Marx-Generator

Der wohl bekannteste Marx-Generator steht im Deutschen Museum in München. Durch seine energiereichen Stoßentladungen eignet er sich gut zur Simulation von natürlichen Blitzen. Obwohl der Aufbau eines solchen Gerätes und seine Funktion ziemlich simpel sind, gibt es nur wenige Anlagen mit Spannungen von über einem Megavolt, da Hochspannungs-Impulskondensatoren (>15kV) sehr teuer sind. Der Selbstbau von solchen Kondensatoren ist zumeist Platz raubend, Verlust behaftet und aufwendig...

Wer "nur" möglichst günstig eindrucksvolle - und dabei verhältnismäßig harmlose - Entladungen erzeugen möchte, sollte also lieber eine kleine Teslaspule bauen... (Die sehen auch schöner aus :-))

Dennoch könnten Marx-Generatoren als Bestandteil von Hochspannungsaufbauten durchaus Sinn machen:

• große Teslaspulen (>1,5kW):

  große TCs werden häufig von Pole-Pigs oder PTs gespeist. Bei 5kW und 12kV liefern diese also einen Strom von 0,42A! Laut der Formel zur Berechnung der optimalen Kapazität benötigen wir also einen Kondensator von  110nF. Mit 10 Primärwindungen (Innendurchmesser: 11") ergibt sich eine Frequenz von <70 kHz...  Weil man eine solche Sekundärspule kaum noch wickeln kann, begnügen sich die meisten Coiler mit weniger Primärwindungen - zu Lasten der Effizienz. Wird der Kondensator durch einen Marx-Generator mit einer Stufe ersetzt, hat man dieses Problem nicht und kann somit dieselbe Energie effizienter einsetzten.

• EMP, etc.:

  Bei Versuchen, die einen einzelnen starken Hochspannungsimpuls benötigen, kann es sinnvoll sein, einen mehrstufigen Marx-Generator über einen langen Zeitraum (mehrere Minuten) zu laden und ihn dann in wenigen ms zu zünden. Die Leistung am Ausgang dürfte in diesen kurzen Zeitraum nahezu unbegrenzt sein...

Und hier ist der Schaltplan für so ein Teil:

• Hochspannungsquelle:

  Um Funkenstrecken zünden zu können, sollte die HV-Quelle eine Mindestspannung von 6kV haben. Es wird wirklicher Gleichstrom und nicht die DC-Pulse eines "normalen" MOT-Supplies benötigt!

• Widerstände:

  Über die Widerstände werden die Kondensatoren geladen. Je größer der Widerstand, desto länger dauert dies; allerdings steigt mit dem Widerstand auch die Effizienz des Marx-Generators ( geringere Selbstentladung der Kondensatoren). Eine Lösung dieses Problems könnte ihr Ersatz durch Drosseln sein: Während des Ladens fließt ein geringer, gleichmäßiger Strom durch die Drosseln => geringer Widerstand. Während des Entladens kommt es zu einem sehr kurzen Stromstoß => hoher Widerstand. Ich weiß allerdings nicht, wie die zusätzlichen Induktivitäten die Eigenschaften eines TC-Primärkreises beeinflussen... Als Widerstände sollen sich außer kommerziellen HV-Hochlast-Typen auch schwarzer Gummischlauch oder Salzwasser mit Nägeln als Elektroden eignen. Die Spulen würde ich einlagig aus Kupferlackdraht auf ein Plastikrohr wickeln, in dem sich ein Ferritstab befindet.

• Kondensatoren:

  Je größer die Kondensatoren sind, desto energiereicher ist die Entladung. Neben kommerziellen Hochspannungskondensatoren eignen sich auch PE-Schichtkondensatoren (Alufolie als Platten und PE als Dielektikum dazwischen; alles in Trafoöl gelagert...) und "Party-Cups" (Plastikbecher, außen mit Alufolie umwickelt). Leydener-Flaschen funktionieren auch, sollen aber Verluste haben... Über den Betrieb mit MMCs habe ich noch keine Informationen, sie sind für solche Spielereien wohl auch zu teuer...

Funktionsweise:

Alle Kondensatoren werden über die Widerstände geladen. Erreicht C1 die Zündspannung, so entlädt er sich über die Funkenstrecke, wobei ein kleiner Teil der Ladung über R3 verloren geht. Während der Entladung sind C1 und C2 über die Funkenstrecke in Serie geschaltet, sodass auch die zweite Funkenstrecke zündet. Dieser Effekt pflanzt sich durch alle Stufen fort.

Formeln:

Ausgangsspannung

U_out = U_in · n
U_out = Ausgangsspannung; U_in = Eingangsspannung; n = Anzahl der Kondensatoren

Energie

W = 0,5 · C U²
W = Energie eines Kondensators; C = Kapazität; U = Spannung am Kondensator

Kapazität (parallel)

C_Ges = C₁ + C₂ +C_n

Kapazität (seriell)

C_Ges = 1 ₊ 1 ₊ 1
                 C₁  C₂  C_n  

Bei vielen Impulsversuchen ist es wichtig, dass der Marx-Generator nicht selbstständig durchzündet, sondern extern getriggert wird. Dies erreicht man, indem man die erste Funkenstrecke gerade so groß wählt, dass sie nicht von allein zünden kann. In unmittelbarer Nähe zu ihr installiert man eine zweite Funkenstrecke, die per Piezo oder Zeilentrafo, etc. getriggert wird. Wird diese Funkenstrecke gezündet, so zünden die dabei entstehenden Ionen auch die erste Stufe des Marx-Generators. Folgende Schaltung eignet sich zum Triggern:

Die 350V lassen sich unkompliziert mit dem Spannungswandler eines ausgeschlachteten Fotoblitzgerätes erzeugen...