen der quasistationären Ladespannung gerade noch nicht von selbst zünden. Die unterste Funkenstrecke 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&nbsp;ns) zum Durchschlag der Zündfunkenstrecke, was das Durchzünden aller anderen Funkenstrecken des Marx-Generators zur Folge hat. Dabei ist hilfreich, wenn die Funkenstrecken sich optisch sehen können, denn das von einer Funkenstrecke ausgesendete Ultraviolett vermindert die Spannungsfestigkeit der anderen Funkenstrecken und es wird sicheres, fast gleichzeitiges Zünden erreicht.<ref>Jane Lehr: ''Foundations of Pulsed Power Technology'', John Wiley & Sons 2017, 664 Seiten, Seite 5</ref>

Ein industriell eingesetzter, selbsttriggernder Marx-Generator für Dauerbetrieb hat zum Beispiel folgende Merkmale:<ref name="DE102004001782"/>
* Laden der Kondensatoren über Drosseln
* Sauerstofffreies Inertgas mit Gasaustausch, Druckregelung, Kühlung und Filterung
* Schaltfunken-Elektroden aus Kupfer-Wolfram-Sintermetall,
* Ausgangsspannung ca. 360&nbsp;kV
* Impulsstrom ca. 8&nbsp;kA
* Pulsfolgefrequenz 20 … 30&nbsp;Hz

Die [[elektromagnetischer Puls|EMP]]-Testeinrichtung [[ATLAS-I]] enthält zwei zueinander gegenpolige, synchron gezündete Marx-Generatoren mit je 50&nbsp;Stufen und einer Ladespannung von 100&nbsp;kV. Damit können ±5&nbsp;MV erzeugt werden, die mittels [[Leitungstheorie|Transmission Line]]s und Antennen einen elektromagnetischen Impuls mit 200&nbsp;GW Spitzenleistung generieren.<ref>http://alibi.com/news/35291/Empire-My-Prince.html Charles Reuben: ''In Memoriam Empire My Prince Carl Baum, trestle-maker'' </ref> Nach<ref>{{Internetquelle |url=http://ece-research.unm.edu/summa/notes/trestle.html |titel=The Notes of Dr. Carl E. Baum |abruf=2024-06-08}}</ref> beträgt die Energie 200&nbsp;kJ, woraus sich eine Impulsdauer von ca. 1&nbsp;µs ergibt.

== Anwendungen ==
Marx-Generatoren sind in der Lage, elektrische Impulse sehr hoher Leistung (mehrere Megavolt, Ströme im zweistelligen Kiloampere-Bereich) zu erzeugen. Sie sind damit die einzigen Geräte, die die Parameter von [[Blitz]]en annähernd simulieren können.

=== Prüfzwecke ===
==== Energienetz ====
[[Datei:Zap!.jpg|mini|Rechts im Bild Marx-Generator mit Kugelfunkenstrecken, scheibenförmigen Kondensatoren und stabförmigen Ladewiderständen (ganz rechts am Bildrand)]]
[[Datei:Marxgeneratorfz.JPG|mini|Zehnstufiger Marx-Generator; in Bildmitte die Hauptentladung, rechts die 9 Schaltfunkenstrecken und daneben die scheibenförmigen Kondensatoren]]
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.

==== EMV ====
Die [[Elektromagnetische Verträglichkeit]] von Geräten (Flugzeuge, Wehrtechnik) hinsichtlich Blitzschlag und [[Elektromagnetischer Puls|EMP]]-Waffen wird unter anderem mit Marx-Generatoren oder mit von solchen gespeisten Impulsgeneratoren für elektromagnetische Strahlung getestet.

=== Wissenschaft und Technik ===
Marx-Generatoren sind für folgende Zwecke einsetzbar:
* Speisung von Impuls-[[Gaslaser]]n und [[TEA-Laser]]n: Impuls-[[Kohlendioxidlaser]] und [[Stickstofflaser]], transversal angeregt
* Speisung von Impuls-[[Magnetron]]s
* Erzeugung von harten [[Röntgenröhre|Röntgen]]impulsen
* Erzeugung dichter heißer [[Plasma (Physik)|Plasmen]]
* Erzeugung von [[Pulsed Electric Fields]] als [[Konservierung]]sverfahren in der Lebensmittelindustrie<ref>{{Literatur |Autor=[[Stefan Töpfl]], Claudia Siemer, Guillermo Saldaña-Navarro, Volker Heinz |Titel=Overview of pulsed electric fields processing for food |Hrsg=Da-Wen Sun |Sammelwerk=Emerging technologies for food processing |Band= |Nummer= |Auflage=2 |Verlag=Academic Press |Ort=London |Datum=2014 |Seiten=93–114 |ISBN=978-0-12-411479-1}}</ref>
* Untersuchung der Vorgänge bei [[Blitzschutz|Blitz]]einschlägen

== Weblinks ==
{{Commonscat|Marx generators|Marx-Generatoren}}
* [http://www.electricstuff.co.uk/marxgen.htm "Quick & Dirty" Marx generator] Bastelanleitung (englisch)
* [https://www.youtube.com/watch?v=4U4-NZtk9bU Video eines Marx-Generators] in einem Hochspannungslabor

== Einzelnachweise ==
<references/>

[[Kategorie:Prüfmittel zur elektromagnetischen Verträglichkeit]]
[[Kategorie:Elektrischer Generator]]