Un generador de Marx es un circuito eléctrico descrito por primera vez por Erwin Otto Marx en 1924. [1] Su propósito es generar un pulso de alto voltaje a partir de un suministro de CC de bajo voltaje. Los generadores Marx se utilizan en experimentos de física de alta energía, así como para simular los efectos de los rayos en los equipos de la línea eléctrica y de la aviación. Un banco de 36 generadores de Marx es utilizado por Sandia National Laboratories para generar rayos X en su Máquina Z .
Principio de funcionamiento
El circuito genera un pulso de alto voltaje al cargar varios condensadores en paralelo y luego conectarlos repentinamente en serie. Vea el circuito de arriba. Al principio, n condensadores ( C ) se cargan en paralelo a un voltaje V C mediante una fuente de alimentación de CC a través de las resistencias ( R C ). Los espacios de chispa utilizados como interruptores tienen el voltaje V C a través de ellos, pero los espacios tienen un voltaje de ruptura mayor que V C , por lo que todos se comportan como circuitos abiertos mientras se cargan los capacitores. El último espacio aísla la salida del generador de la carga; sin ese espacio, la carga evitaría que los condensadores se carguen. Para crear el pulso de salida, se hace que el primer espacio de chispa se rompa (se active); la ruptura efectivamente acorta el espacio, colocando los dos primeros condensadores en serie, aplicando un voltaje de aproximadamente 2 V C a través del segundo espacio de chispa. [2] En consecuencia, el segundo espacio se rompe para agregar el tercer condensador a la "pila", y el proceso continúa rompiendo secuencialmente todos los espacios. Este proceso de descarga de chispas que conecta los condensadores en serie para crear el alto voltaje se llama erección . El último espacio conecta la salida de la serie "pila" de condensadores a la carga. Idealmente, el voltaje de salida será nV C , el número de condensadores multiplicado por el voltaje de carga, pero en la práctica el valor es menor. Tenga en cuenta que ninguna de las resistencias de carga R c está sujeta a más que la tensión de carga incluso cuando se han instalado los condensadores. La carga disponible se limita a la carga de los condensadores, por lo que la salida es un pulso breve cuando los condensadores se descargan a través de la carga. En algún momento, los descargadores de chispas dejan de conducir y el suministro de bajo voltaje comienza a cargar los condensadores nuevamente.
El principio de la multiplicación de tensión mediante el cobro de condensadores en paralelo y descargándolas en serie también se utiliza en el multiplicador de tensión de circuito, que se utiliza para producir altos voltajes para impresoras láser y tubo de rayos catódicos aparatos de televisión , que tiene similitudes con este circuito. Una diferencia es que el multiplicador de voltaje se alimenta con corriente alterna y produce un voltaje de salida de CC constante, mientras que el generador de Marx produce un pulso.
Mejoramiento
El rendimiento adecuado depende de la selección del condensador y el momento de la descarga. Los tiempos de conmutación se pueden mejorar dopando los electrodos con isótopos radiactivos cesio 137 o níquel 63, y orientando los descargadores de chispas de modo que la luz ultravioleta de un interruptor de descarga de chispas ilumine los restantes descargadores de chispas abiertos. [3] El aislamiento de los altos voltajes producidos a menudo se logra sumergiendo el generador Marx en aceite de transformador o un gas dieléctrico de alta presión como hexafluoruro de azufre (SF 6 ).
Tenga en cuenta que cuanto menos resistencia haya entre el condensador y la fuente de alimentación de carga, más rápido se cargará. Por lo tanto, en este diseño, los que están más cerca de la fuente de alimentación se cargarán más rápido que los que están más lejos. Si se permite que el generador se cargue el tiempo suficiente, todos los condensadores alcanzarán el mismo voltaje.
En el caso ideal, el cierre del interruptor más cercano a la fuente de alimentación de carga aplica un voltaje de 2 V al segundo interruptor. Este interruptor se cerrará, aplicando un voltaje de 3 V al tercer interruptor. Este interruptor luego se cerrará, lo que dará como resultado una cascada por el generador que produce nV en la salida del generador (nuevamente, solo en el caso ideal).
Se puede permitir que el primer interruptor se rompa espontáneamente (a veces llamado autodesconexión ) durante la carga si la sincronización absoluta del pulso de salida no es importante. Sin embargo, por lo general se activa intencionalmente una vez que todos los condensadores en el banco de Marx han alcanzado la carga completa, ya sea reduciendo la distancia de la brecha, pulsando un electrodo de disparo adicional (como un Trigatron ), ionizando el aire en la brecha utilizando un pulsador. láser , o reduciendo la presión del aire dentro del espacio.
