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Micron Document

<!DOCTYPE html>

<title>Marx-Generator</title>

</head>

<h1 id="firstHeading" class="firstHeading mw-first-heading"><span class="mw-page-title-main">Marx-Generator</span></h1>

</header>

</div>

<p>Ein <b>Marx-Generator</b> ist ein <a href="Impulsgenerator_(Energietechnik)" title="Impulsgenerator (Energietechnik)">Impulsgenerator</a> zur Erzeugung von kurzen <a href="Hochspannung" title="Hochspannung">Hochspannungs</a>-Impulsen. Er ist nach dem Ingenieur <a href="Erwin_Otto_Marx" title="Erwin Otto Marx">Erwin Otto Marx</a> benannt, der erstmals 1923 solche Generatoren entwickelte.<sup id="cite_ref-1" class="reference"><a href="#cite_note-1"><span class="cite-bracket">[</span>1<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Die Hochspannungsimpulse des Marx-Generators haben wesentlich höhere Energien als die von anderen künstlichen Hochspannungsquellen (z B. <a href="Tesla-Transformator" title="Tesla-Transformator">Tesla-Transformatoren</a> oder <a href="Hochspannungskaskade" title="Hochspannungskaskade">Hochspannungskaskaden</a>). Daher führt ihre Entladung stets zu einem <a href="Funke_(Entladung)" title="Funke (Entladung)">Funken</a> oder einer <a href="Gasentladung" title="Gasentladung">Gasentladung</a>.

</p><p>Marx-Generatoren werden im <a href="Hochspannungslabor" title="Hochspannungslabor">Hochspannungslabor</a> für Prüfzwecke und Versuche sowie zum Nachweis der Störfestigkeit in der <a href="Elektromagnetische_Vertr%C3%A4glichkeit" title="Elektromagnetische Verträglichkeit">elektromagnetischen Verträglichkeit</a> benötigt. Weiterhin verwendet man Marx-Generatoren zur Speisung von <a href="Gaslaser" title="Gaslaser">Gaslasern</a>, zum Beispiel <a href="Stickstofflaser" title="Stickstofflaser">Stickstofflaser</a>.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Funktionsweise">Funktionsweise</h2></div>

<p>Marx-Generatoren basieren auf der Idee, eine große Anzahl an Kondensatoren parallel mit <a href="Gleichspannung" title="Gleichspannung">Gleichspannung</a> 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.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Einstufiger_Stoßgenerator_(Grundschaltung)"><span id="Einstufiger_Sto.C3.9Fgenerator_.28Grundschaltung.29"></span>Einstufiger Stoßgenerator (Grundschaltung)</h3></div>

<p>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 <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle e}">

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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/cd253103f0876afc68ebead27a5aa9867d927467.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.338ex; width:1.083ex; height:1.676ex;" alt="{\displaystyle e}" loading="lazy"></span>-Funktion und erreicht je nach Ladewiderstand und Kapazität dann einen quasistationären Endwert. Eine <a href="Funkenstrecke" title="Funkenstrecke">Funkenstrecke</a> 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.

</p><p>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.

</p><p>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.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Mehrstufige_Schaltung">Mehrstufige Schaltung</h3></div>

<p>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.

</p><p>Über die Ladegleichspannung <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle U_{l}}">

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</p><p>Die Schlagweiten der Funkenstrecken <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle F_{n}}">

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</p><p>Sind alle Stoßkondensatoren auf ihren quasistationären Endwert der Spannung aufgeladen, erfolgt mittels einer Zündfunkenstrecke <span class="mwe-math-element mwe-math-element-inline"><span class="mwe-math-mathml-inline mwe-math-mathml-a11y" style="display: none;"><math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" alttext="{\displaystyle F_{1}}">

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle F_{1}}</annotation>

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<annotation encoding="application/x-tex">{\displaystyle F_{2}}</annotation>

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</math></span><img src="./_assets_/eb734a37dd21ce173a46342d1cc64c92/0fd17e0779153d765b40ebef91533489b87b2e37.svg" class="mwe-math-fallback-image-inline mw-invert skin-invert" aria-hidden="true" style="vertical-align: -0.671ex; width:2.549ex; height:2.509ex;" alt="{\displaystyle F_{2}}" loading="lazy"></span> 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.

</p><p><br>

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Praktische_Ausführung,_Zündung_und_Betrieb"><span id="Praktische_Ausf.C3.BChrung.2C_Z.C3.BCndung_und_Betrieb"></span>Praktische Ausführung, Zündung und Betrieb</h2></div>

<p>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.

</p><p>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:

</p><p>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 <a href="Ionisation" title="Ionisation">Ionisation</a> 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. 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.<sup id="cite_ref-3" class="reference"><a href="#cite_note-3"><span class="cite-bracket">[</span>3<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p><p>Ein industriell eingesetzter, selbsttriggernder Marx-Generator für Dauerbetrieb hat zum Beispiel folgende Merkmale:<sup id="cite_ref-DE102004001782_2-1" class="reference"><a href="#cite_note-DE102004001782-2"><span class="cite-bracket">[</span>2<span class="cite-bracket">]</span></a></sup>

</p>

<ul><li>Laden der Kondensatoren über Drosseln</li>

<li>Sauerstofffreies Inertgas mit Gasaustausch, Druckregelung, Kühlung und Filterung</li>

<li>Schaltfunken-Elektroden aus Kupfer-Wolfram-Sintermetall,</li>

<li>Ausgangsspannung ca. 360 kV</li>

<li>Impulsstrom ca. 8 kA</li>

<li>Pulsfolgefrequenz 20 … 30 Hz</li></ul>

<p>Die <a href="Elektromagnetischer_Puls" class="mw-redirect" title="Elektromagnetischer Puls">EMP</a>-Testeinrichtung <a href="ATLAS-I" title="ATLAS-I">ATLAS-I</a> enthält zwei zueinander gegenpolige, synchron gezündete Marx-Generatoren mit je 50 Stufen und einer Ladespannung von 100 kV. Damit können ±5 MV erzeugt werden, die mittels <a href="Leitungstheorie" title="Leitungstheorie">Transmission Lines</a> und Antennen einen elektromagnetischen Impuls mit 200 GW Spitzenleistung generieren.<sup id="cite_ref-4" class="reference"><a href="#cite_note-4"><span class="cite-bracket">[</span>4<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> Nach<sup id="cite_ref-5" class="reference"><a href="#cite_note-5"><span class="cite-bracket">[</span>5<span class="cite-bracket">]</span></a></sup> beträgt die Energie 200 kJ, woraus sich eine Impulsdauer von ca. 1 µs ergibt.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Anwendungen">Anwendungen</h2></div>

<p>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 <a href="Blitz" title="Blitz">Blitzen</a> annähernd simulieren können.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Prüfzwecke"><span id="Pr.C3.BCfzwecke"></span>Prüfzwecke</h3></div>

<div class="mw-heading mw-heading4"><h4 id="Energienetz">Energienetz</h4></div>

<p>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 <a href="%C3%9Cberspannungsableiter" title="Überspannungsableiter">Überspannungsableiter</a>, so liegt aufgrund der hochfrequenten Anteile im Spannungsverlauf eine besondere Belastung für das Betriebsmittel vor, man spricht von einer abgeschnittenen Stoßspannung.

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

</p>

<p>Die <a href="Elektromagnetische_Vertr%C3%A4glichkeit" title="Elektromagnetische Verträglichkeit">Elektromagnetische Verträglichkeit</a> von Geräten (Flugzeuge, Wehrtechnik) hinsichtlich Blitzschlag und <a href="Elektromagnetischer_Puls" class="mw-redirect" title="Elektromagnetischer Puls">EMP</a>-Waffen wird unter anderem mit Marx-Generatoren oder mit von solchen gespeisten Impulsgeneratoren für elektromagnetische Strahlung getestet.

</p>

<div class="mw-heading mw-heading3"><h3 id="Wissenschaft_und_Technik">Wissenschaft und Technik</h3></div>

<p>Marx-Generatoren sind für folgende Zwecke einsetzbar:

</p>

<ul><li>Speisung von Impuls-<a href="Gaslaser" title="Gaslaser">Gaslasern</a> und <a href="TEA-Laser" class="mw-redirect" title="TEA-Laser">TEA-Lasern</a>: Impuls-<a href="Kohlendioxidlaser" title="Kohlendioxidlaser">Kohlendioxidlaser</a> und <a href="Stickstofflaser" title="Stickstofflaser">Stickstofflaser</a>, transversal angeregt</li>

<li>Speisung von Impuls-<a href="Magnetron" title="Magnetron">Magnetrons</a></li>

<li>Erzeugung von harten <a href="R%C3%B6ntgenr%C3%B6hre" title="Röntgenröhre">Röntgenimpulsen</a></li>

<li>Erzeugung dichter heißer <a href="Plasma_(Physik)" title="Plasma (Physik)">Plasmen</a></li>

<li>Erzeugung von <a href="Pulsed_Electric_Fields" title="Pulsed Electric Fields">Pulsed Electric Fields</a> als <a href="Konservierung" title="Konservierung">Konservierungsverfahren</a> in der Lebensmittelindustrie<sup id="cite_ref-6" class="reference"><a href="#cite_note-6"><span class="cite-bracket">[</span>6<span class="cite-bracket">]</span></a></sup></li>

<li>Untersuchung der Vorgänge bei <a href="Blitzschutz" title="Blitzschutz">Blitzeinschlägen</a></li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Weblinks">Weblinks</h2></div>

<div class="sisterproject" style="margin:0.1em 0 0 0;"><div class="noresize noviewer" style="display:inline-block; line-height:10px; min-width:1.6em; text-align:center;" aria-hidden="true" role="presentation"><span class="mw-default-size" typeof="mw:File"><span title="Commons"></span></span></div><b><span class=""><a class="external text" href="https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:Marx_generators?uselang=de"><span lang="en">Commons</span>: Marx-Generatoren</a></span></b> – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien</div>