Las resistencias de carga, Rc, deben tener el tamaño adecuado tanto para la carga como para la descarga. A veces se reemplazan con inductores para mejorar la eficiencia y una carga más rápida. En muchos generadores, las resistencias están hechas de plástico o tubos de vidrio llenos de una solución diluida de sulfato de cobre . Estas resistencias líquidas superan muchos de los problemas experimentados por los materiales resistivos sólidos más convencionales, que tienen una tendencia a reducir su resistencia con el tiempo en condiciones de alto voltaje.
Pulsos cortos
El generador de Marx también se utiliza para generar pulsos cortos de alta potencia para las células de Pockels , impulsando un láser TEA , encendido del explosivo convencional de un arma nuclear y pulsos de radar.
La brevedad es relativa, ya que el tiempo de conmutación incluso de las versiones de alta velocidad no es inferior a 1 ns y, por lo tanto, muchos dispositivos electrónicos de baja potencia son más rápidos. En el diseño de circuitos de alta velocidad, la electrodinámica es importante, y el generador de Marx lo respalda en la medida en que utiliza cables cortos y gruesos entre sus componentes, pero el diseño es, sin embargo, esencialmente electrostático. Cuando se rompe el primer espacio, la teoría electrostática pura predice que el voltaje en todas las etapas aumenta. Sin embargo, las etapas están acopladas capacitivamente a tierra y en serie entre sí, y así cada etapa encuentra un aumento de voltaje que es cada vez más débil cuanto más lejos está la etapa de la conmutación; la etapa adyacente a la de conmutación encuentra, por tanto, el mayor aumento de tensión y, por lo tanto, conmuta a su vez. A medida que cambian más etapas, aumenta la tensión en el resto, lo que acelera su funcionamiento. Por lo tanto, un aumento de voltaje alimentado a la primera etapa se amplifica y aumenta al mismo tiempo.
En términos electrodinámicos, cuando la primera etapa se descompone crea una onda electromagnética esférica cuyo vector de campo eléctrico se opone al alto voltaje estático. Este campo electromagnético en movimiento tiene la orientación incorrecta para activar la siguiente etapa, e incluso puede llegar a la carga; tal ruido delante del borde no es deseable en muchas aplicaciones de conmutación. Si el generador está dentro de un tubo de (digamos) 1 m de diámetro, se requieren alrededor de 10 reflejos de onda para que el campo se asiente en condiciones estáticas, lo que restringe el ancho del borde de ataque del pulso a 30 ns o más. Los dispositivos más pequeños son, por supuesto, más rápidos.
La velocidad de un interruptor está determinada por la velocidad de los portadores de carga, que aumenta con un voltaje más alto, y por la corriente disponible para cargar la inevitable capacitancia parásita. En los dispositivos de avalancha de estado sólido, un alto voltaje conduce automáticamente a una alta corriente. Debido a que el alto voltaje se aplica solo por un corto tiempo, los interruptores de estado sólido no se calentarán excesivamente. Como compensación por los voltajes más altos encontrados, las etapas posteriores también tienen que llevar una carga más baja. La refrigeración por etapas y la recarga del condensador también van bien juntas.
Variantes de escenario
Los diodos de avalancha pueden reemplazar una descarga de chispas para voltajes de etapa inferiores a 500 voltios. Los portadores de carga abandonan fácilmente los electrodos, por lo que no se necesita ionización adicional y la fluctuación es baja. Los diodos también tienen una vida útil más larga que los descargadores de chispas. [ cita requerida ]
Un dispositivo de conmutación rápido es un transistor de avalancha NPN equipado con una bobina entre la base y el emisor. El transistor se apaga inicialmente y existen alrededor de 300 voltios a través de su unión colector-base. Este voltaje es lo suficientemente alto como para que un portador de carga en esta región pueda crear más portadores por ionización por impacto, pero la probabilidad es demasiado baja para formar una avalancha adecuada; en cambio, fluye una corriente de fuga algo ruidosa. Cuando la etapa anterior cambia, la unión emisor-base se empuja hacia adelante y la unión colector-base entra en modo de avalancha total, por lo que los portadores de carga inyectados en la región colector-base se multiplican en una reacción en cadena. Una vez que el generador de Marx se ha disparado por completo, los voltajes caen en todas partes, cada avalancha de interruptores se detiene, su bobina emparejada pone su unión base-emisor en polarización inversa, y el campo estático bajo permite que los portadores de carga restantes se drenen de su unión colector-base.