<ul><li><a rel="nofollow" class="external text" href="http://www.electricstuff.co.uk/marxgen.htm">"Quick & Dirty" Marx generator</a> Bastelanleitung (englisch)</li>

<li><a rel="nofollow" class="external text" href="https://www.youtube.com/watch?v=4U4-NZtk9bU">Video eines Marx-Generators</a> in einem Hochspannungslabor</li></ul>

<div class="mw-heading mw-heading2"><h2 id="Einzelnachweise">Einzelnachweise</h2></div>

<li id="cite_note-1"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-1">↑</a></span> <span class="reference-text">Kurt Jäger (Hrsg.): <i>Lexikon der Elektrotechniker.</i> VDE Verlag, Berlin, 1996, ISBN 3-8007-2120-1</span>

</li>

<li id="cite_note-DE102004001782-2"><span class="mw-cite-backlink">↑ <sup><a href="#cite_ref-DE102004001782_2-0">a</a></sup> <sup><a href="#cite_ref-DE102004001782_2-1">b</a></sup></span> <span class="reference-text"><span class="cite">Patent <a rel="nofollow" class="external text" href="https://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?locale=de_EP&CC=DE&NR=102004001782A1">DE102004001782A1</a>: <i>Bipolarer Marxgenerator mit Schalterturm, direkter Triggerung und Gaskonditionierung für industriellen Dauerbetrieb.</i> Angemeldet am <span style="white-space:nowrap;">12. Januar 2004</span>, veröffentlicht am <span style="white-space:nowrap;">11. August 2005</span>, Erfinder: Martin Kern.</span><span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Apatent&rft_id=DE102004001782A1&rft.applcc=DE&rft.title=Bipolarer+Marxgenerator+mit+Schalterturm%2C+direkter+Triggerung+und+Gaskonditionierung+f%C3%BCr+industriellen+Dauerbetrieb&rft.inventor=Martin+Kern&rft.appldate=2004-01-12&rft.pubdate=2005-08-11">‌</span></span>

</li>

<li id="cite_note-3"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-3">↑</a></span> <span class="reference-text">Jane Lehr: <i>Foundations of Pulsed Power Technology</i>, John Wiley & Sons 2017, 664 Seiten, Seite 5</span>

</li>

<li id="cite_note-4"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-4">↑</a></span> <span class="reference-text"><a rel="nofollow" class="external free" href="http://alibi.com/news/35291/Empire-My-Prince.html">http://alibi.com/news/35291/Empire-My-Prince.html</a> Charles Reuben: <i>In Memoriam Empire My Prince Carl Baum, trestle-maker</i> </span>

</li>

<li id="cite_note-5"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-5">↑</a></span> <span class="reference-text"><span class="cite"><a rel="nofollow" class="external text" href="http://ece-research.unm.edu/summa/notes/trestle.html"><i>The Notes of Dr. Carl E. Baum.</i></a><span class="Abrufdatum"> Abgerufen am 8. Juni 2024</span>.</span><span style="display: none;" class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Adc&rfr_id=info%3Asid%2Fde.wikipedia.org%3AMarx-Generator&rft.title=The+Notes+of+Dr.+Carl+E.+Baum&rft.description=The+Notes+of+Dr.+Carl+E.+Baum&rft.identifier=http%3A%2F%2Fece-research.unm.edu%2Fsumma%2Fnotes%2Ftrestle.html"> </span></span>

</li>

<li id="cite_note-6"><span class="mw-cite-backlink"><a href="#cite_ref-6">↑</a></span> <span class="reference-text"><a href="Stefan_T%C3%B6pfl" title="Stefan Töpfl">Stefan Töpfl</a>, Claudia Siemer, Guillermo Saldaña-Navarro, Volker Heinz: <cite style="font-style:italic">Overview of pulsed electric fields processing for food</cite>. In: Da-Wen Sun (Hrsg.): <cite style="font-style:italic">Emerging technologies for food processing</cite>. 2. Auflage. Academic Press, London 2014, ISBN 978-0-12-411479-1, <span style="white-space:nowrap">S.<span style="display:inline-block;width:.2em"> </span>93–114</span>.<span class="Z3988" title="ctx_ver=Z39.88-2004&rft_val_fmt=info%3Aofi%2Ffmt%3Akev%3Amtx%3Abook&rfr_id=info:sid/de.wikipedia.org:Marx-Generator&rft.atitle=Overview+of+pulsed+electric+fields+processing+for+food&rft.au=Stefan+T%C3%B6pfl%2C+Claudia+Siemer%2C+Guillermo+Salda%C3%B1a-Navarro%2C+...&rft.btitle=Emerging+technologies+for+food+processing&rft.date=2014&rft.edition=2&rft.genre=book&rft.isbn=9780124114791&rft.pages=93-114&rft.place=London&rft.pub=Academic+Press" style="display:none"> </span></span>

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