Aplicaciones
Una aplicación es la llamada conmutación de vagones de una celda de Pockels . Se utilizan cuatro generadores Marx, cada uno de los dos electrodos de la celda de Pockels está conectado a un generador de pulso positivo y un generador de pulso negativo. Primero se encienden dos generadores de polaridad opuesta, uno en cada electrodo, para cargar la celda de Pockels en una polaridad. Esto también cargará parcialmente los otros dos generadores, pero no los activará, porque solo se han cargado parcialmente de antemano. Las fugas a través de las resistencias de Marx deben compensarse con una pequeña corriente de polarización a través del generador. En el borde de salida del vagón, los otros dos generadores se encienden para "revertir" la celda.
Los generadores Marx se utilizan para proporcionar pulsos de alto voltaje para la prueba de aislamiento de aparatos eléctricos como grandes transformadores de potencia o aislantes utilizados para soportar líneas de transmisión de potencia. Los voltajes aplicados pueden exceder los dos millones de voltios para aparatos de alto voltaje.
Ver también
- ATLAS-I
- Generador Cockcroft-Walton : un circuito similar que tiene la misma estructura de "escalera". El generador de CW produce CC rectificada a partir de una entrada de CA.
- Generador de inversión vectorial Un dispositivo de línea de transmisión que utiliza una carga similar en descarga paralela en un enfoque en serie
- Generador de compresión de flujo bombeado de forma explosiva : una solución al problema dual de crear pulsos de alta corriente
- Bobina de encendido
- Bobina de inducción
- Centro de investigación de alto voltaje de Istra
- bobina de Tesla
Referencias
- ^ Marx, Erwin (1924). "Versuche über die Prüfung von Isolatoren mit Spanningsstößen" [Experimentos sobre la prueba de aisladores mediante pulsos de alta tensión]. Elektrotechnische Zeitschrift (en alemán). 25 : 652–654. ISSN 0424-0200 . OCLC 5797229 .. Esta referencia es sospechosa: el año 1924 y el volumen 25 no coinciden; el año 1924 corresponde al volumen 45; el volumen 25 sería demasiado temprano para Marx. Volker Weiss dice 1925 y el volumen 45, lo que también estaría mal. Electrical World https://books.google.com/books?id=o3FEAQAAIAAJ&hl=en sugiere que el artículo de prueba de Flashover de Marx fue el 11 de junio de 1925.
- ^ Explicación típica; ver, por ejemplo, http://www.kronjaeger.com/hv/hv/src/marx/index.html ; el tema es más complicado. Otro sitio utiliza inductores de carga en lugar de resistencias: http://hibp.ecse.rpi.edu/~leij/febetron/marx.html .
- ^ E. Kuffel, WS Zaengl, J. Kuffel Ingeniería de alto voltaje: fundamentos , Newnes, 2000 ISBN 0-7506-3634-3 , páginas 63, 70
Otras lecturas
- Bauer, G. (1 de junio de 1968) "Un generador de impulsos de nanosegundos de alto voltaje y baja impedancia", Journal of Scientific Instruments , Londres, Reino Unido. vol. 1, págs. 688–689.
- Graham y col. (1997) "Generador compacto de 400 kV Marx con carcasa de interruptor común", Conferencia de energía pulsada, XI Compendio anual de documentos técnicos , vol. 2, págs. 1519-1523.
- Ness, R. y col. (1991) "Generadores Marx compactos, megavoltios, con clasificación de repetición", IEEE Transactions on Electron Devices , vol. 38, núm. 4, págs. 803–809.
- Obara, M. (3 al 5 de junio de 1980) "Generador Marx de tipo franja multicanal, superficie, espacio de chispas para láseres de descarga rápida", Informe de la conferencia IEEE del decimocuarto simposio de moduladores de potencia de pulso de 1980 , págs. 201-208 .
- Shkaruba y col. (Mayo-junio de 1985) "Generador Arkad'ev-Mark con acoplamiento capacitivo", Instrum Exp Tech vol. 28, núm. 3, parte 2, págs. 625–628, XP002080293.
- Sumerville, IC (11-24 de junio de 1989) "A Simple Compact 1 MV, 4 kJ Marx", Actas de la Pulsed Power Conference, Monterey, California conf. 7, págs. 744–746, XP000138799.
- Turnbull, SM (1998) "Desarrollo de un generador Marx PFN de alta tensión y alta PRF", Registro de la conferencia del 23º Simposio Internacional de Modulación de Potencia de 1998 , págs. 213–16.
enlaces externos
- " Generador de Marx ". ecse.rpi.edu. (el editor explica el generador de impulsos Febetron 2020 experimentado en el Laboratorio de dinámica de plasma de RPI )
- Jochen Kronjaeger, " " Generador de Marx ". Jochen's High Voltage Page, 2003.
- Jim Lux, " Marx Generators ", High Voltage Experimenter's Handbook, 3 de mayo de 1998.
- " El generador de Marx 'Quick & Dirty' ". Mike's Electric Stuff, mayo de 2003.